Ausge­diente Batterien nutzen

Lithium-Ionen-Batterien haben sich in vielen Anwen­dungen etabliert. Das Spektrum reicht von Einzel­zellen in Taschen­lampen über schwere Batterien in Elektro­fahr­zeugen bis zu stationären Energie­speichern im MWh-Bereich. Weltweit erreichte die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien für Kraft­fahr­zeuge mehr als 750 GWh im 2023, ein Anstieg um 40% gegenüber 2022 [1].

Mit der zuneh­menden Anzahl an Elektro­fahr­zeugen steigt auch die Menge an Batterien, die am Ende der Lebensdauer der Fahrzeuge anfällt. Wie damit dereinst umgegangen werden soll, ist aber noch immer weitgehend ungeklärt. Im Recycling hingegen werden Batterien heute noch überwiegend dem Shredder zugeführt und zum Zwischen­produkt Schwarz­masse verarbeitet, was für den Grafit noch ein Downcycling bedeutet [2]. Zur Rückgewinnung von Wertstoffen wie Alumi­nium, Kupfer, Grafit und Kathoden­materi­alien aus den Zellen in möglichst reiner Form, zur Anpassung an die hohen Produktions­raten und Kosten sowie zur Schliessung des Batterie­kreis­laufs ist künftig ein hoch­auto­mati­siertes Recycling­ver­fahren erfor­derlich.

Allgemein werden in der Elektro­mobilität Batterien mit einer Speicherkapazität von mehr als 80% des Neuzustandes als genügend erachtet. Diese Grösse wird State of Health, SOH, genannt. Liegt der SOH darunter, ist noch immer ausreichend Rest­kapazität für andere Anwen­dungen wie stationäre Energie­speicher in Häusern vorhanden, bei denen Energie­dichte und Leistungsfähigkeit (C-Rate) weniger entscheidend sind. Mit 80% SOH verfügt eine gealterte Batterie eines VW ID.3 (neu 58 kWh) noch über 46,4 kWh. Diese ist weit mehr als die für in Ein­familien­häusern in Kombination mit einer PV-Anlage sinnvollen Speichergrösse von etwa 10 kWh [3]. Aus Nach­haltig­keits­gründen ist eine weitere Verwendung der Traktions­batterie in einer Zweit­anwen­dung (Second-Life) sinnvoll, denn sie kann je nach Anwen­dung die Lebensdauer der Batterie um 8 Jahre oder mehr [4] verlängern. Es gibt aber unterdessen erst vereinzelte Angebote in diesem Bereich. Im grossen Stil angewandte Lösungen sind heute auch aus wirt­schaft­lichen Gründen noch nicht verfügbar.

Kreislaufwirtschaft für Traktions­batterien

Hier setzt das Forschungs­projekt CircuBAT an. Es will den Kreis zwischen Produktion, Anwendung und Recycling von Lithium-Ionen-Batterien aus der Mobilität schliessen. Dafür suchen sieben Schweizer Forschungs­insti­tutionen sowie 24 Unter­nehmen gemein­sam nach Opti­mierungs­möglich­keiten für mehr Nach­haltig­keit in allen Lebens­abschnitten der Batterie. Das CircuBAT-Projekt startete 2022 und läuft bis Ende 2025. Es ist Teil der Flagship-Initiative zur Förderung von Syste­mischer Inno­vation von Innosuisse, der Schweizer Agentur für Inno­vations­förderung. In CircuBat forschen sieben Teil­projekte zu relevanten Aspekten in der Schweizer Batterie-Wert­schöpfungs­kette. Hier wird ein Einblick in die Teilprojekte «Nutzung neuer Batterien» und «Zweit­nutzung von Antriebs­batterien aus Fahrzeugen in der Elektri­zitäts­versorgung» gegeben.

Ein längeres Leben für Batterien

Das Teilprojekt «Nutzung neuer Batterien» unter der Leitung von Prof. Dr. Priscilla Caliandro befasst sich mit der Verbesserung der Ökobilanz von Batterien durch die Verlängerung ihrer Lebensdauer. Denn jede Batterie verliert durch die Nutzung an Speicher­kapa­zität und altert unab­hängig davon auch mit der Zeit. Die Batterie­alterung lässt sich aber beein­flussen.

Durch die Entwicklung von daten­basierten Strategien und Algorith­men soll die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien in der ersten Anwendung in E-Bikes (Thömus AG), Dreirädern (Schweizerische Post AG und Kyburz Schweiz AG), Hubstaplern (Green Cubes Technology), Autos (Mobility Genossen­schaft), Kastenwagen (FPT Motoren­forschung AG) und Lastwagen (E-Force One AG) maximiert werden.

