Albert Einstein hatte ein Faible für Probleme. Für ihn sollten sie stets im Mittelpunkt stehen. Er war der Meinung, dass das Finden von Problemen deutlich wichtiger ist als das Erkennen von Lösungen, denn erst die genaue Darstellung des Problems führe zum eigentlichen Ziel. Legt man diese Prämisse zugrunde, dann hat das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE mit seinem BaSiS – Battery Simulation Studio einen aussichtsvollen Ansatz gefunden, um die Entwicklung von Batterien weiter voranzutreiben. Denn die umfangreiche Simulationssoftware ist darauf ausgelegt, die in den Speichern ablaufenden Prozesse digital so zu beschreiben, dass die Industrie mit diesem Wissen möglichen Optimierungsbedarf in ihren Batterien selbst identifizieren kann. So können sie zuverlässiger, robuster, langlebiger und leistungsfähiger werden. »Wenn die Probleme – möglichst ohne den Aufwand tatsächlicher Tests – erkannt sind, beginnen Hersteller*innen damit, die Effizienz von Batterien mehr und mehr zu erhöhen und den Preis Stück für Stück zu senken«, erwartet Matthias Puchta, Geschäftsfeldleiter Hardware-in-the-Loop Systeme am Institut.

Welche Bedeutung das insbesondere für den Markt der Lithium-Ionen-Zellen hat, zeigen Zahlen, die das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI veröffentlicht hat. Allein für den boomenden Markt der Batterien für Elektrofahrzeuge sagt das Institut eine Batterienachfrage von ein bis sechs TWh / Jahr voraus. Das entspricht in etwa der Hälfte des Berliner Jahresstromverbrauchs, welcher in nur einem Speicherzyklus gespeichert werden könnte. Zusätzlich werden aber Batterien für kleinere Fahrzeuge wie E-Bikes, oder größere wie E-Busse und E-Lkw gebraucht. Dazu kommen stationäre Einheiten wie Heimspeicher und Batterien für den industriellen Einsatz, wie sie beispielsweise für elektrisch betriebene Gabelstapler genutzt werden. Ein weiterer, davon unabhängiger Bereich ist die Sparte der Smartphones, Tablets und eine Vielzahl weiterer Konsumartikel. Elon Musk, Mitbegründer und CEO von Tesla, spricht deshalb von 20 bis 25 Tera-wattstunden Batterieproduktion pro Jahr, die nötig sein werden, um den steigenden Bedarf zu decken.

Boommarkt Batterie

All das hat zur Folge, dass allein in Deutschland der Batteriemarkt 2019 um fast 20 Prozent auf 4,2 Milliarden Euro gestiegen ist. Das meldet der Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie (ZVEI). Und er wird sich weiter deutlich ausweiten. »Dabei wäre eine reine Steigerung der Produktionskapazitäten aber zu kurz gedacht. Parallel dazu müssen auch digitale Lösungen zur technologischen Optimierung, z.B. bei den derzeit vor allem genutzten Lithium-Ionen-Batterien, eingesetzt werden«, ist Puchta überzeugt. Das sehen die Nutzer*innen des BaSiS – Battery Simulation Studio wohl genauso, denn seit Beginn der Entwicklung des Softwarepakets vor nun 20 Jahren steigert sich die Nachfragerate jedes Jahr. Der wichtigste Grund dafür: Mit BaSiS werden Simulationen der Vorgänge in den Batterien möglich, dank derer die Entwickler*innen aufwendige und nicht selten jahrelange Labormessreihen sparen. »BaSiS bildet das Verhalten von Batterien hochgenau ab und kann, neben dem Stand-Alone-Betrieb, auch in gängige numerische Simulationstools oder Echtzeitumgebungen als Add-in integriert werden«, betont Puchta.

Beschleunigung der Entwicklung

»Unabhängig davon, ob es sich um Lithium-Ionen-Batterien, Blei-Säure Batterien, Superkondensatoren oder Festkörper Batterien handelt: Mit Hilfe von BaSiS ermöglichen wir den Herstellern eine schnelle Konfiguration von Temperatur, Ladezustand und Gesundheitszustand der Zellen. Wir liefern zum einen Erkenntnisse über thermische Wechselwirkungen im Batteriepack, zum anderen werden die Prozesse in Zellen, Batteriepacks und batteriebasierten Komplettsystemen reproduzierbar«, erklärt Puchta. Schließlich sei der Kostendruck bei der Entwicklung und Produktion enorm und die (noch) Unbekannten ein geldwerter Faktor: Bei vielen neuartigen Batterien ist nicht klar, wie lange sie ihre Leistungskraft behalten und wann sich Alterungseffekte zeigen.

Reale Erfahrungen darüber zu sammeln, dauert aber notgedrungen Jahrzehnte. Deshalb sei die Simulation des Alterungsprozesses einer der großen Vorteile der Software. Dazu kommen Echtzeit-Analysen, etwa zum Verhalten der Batterie im Bordnetz eines bestimmten Fahrzeugtyps oder die Diagnose von Batterien, etwa um ihren Verkaufswert beim Weiterverkauf eines Elektrofahrzeugs zu ermitteln. »Sie können zu vielen Fragebereichen einer Batterie unsere Software nutzen und oftmals Hunderte bis Tausende Tests innerhalb eines Tages durchführen, statt wie sonst innerhalb von Jahren«, so Puchta. Zudem entfallen zum Teil teure Infrastrukturen wie etwa ein Labor, in dem immer wieder dieselben klimatischen Voraussetzungen hergestellt werden müssen.

Vielzahl von Vorteilen

Die Forscher*innen am Fraunhofer IEE bieten aber, neben der Simulationsumgebung an sich, noch weitere Services an, die wohl mit dazu beitragen, dass Batterien quer durch alle Branchen bei Ihnen simuliert werden – auch wenn der Automotive-Markt aktuell die Nachfrage prägt. »Ein wesentlicher Vorteil ist, dass wir Unternehmen einen umfassenden Service bieten können. Von der realen, spezifischen Zelle hin zum kompletten Simulationsmodell beziehungsweise dem digitalen Zwilling, der sowohl die physikalischen als auch die elektrochemischen Prozesse abbildet«, sagt Puchta. Durch die dezidierte Simulation wird es so möglich, einer Batterie live zuzusehen, welchen Einfluss ihre Alterung auf den Stromfluss hat.

(hen)