Rasanter Fortschritt bei Energiesystemen

Mobiles DC-Ladegerät

Gemeinsam mit der Firma Designwerk arbeitet das IES an einem mobilen DC-Ladegerät für Fahrzeuge. Was auf den ersten Blick unspektakulär klingt, entpuppt sich bei genauerem Hinsehen als technologisch hochinteressant. Das MDC 22-920 – so der Name des Ladegeräts – liefert eine Ladeleistung von 21 Kilowatt und unterstützt neu Ausgangsspannungen von 150 bis 1000 Volt. Damit lassen sich erstmals Batterien unterschiedlichster Fahrzeugplattformen mit ein und demselben mobilen Charger laden. Darüber hinaus ist das System skalierbar und kann je nach Ausbaustufe Ladeleistungen von 42 Kilowatt oder sogar bis zu 88 Kilowatt erreichen.

Im Rahmen des von Innosuisse geförderten Projekts wurde der Charger grundlegend neu entwickelt, wobei das IES einen massgeblichen Beitrag leistete. Das Besondere daran: Während bisher mobile Ladegeräte meist auf Fahrzeuge mit 400- oder 800-Volt-Batteriesystemen beschränkt waren, ist das MDC 22-920 universell einsetzbar – unabhängig von der Batteriespannung des Fahrzeugs.

Zusätzlich eröffnet die neue, bidirektionale Ladefähigkeit völlig neue Anwendungsmöglichkeiten: Fahrzeuge können nicht nur geladen werden, sondern auch selbst als Energiespeicher dienen und Strom wieder abgeben. Damit wird das mobile Ladegerät zu einem flexiblen Bindeglied zwischen Fahrzeug, Netz und Energiespeicher.

CircuBAT – ein zweites Leben für Elektroauto-Batterien

Das von Innosuisse geförderte Flagship-Projekt CircuBAT 2025, das kürzlich abgeschlossen wurde, widmete sich der Frage, wie gebrauchte Batteriespeicher sinnvoll weiterverwendet werden können. Am Projekt beteiligt waren insgesamt 24 Unternehmen und sieben Forschungsinstitutionen, das Gesamtvolumen lag im Bereich mehrerer Millionen Franken. In sieben Teilprojekten wurde untersucht, wie sich Batterien nach ihrem ersten Einsatz – etwa in Elektrofahrzeugen – in einem sogenannten Second Life weiter nutzen lassen.

Das Projekt CircuBAT hatte zum Ziel, den Lebenszyklus von Fahrzeugbatterien zu verlängern, anstatt sie frühzeitig zu recyceln. Im Fokus standen die Wiederverwendung gebrauchter Batterien in einem zweiten Leben, etwa als stationäre Energiespeicher, sowie die Entwicklung von Konzepten für eine echte Kreislaufwirtschaft entlang der gesamten Batteriewertschöpfungskette.

Das Team rund um Simon Nigsch von der OST – Ostschweizer Fachhochschule entwickelte in seinem Teilprojekt einen klaren Ansatz: Statt Batterien am Ende ihres ersten Lebenszyklus zu entsorgen, rückte deren Weiterverwendung in den Mittelpunkt. Ziel war der Aufbau eines Second-Life-Batteriespeichersystems, das gebrauchte Fahrzeugbatterien weiterhin energetisch nutzbar macht und so wertvolle Ressourcen schont.

Der zentrale Beitrag des Teams gemeinsam mit dem EMS Institut für Entwicklung Mechatronischer Systeme lag in der Konzeption und Entwicklung eines modularen Batteriecontainers. Dieser ist so ausgelegt, dass er unterschiedlichste Batterien von Elektroautos aufnehmen kann. Herzstück des Systems bildet ein eigens entwickeltes Regalsystem, das eine flexible und zugleich sichere Integration der Batterien ermöglicht. Neben der mechanischen Auslegung wurden auch Aspekte wie Klimamanagement, Brandschutz sowie geeignete Löschkonzepte umfassend berücksichtigt.

Eine der grössten Herausforderungen im Projekt bestand darin, dass gebrauchte Batterien sehr unterschiedliche State-of-Health-Zustände (SoH) aufweisen. Kapazität, Spannung, Alterung und Leistungsfähigkeit variieren dabei teils erheblich. Um diesen Unterschieden gerecht zu werden, müssen die einzelnen Batteriemodule separat überwacht und geregelt werden. Dafür wurde zunächst ein flexibles Systemdesign entwickelt, das den Einbau unterschiedlichster Batterietypen innerhalb desselben Containers erlaubt. Aufbauend darauf entwickelte das IES Institut für Energiesysteme hocheffiziente DC-DC-Converter mit galvanischer Isolation und einer Leistung von 50 kW, die den sicheren, stabilen und effizienten Betrieb der einzelnen Batteriemodule gewährleisten.

Neben der technischen Machbarkeit stand auch der ökologische Fussabdruck im Fokus. Aus ökologischer Sicht wäre es ideal, Batterien möglichst lange im Fahrzeug selbst weiterzuverwenden. Ist dies jedoch nicht mehr sinnvoll oder möglich, stellt der entwickelte Container sozusagen die zweitbeste Lösung dar, um die vorhandene Energie- und Ressourcenbasis weiter zu nutzen und den Lebenszyklus der Batterien deutlich zu verlängern.

Organisch statt Lithium: Der Energiespeicher der Zukunft?

Die deutsche Firma CMBlu Energy entwickelt stationäre Batteriespeicher, die bewusst ohne Lithium auskommen. Stattdessen setzt das Unternehmen auf sogenannte Organic-SolidFlow-Batterien, ein Redox-Flow-basiertes Speichersystem mit organischen Elektrolyten. Diese bestehen aus weltweit verfügbaren, vollständig recyclebaren Materialien und sind nicht brennbar, was den Betrieb besonders sicher und zuverlässig macht.