Dabei sollen die Batterien so betrieben werden, dass sie die Mobilitäts­anfor­de­rungen bei möglichst tiefen Betriebs­kosten möglichst lange erfüllen. Dafür muss ihr Alterungs­prozess während der Nutzungs­zeit gut verstanden und die Bedin­gungen und Para­meter identi­fiziert werden, die den Batterien schaden. Für die Modelle werden Daten verwendet, welche die Umsetzungs­partner bereits über mehrere Jahre aufgezeichnet haben. Diese Daten werden analysiert, um auf Big-Data- und auf maschinellem Lernen basierende Modelle zur Beschreibung der Batterie­alte­rung zu entwickeln. Die abgeleiteten Strategien werden im Projekt an E-Bikes und einem E-LKW angewandt und getestet.

Ausserdem soll ein statistisches Datenmodell eine schnelle, technologisch fundierte und kostengünstige Entscheidung darüber ermöglichen, wann und ob eine Batterie von der ersten zur zweiten Nutzung übergehen soll. Dieser Entscheid hängt vom Residualwert (in CHF) der Batterie und weiteren Faktoren wie beispielsweise Garantie­leistungen oder Sicher­heits­vorschriften in der Second-Life-Anwendung ab. Dazu erforscht das Team an der Berner Fach­hoch­schule BFH die Batterie­alte­rung auch auf der Strasse. Zum Beispiel werden mit E-Bikes relevante Batteriedaten wie die Temperatur, der Ladezustand und die Stromstärke für Forschungs­zwecke erfasst. Dabei wird ein für solche Nutzungs­daten entwickeltes statistisches Konzept verwendet. Vorteile des Konzeptes sind ein über die gesamte Laufzeit konstanter Speicherplatz sowie eine unmittelbare Anony­misie­rung der aufgezeichneten Daten. Rückschlüsse darauf, welche Strecke gefahren wurde, sind damit nicht möglich. Zudem wird die Rechenzeit für das Data-Pre­proces­sing in der späteren Analyse deutlich reduziert, weil es schon im Batterie­manage­ment­system (BMS) und vor der Übermittlung an den Server an der BFH durchgeführt wird. Daraus resultiert ein schlankes und kosten­günstiges System, das auch in weniger leistungs­fähigen BMS imple­men­tiert werden kann. Zudem hat es das Potenzial, relevante Daten ohne Datentransfer über die ganze Lebensdauer aufzuzeichnen und die nut­zungs­bezoge­nen Parameter für den ab 2026 in der EU erforder­lichen digitalen Batterie-Pass [5] festzuhalten.

Anschliessend kombinieren die Forschenden die Daten über die Nutzung im Labor mit einem Alterungs­modell und entwickeln optimale Betriebs­strategien mit KI. Basierend auf dieser Auswertung soll zudem eine Prognose über die künftige Leistungs­fähig­keit der Batterien und über deren weitere Lebensdauer (Remaining Useful Life, RUL) erstellt werden. Dies ist für den sicheren Betrieb von Batterien entscheidend und für Geschäfts­modelle zur Zweit­nutzung erforderlich. Aktuell wird an einer Verbesserung der Aussagekraft der Vorher­sagen und an der Implemen­tierung des Konzeptes in weiteren Anwen­dungen gearbeitet. Nur mit Kenntnis der relevanten Parameter über die gesamte Nutzungs­dauer lässt sich die Batterie­alte­rung verlässlich model­lieren und die künftige Leistungs­fähigkeit abschätzen.

Vielseitige Einsatz­möglich­keiten

Das Hauptziel des Teilprojektes «Zweitnutzung von Antriebs­batte­rien aus Fahr­zeugen in der Elektri­zitäts­ver­sorgung» ist die Entwicklung und Implemen­tierung eines flexiblen stationären Energie­speicher­systems mit Second-Life-Batterien. Dabei wird von der OST – Ostschweizer Fach­hoch­schule gemeinsam mit dem Industrie­partner Indrivetec ein Batterie­con­tainer mit Second-Life-Batterien aus Elektro­fahr­zeugen aufgebaut und getestet. Er soll im Netz der BKW betrieben werden und wichtige Daten und Erkenntnisse über den Betrieb von gebrauchten Fahr­zeug­batte­rien liefern.

Die Batterien werden über DC-DC-Konverter auf einen gemeinsamen Bus geführt. Das EMS regelt dabei den Energiefluss für jede Batterie individuell und bildet die Schnitt­stelle zu einem bidirek­tionalen Wechsel­richter, der mit dem Netz verbunden ist. Die Heizung, Kühlung sowie der Brandschutz vom Batterie­speicher werden über ein über­geord­netes System gesteuert und angezeigt.

Das System ist skalierbar. Es soll nicht nur im Forschungs­projekt genutzt werden, sondern auch kommer­zielle Anwen­dungen unter­stützen können. Damit es für Netz­betreiber attraktiv wird, muss es technische und wirt­schaftliche Vorteile bieten. Dazu gehören die Vermeidung von Kosten für Ausgleichs­energie, die Teilnahme am Regel­energie­markt sowie Peak-Shaving für Solar- und Windkraft.

