Untersuchung der Weiterverwendung von Traktionsbatterien als stationärer Energiespeicher in privaten Haushalten
Projektdurchführung
Bergische Universität Wuppertal
Lehrstuhl für Zuverlässigkeitstechnik und
Risikoanalytik
Gaußstr. 20
42119 Wuppertal
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Die Weiterverwendung von Traktionsbatterien als Heimspeicher in einem privaten Haushalt in Kombination mit einer Photovoltaik-Anlage bietet die Möglichkeit erneuerbare Energie in einer ressourcenschonenden Weise zu speichern. Eine Weiterverwendung von Batterien, die ursprünglich für einen anderen Zweck ausgelegt waren und bereits gealtert sind, führt zu einigen sicherheits- und zuverlässigkeitstechnischen Fragestellungen. Im Rahmen dieses Projektes wurden deshalb drei Kernziele untersucht:
1) Kernziel 1: Entwicklung eines Sicherheitskonzepts bzw. einer Sicherheitsarchitektur
? Ziel: Sicherstellung des Umweltschutzes im Schadensfall
2) Kernziel 2: Entwicklung eines Zuverlässigkeitsmodells
? Ziel: Sicherstellung des zuverlässigen Betriebs im 2nd-use und damit Umweltentlastung durch Ressourcen- und Prozessenergieeinsparung
3) Kernziel 3: Entwicklung einer KMU-Lösung für stationäre 2nd-use Energiespeicher in Privathaushalten (repräsentative Kleinanlage)
? Ziel: Zukünftige Möglichkeit des Aufbaus von stationären Stromspeichern durch KMU
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Projekt ließ sich maßgeblich in sieben Abschnitte gliedern. Zunächst wurden die zwei Fahrzeuge des gleichen Typs, gleichen Baujahrs und unterschiedlichen Laufleistungen am Gebrauchtwagenmarkt erworben und deren Traktionsbatterien ausgebaut. In einem weiteren Schritt wurde ein Logistikmodell entwickelt in dem gesetzliche Anforderungen an den Transport von Batterien berücksichtig wurden. Dabei wurden außerdem Gesetzeslücken aufgedeckt. Die Homogenisierung der Datenstruktur stellte einen weiteren Aufgabenbereich dar. Daten die für die Auswertung relevant sind und erfasst werden konnten, sollten in eine einheitliche Struktur gebracht werden, um Analysen zu vereinfachen. Dazu wurde eine Datenbank aufgebaut. Zur Entwicklung eines Prüfkonzeptes wurden drei Zustandsbeurteilungsverfahren für Batteriezellen angewandt und unter der Berücksichtigung ökonomischer und ökologischer Kriterien verglichen. Im Rahmen von sicherheitstechnischen Analysen wurden zum einen Gefährdungsszenarien identifiziert. Zum anderen wurde eine Versuchsapparatur konstruiert, mit der Brandversuche zur Ermittlung von Gefährdungen im Schadensfall durchgeführt werden konnten. Bei der Erstellung des Zuverlässigkeitskonzeptes wurden Daten mit statistischen Methoden und verschiedenen Methoden des Maschinellen Lernens (überwachtest und unüberwachtes Lernen) analysiert. Maschinelles Lernen wurden außerdem für die Modellierung genutzt. Der letzte Arbeitsschritt bildete die Konstruktion und Aufbau des Demonstrators inklusive Sicherheitskonzept und die Einbindung in das vorliegende System.