Ein zentraler Vorteil dieser Technologie liegt in der klaren Trennung von Elektrolyt – als eigentlichem Energiespeicher – und den Energiewandlern. Dadurch entsteht keine Selbstentladung und altersbedingte Leistungseinbussen können durch den gezielten Austausch einzelner Komponenten ausgeglichen werden. Am Ende der Lebensdauer lässt sich zudem der Elektrolyt ersetzen, wodurch die Batterie ihre ursprüngliche Leistungsfähigkeit vollständig zurückerlangt.

Auch auf Systemebene überzeugt der Ansatz: Leistung und Kapazität sind unabhängig voneinander frei skalierbar und können exakt auf die jeweilige Anwendung abgestimmt werden. Damit eignen sich die Systeme besonders für langlebige, nachhaltige Energiespeicherlösungen im industriellen und netzseitigen Einsatz.

Unter der Leitung von Simon Nigsch entwickelte das IES auch speziell angepasste Leistungselektronik für diese Speichertechnologie. Der Hintergrund: SolidFlow-Batterien unterscheiden sich grundlegend von Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere durch ihren sehr grossen nutzbaren Spannungsbereich zwischen voll- und entladenem Zustand. Während Lithium-Batterien nur in einem vergleichsweise engen Spannungsfenster betrieben werden können, variiert die Batteriespannung bei SolidFlow-Systemen stark.

Simon Nigsch erklärt den Unterschied anschaulich: «Bei klassischen Lithium-Ionen-Batterien liegt die Zellspannung im vollgeladenen Zustand beispielsweise bei rund 4,2 Volt. Über einen grossen Teil des Entladevorgangs bleibt diese Spannung nahezu konstant und fällt erst gegen Ende relativ abrupt ab. Unterschreitet sie einen bestimmten Schwellenwert, gilt die Batterie als entladen und kann nicht weiter genutzt werden.»

SolidFlow-Batterien werden über einen deutlich grösseren Spannungsbereich betrieben als klassische Lithium-Batterien. Die Batteriespannung verändert sich dabei kontinuierlich zwischen voll- und entladenem Zustand, ohne eine ausgeprägte, nahezu konstante Spannungslage aufzuweisen.

Genau dieser Spannungsbereich stellt jedoch eine technische Herausforderung dar. Denn für solche Batteriesysteme existieren bislang kaum geeignete marktverfügbare Leistungselektroniklösungen. Entsprechend sind speziell angepasste Wandler- und Konverterkonzepte erforderlich, um die Batterien effizient und sicher in übergeordnete Energiesysteme einzubinden.

Das IES Institut für Energiesysteme entwickelte daher modulare DC-DC-Converter, die speziell auf diese Anforderungen ausgelegt sind. Sie koppeln SolidFlow-Batterien mit einem Eingangsspannungsbereich von etwa 30 bis 90 Volt an einen zentralen DC-Bus mit rund 1400 Volt an. Von diesem DC-Bus aus übernehmen leistungsstarke Wechselrichter die Netzanbindung. Der Einsatz dieser SolidFlow-Speicher ist insbesondere für grosse stationäre Energiespeicher im Megawattbereich vorgesehen.

Einziges Manko des genialen Systems ist derzeit noch die fehlende Preiskonkurrenz im Markt. Doch sollten die Batterien in Serie produziert werden können, wären sie sogar günstiger als die heutigen Lithium-Lösungen.

Und noch viel mehr

Energie lässt sich längst auch ohne Kabel übertragen. Genau hier bringt das IES sein Know-how ein. Allerdings nicht beim kabellosen Laden von Smartphones, sondern bei Fahrzeugen. Was zunächst futuristisch klingt, ist technisch bereits heute umsetzbar.

Dass das induktive Laden von Fahrzeugen zunehmend an Bedeutung gewinnt, zeigt auch die Industrie: So hat kürzlich Porsche ein Fahrzeug vorgestellt, das seriennahes Wireless Charging unterstützt. Das Thema dürfte damit schon in naher Zukunft auch im Alltag ankommen – und eröffnet neue Perspektiven für komfortables und automatisiertes Laden von Elektrofahrzeugen.

Parallel dazu ist ein neues, dreijähriges Forschungsprojekt gestartet, das die Effizienz und die praktische Einbindung von Elektrofahrzeugen als Batteriespeicher für Einfamilienhäuser untersucht. Gemeinsam mit dem SPF und der Berner Fachhochschule analysiert das Team verschiedene Vehicle-to-Home-Ansätze (V2H). Im Fokus steht die Frage, wie effizient überschüssige PV-Energie im Fahrzeug zwischengespeichert und später wieder für den Eigenverbrauch genutzt werden kann. Dabei werden sowohl DC-Anbindungen über eine DC-Wallbox als auch AC-Konzepte über den Onboard-Charger des Fahrzeugs betrachtet, wobei ein Energiemanagementsystem den Energiefluss optimiert. Bereits zu Projektbeginn zeigte sich jedoch, dass in der Schweiz bislang nur wenige Fahrzeuge die bidirektionale Ladefunktion freigeschaltet haben und aktuell kein Serienfahrzeug eine AC-basierte Rückspeisung über den Onboard-Charger ins Hausnetz erlaubt. Bis diese Technologie flächendeckend verfügbar ist, werden noch mehrere Jahre vergehen. Langfristig verspricht sie jedoch einen erheblichen Mehrwert, sowohl zur Entlastung der Stromnetze als auch zur Maximierung des Eigenverbrauchs selbst erzeugter Energie.

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