Ein Akku, der in Sekundenschnelle aufgeladen ist, über eine große Kapazität verfügt und zugleich zehn bis zwölf Jahre hält? Gewünscht haben sich einen solchen sicher schon viele. Im Projekt FastStorageBW II wurde er nun entwickelt. Mit dabei sind Fraunhofer-Forscher: In einer Vorproduktion optimieren sie die Serienfertigung und legen diese von Anfang an auf Industrie 4.0 aus.
Auch das noch: Der Tag ist eine einzige Hetzerei, und nun ist zu allem Überfluss der Akku des Elektroautos nahezu leer. Es heißt also, eine längere Pause einzulegen, bis er wieder vollgeladen ist. Ganz anders verhält sich das bei Kondensatoren, sie laden sich in Sekundenschnelle auf. Allerdings haben sie dafür ein anderes Manko: Sie können nur wenig Energie speichern.
Forscher vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart entwickeln im vom Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg geförderten Projekt FastStorageBW II gemeinsam mit ihren Kollegen des Batterieherstellers VARTA AG und anderen Partnern einen leistungsstarken Hybrid-Speicher, der die Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien und Superkondensatoren vereint. »Die PowerCaps haben eine ähnlich hohe spezifische Kapazität wie Bleibatterien, mit zehn bis zwölf Jahren eine hohe Lebensdauer und lassen sich fast so schnell aufladen wie ein Superkondensator, also in wenigen Sekunden«, erläutert Joachim Montnacher, Geschäftsfeldleiter Energie am IPA. Die PowerCaps lassen sich zudem bis zu einer Temperatur von 85 Grad Celsius einsetzen. Sie überstehen hundert Mal mehr Ladezyklen als die konventionellen Batteriesysteme und halten ihre Ladung über mehrere Wochen – ohne nennenswerte Verluste durch Selbstentladung.
Die Forscher vom IPA widmen sich dabei vor allem der Produktionstechnik. Denn soll eine neue Batterieproduktion aufgebaut werden, gilt es, das entsprechende Prozesswissen optimal umzusetzen. Um die komplette Fertigung aufzubauen, muss der Unternehmer viele Millionen Euro in die Hand nehmen. »Wir ermöglichen den Batterieherstellern, einen Zwischenschritt zwischen Laborfertigung und Großserienfertigung einzubauen – quasi eine Kleinserienproduktion«, sagt Montnacher. »Auf diese Weise können wir ideale Voraussetzungen für die Großserienproduktion schaffen, die Prozesse optimieren und die Produktion von Anfang an auf Industrie 4.0 auslegen. Und damit letztendlich einen Wettbewerbsvorteil für die Unternehmen erzielen.« Ein weiterer Vorteil: Die Ramp-up-Zeit – also die Zeit, die man zum Hochfahren der Produktionslinie benötigt – sinkt um mehr als 50 Prozent.
Für die neuartige Kleinserienproduktion kombinieren die Forscher gewisse Produktionsabfolgen sinnvoll. Allerdings sind dabei nicht alle Anlagen miteinander verbunden – zumindest was die Hardware betrifft. Vielmehr trägt ein Mitarbeiter die Chargen von einer Maschine zur nächsten. Schließlich geht es nicht darum, möglichst viele Produkte in möglichst geringer Zeit herzustellen, sondern darum, ein möglichst umfassendes Verständnis für den Prozess zu entwickeln. Das heißt beispielsweise, Fragen zu klären wie: Bekommt man die gewünschte Qualität reproduzierbar hin? Die Anlagen sind dabei möglichst flexibel ausgelegt, sie lassen sich somit für verschiedene Produktions-varianten nutzen.
Was die Software angeht, so sind die Anlagen sehr wohl miteinander vernetzt. Zudem sind sie ebenso wie Prozesscluster mit zahlreichen Sensoren bestückt. Auf diese Weise wissen die Cluster, welche Daten für die jeweiligen Prozessschritte erfasst werden. Sie kommunizieren miteinander und speichern die Ergebnisse in einer Cloud. Somit können Forscher und Unternehmer schnell analysieren, welche Faktoren die Produkt-qualität beeinflussen. Wie ist es um die Industrie-4.0-Fähigkeit bestellt? Wurden die richtigen Sensoren ausgewählt? Liefern sie die erhofften Daten? Wo sind Anpassungen nötig?
Die Forscher am IPA bringen ihr Know-how jedoch nicht nur im Bereich Produktionstechnik ein. Sie entwickeln darüber hinaus Geschäftsmodelle zur Vermarktung der Batteriezellen, analysieren die Rohstofflage und optimieren das spätere Recycling der PowerCaps.
Fraunhofer-Gesellschaft