Ergebnisse und Diskussion
In dem Forschungsvorhaben wurde die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Traktionsbatterien in einer Second-Life Anwendung untersucht. Die Beschaffung beinhaltete einige Herausforderungen, sodass schließlich zwei Elektrofahrzeuge aus dem Feld beschafft wurden. In einem Logistikkonzept wurde das Vorgehen für einen sicheren Transport von gebrauchten Batterien unter der Berücksichtigung rechtlicher Rahmenbedingungen strukturiert. Weiterhin wurden die Lithium-Ionen Batteriemodule und Batterieeinzelzellen aus den zwei BEV mit verschiedenen Testverfahren untersucht. Es konnte festgestellt werden, dass für einen Erstbefund eines spezifischen Traktionsbatteriesystems, dieses bis auf die Ebene der Batterieeinzelzellen betrachtet werden muss, um spätere Rückschlüsse auf die Verwendung von Batteriemodulen aus diesen Traktionsbatterien ziehen zu können. Inwieweit eine generell wirtschaftliche Weiterverwendung der Batteriemodule oder Batterieeinzelzellen möglich ist, ist weiterführend zu klären. In jedem Fall gilt es aber anzumerken, dass unter ökonomischen Aspekten die Bewertung einer Traktionsbatterie auf der Ebene der Batteriemodule erfolgen muss. Es zeigte sich, dass die Ergebnisse der Testverfahren zur Prüfung der Batterien untereinander eine starke Korrelation aufweisen, wodurch es möglich wird, Beurteilungskriterien für weniger aufwändigere Testverfahren zu definieren. Weiterhin zeigt sich eine starke Veränderung der Messwerte durch beschleunigte Alterung. Daraus kann auf eine zuverlässige Detektion von Akkumulatoren mit geringem SOH geschlossen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Kategorisierung der Akkumulatoren mit verschiedenen Tests möglich ist, wobei hier der EIS-Test, unter Betrachtung verschiedener, festgelegter Parameter, am besten bewertet wurde. Der EIS-Test kann daraus resultierend als das unter wirtschaftlichen und ressourcenschonenden Aspekten geeignetste Testverfahren angesehen werden. Weiterhin wurde eine Datenbank aufgebaut in der Batteriedaten aus verschiedenen Fahrzeugen gesammelt werden können. Auf diese Weise können zukünftig die Analysen der Batteriesysteme vereinfacht werden. Innerhalb sicherheitstechnischer Analysen wurden verschiedene Schadensszenarien betrachtet. Außerdem wurde die Gefährdung durch Toxizität für Anwohnende und Einsatzkräfte im Schadensfall untersucht. Dazu wurde eigens eine Versuchsapparatur konzipiert und die auftretenden Ventiggase im Falle eines thermischen Durchgehens analysiert. Darüber hinaus wurde ein Zuverlässigkeitskonzept entwickelt und mit einer prototypischen Datenmenge modelliert. Es konnte gezeigt werden, dass das Konzept geeignet erscheint, jedoch eine erweiterte Datenmenge für ein generalisiertes Modell benötigt wird. Basierend auf den Ergebnissen wurde ein Sicherheitskonzept für den Einsatz abgeleitet und ein Demonstrator aufgebaut, welcher seit ca. 1,5 Jahren zuverlässig, mit ausreichender Leistungsfähigkeit, in einer Second-Life Anwendung im Bereich Heimspeicher genutzt wird.
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation
Während der Projektlaufzeit wurden drei Veröffentlichungen bei den ESREL Konferenzen 2020, 2021 und 2022 publiziert und bei der jeweiligen Konferenz vorgestellt. Darüber hinaus wird derzeit ein internationaler Journalbeitrag finalisiert und zeitnah eingereicht. In dieser Veröffentlichung werden die Kernergebnisse dieses Forschungsprojekt präsentiert. Weiterhin soll ein populärwissenschaftlicher Beitrag bei einem deutschsprachigen Journal verfasst werden
Fazit
Innerhalb des Projektes wurde gezeigt, wie eine sichere und zuverlässige Weiterverwendung von Traktionsbatterien als Heimspeicher in privaten Haushalten realisiert werden kann. Dies bietet eine ressourcenschonende Möglichkeit zur zusätzlichen Nutzung von regenerativen Energien mit der außerdem Prozessenergie durch die Reduktion von neu produzierten Batterien eingespart wird. Im Rahmen des Projektes wurde der gesamte Prozess von der Beschaffung bis zum sicheren und zuverlässigen Einsatz als Heimspeicher betrachtet. Dazu wurde ein Logistikkonzept, durch dessen Einhaltung ein sicherer Transport der Batterien ermöglicht wird, entwickelt. Darüber hinaus wurde ein ökonomisch und ökologisch orientiertes Bewertungsverfahren konstruiert. Für die Strukturierung Daten wurde eine Datenbank angelegt, in der Parameter und Kenngrößen erfasst sind, die für eine Beurteilung von großer Relevanz sind. Ein Schwerpunkt des Projektes bildeten sicherheitstechnische Untersuchungen bei denen Schadensszenarien analysiert und mögliche Gefährdungen, die bei einem thermischen Durchgehen entstehen können, in Brandversuchen erprobt wurden. Weiterhin wurde ein Konzept zur Zuverlässigkeitsbewertung entwickelt und prototypisch modelliert. Abschließend wurde ein Demonstrator mit einem geeigneten Sicherheitskonzept aufgebaut und in Betrieb genommen. Im Rahmen des Forschungsprojektes konnten die definierten Ziele erreicht werden. Die Ergebnisse sind somit überzeugend und werden insgesamt positiv bewertet und zeigen, dass eine Second-Life Anwendung im Bereich Re-Purposing zu einer ressourcenschonenden und damit nachhaltigeren Nutzung von First-Life Batteriesystem aus dem Bereich der Traktionsbatterien dienen könnte.