Neben der vielseitigen Einsatz­möglich­keit ist auch die Flexibilität dieses Second-Life-Batterie­speichers wichtig. Es können verschiedene Batterie­typen mit unter­schied­lichen Eigen­schaften wie SOH, Batterie­spannung sowie auch Lade- und Entlade­leistungen verbaut werden. Dazu wurde von der OST ein bidirek­tionaler, galvanisch getrennter DC-DC-Konverter (50 kW) entwickelt, der Effizienzen von über 99% erreicht. Mit ihm können Batterien aus verschie­denen Elektro­fahr­zeugen im Batterie­container verbaut werden, die unter­schied­liche chemische Zusam­men­setzungen und technische Spezifi­katio­nen aufweisen.

Durch ein ausgeklügeltes EMS werden die indivi­duellen Eigen­schaften und SOH-Werte der Batterien überwacht und optimal aufeinander abgestimmt, um die Lebensdauer des gesamten Speichers zu maximieren und die Res­sourcen­effizienz zu steigern.

Vor ihrem zweiten Einsatz müssen Batterien geprüft und charakte­risiert werden, um sicher­zustellen, dass sie für eine Zweit­nutzung geeignet sind. Dies umfasst die Analyse ihrer Rest­kapazität, Leistungs­fähigkeit und Lebens­dauer. Diese zeit­inten­sive und teure Charakte­risie­rung wird im Teilprojekt «Second Life Operation» untersucht.

Heraus­forderungen und Zukunfts­perspektiven

Trotz ihrer Vorteile stehen Second-Life-Batterie­speicher vor einigen Heraus­forde­rungen. Für ihre Zertifi­zierung fehlt es heute an Standards, die die Sicherheit und Qualität dieser Speicher gewähr­leisten. Zudem braucht es techno­logische Fortschritte und Know-how, welche die flexible und einfache Integration von gebrauchten Batterien in bestehende Systeme vorantreibt, damit sie wirtschaftlich betrieben werden können. Auch die Frage nach Garantien für einen zuver­lässigen und sicheren Betrieb ist noch offen und kann dazu führen, dass neue Batterien in stationären Energie­speichern eingesetzt werden. Dies­bezüg­lich kann Know-how aus anderen Teilprojekten zur Verbreitung von Second-Life-Batterie­speichern beitragen.

Aktuell sind gebrauchte Batterien nur schwer auf dem Markt erhältlich, wodurch ihre Preise hoch sind. Dies erschwert einen wirt­schaft­lichen Aufbau und Betrieb eines solchen Speichers. Deshalb befasst sich CircuBAT auch mit markt­wirt­schaftlichen und sozio-ökono­mischen Aspekten der Integration von inno­vativen techni­schen Lösungen, um Nach­haltig­keits-Hotspots zu identi­fizieren und Geschäfts­modelle im Schweizer Markt mit Simula­tionen zu evaluieren.

Batterien nachhaltiger nutzen

CircuBAT profitiert von der Synergie der einzelnen Teilprojekte, um die Lebensdauer von Batterien zu verlängern, ihre Umwelt­auswir­kungen zu minimieren, das Batterie-Know-how in der Schweiz zu vergrössern und den Ansatz der Kreis­lauf­wirtschaft in der Elektro­mobilität zu stärken. Ein vertieftes Verständnis der Batterie­alte­rung und praxis­orientiertes Daten­manage­ment versprechen vielfältige Anwendungen, welche durch eine Bestimmung des Residualwertes von Batterien auch den Occasions­fahr­zeug­markt stärken werden. Die Realisierung eines stationären Energie­speicher­systems auf Basis von Second-Use-Batterien ist zudem ein bedeu­tender Schritt in Richtung nach­haltiger Energie­nutzung und Kreis­lauf­wirtschaft.

Referenzen

[1] «Global EV Outlook 2024 – Moving towards increased affordability», IEA.

[2] «BATRAW Periodic Reporting for period 1», CORDIS | European Commission.

[3] C. Bucher, Photovoltaikanlagen: Planung, Installation, Betrieb, 1. Auflage, Faktor, 2021.

[4] L. C. Casals, B. A. García, F. Aguesse, A. Iturrondobeitia, «Second life of electric vehicle batteries: relation between materials degradation and environmental impact», Int J Life Cycle Assess, Bd. 22, Nr. 1, S. 82–93, Jan. 2017.

[5] Regulation (EU) 2023/1542 of the European Parliament and of the Council of  12 July 2023 concerning batteries and waste batteries, amending Directive 2008/98/EC and Regulation (EU) 2019/1020 and repealing Directive 2006/66/EC.