Ausgediente Lithium-Ionen-Batterien aus Elektrofahrzeugen können ein Second Life als Energiespeicher haben. Was dabei zu beachten ist, wo das bereits umgesetzt wird und welche Rolle die Daten aus einem Batteriemanagementsystem (BMS) dabei helfen können, die Restlebensdauer der Batterie genau zu bestimmen, erläutert dieser Beitrag.

Ausgediente Lithium-Ionen-Batterien aus Elektrofahrzeugen können ein Second Life als Energiespeicher haben. Was dabei zu beachten ist, wo das bereits umgesetzt wird und welche Rolle die Daten aus einem Batteriemanagementsystem (BMS) dabei helfen können, die Restlebensdauer der Batterie genau zu bestimmen, erläutert dieser Beitrag. (Bild: Adobe Stock 248626760, malp)

Nach einer Prognose der Internationalen Energieagentur (IEA) wird es bis 2030 mehr als 200 Millionen Elektroautos geben. Getrieben wird diese Entwicklung durch die Nachfrage der Konsumenten, die wachsende Ladeinfrastruktur sowie die Vorschriften, die von St√§dten und L√§ndern zugunsten der Elektrifizierung erlassen wurden. Als umweltfreundliche Alternative zu Verbrennungsmotoren propagiert, haben Elektrofahrzeuge jedoch eine Schwachstelle: Es stellt sich die Frage, was passiert mit einer alten Elektroauto-Batterie, wenn sie nicht mehr gen√ľgend Ladung speichern kann, um ein Fahrzeug anzutreiben?

Die g√§ngigste Option ist heute die Wiederaufbereitung, also das Recycling. Dabei lassen sich einige ‚Äď allerdings keineswegs alle ‚Äď Rohmaterialien wie etwa Kobalt und Lithium wieder zur√ľckgewinnen. Das Recycling aber ist nicht nur teuer und unreguliert, sondern es fehlt auch noch an einer klar definierten Lieferkette. √úberdies geht das Institute for Energy Research davon aus, dass sich bis 2025 weltweit mehr als 3,4 Millionen verbrauchte EV-Batterien angesammelt haben werden, w√§hrend es 2018 nur 55.000 waren.

Die wichtigsten Fragen und Antworten zu Second Life bei E-Autobatterien in K√ľrze

Was bedeutet Second Life f√ľr Autobatterien?

Second Life bezieht sich auf die Wiederverwendung alter Batterien aus Elektrofahrzeugen f√ľr station√§re Energiespeicher oder andere weniger anspruchsvolle Anwendungen.

Wie wird der Zustand einer alten Batterie bewertet?

Der Zustand, oder State of Health (SoH), wird durch Methoden wie Open Circuit Voltage und Impedanzspektroskopie bestimmt, um die verbleibende Kapazität und Leistungsfähigkeit zu messen.

Warum ist das Recycling von Batterien teuer?

Das Recycling ist aufgrund der komplexen Trennung der Materialien und der mangelnden Standardisierung in der Verarbeitung kostspielig.

Welche Vorteile bietet das Second-Life-Programm?

Second Life erh√∂ht die Gesamtnutzungsdauer der Batterien, reduziert Abfall und schont Ressourcen, indem weniger neue Batterien hergestellt werden m√ľssen.

Wie werden Second-Life-Batterien verwendet?

Sie werden typischerweise in station√§ren Energiespeichern eingesetzt, um √ľbersch√ľssige Energie aus erneuerbaren Quellen zu speichern oder f√ľr Anwendungen mit geringerem Energiebedarf wie E-Bikes und E-Scooter.

Diese Second-Life-Projekte f√ľr ausgediente E-Auto-Batterien gibt es in Europa

Wiederaufbereitung schenkt E-Auto-Batterien zweites Leben

Eine Alternative zum Recycling ist die Wiederverwendung von Batterien. Dabei wird zun√§chst ermittelt, welche Zellen eines Batteriesatzes noch gen√ľgend Ladung speichern k√∂nnen. Anschlie√üend wird der Batteriesatz zerlegt und die noch brauchbaren Zellen werden zu einer neuen Batterie zusammengebaut. Mit dieser Alternative zur Wiederaufbereitung ‚Äď genauer gesagt, eigentlich ein Zwischenschritt ‚Äď erhalten Batterien ein ‚Äězweites Leben‚Äú. Ist die Kapazit√§t einer Lithium-Ionen-Batterie auf 70 bis 80 Prozent ihres urspr√ľnglichen Werts gefallen, was normalerweise fr√ľhestens nach acht bis zehn Jahren der Fall ist, kann die Batterie das Fahrzeug nicht mehr effizient versorgen und ist zu ersetzen. Das wachsende Angebot an verbrauchten Batterien l√§sst auf dem Markt eine neue Chance entstehen, die unter dem Schlagwort Second Life bekannt ist.

Da der Batteriesatz einen Anteil von √ľber 30 Prozent am Verkaufspreis eines Elektrofahrzeugs ausmacht, gibt es f√ľr Batteriehersteller, Automobilhersteller, Regulierungsbeh√∂rden und sogar Versicherungsunternehmen echte wirtschaftliche und √∂kologische Anreize, einen sekund√§ren Markt zu f√∂rdern. Der direkteste Weg existiert in Energiespeichersystemen, in denen sich die noch intakten Zellen eines benutzten Akkusatzes einer neuen Verwendung zuf√ľhren lassen, um √ľbersch√ľssige Energie aus Wind, Sonne, Wasserkraft oder Geothermie zu speichern. Ebenso lassen sich EV-Batterien zerlegen und zu kleineren Batteriemodulen f√ľr weniger anspruchsvolle Anwendungen wie etwa Elektrowerkzeuge, Gabelstapler oder E-Scooter zusammenbauen.

Wie der State of Health einer Batterie erfasst wird

Der State of Health (SoH) einer Batterie bezieht sich auf den Zustand der Batterie und ihre Fähigkeit, eine ausreichende Kapazität bereitzustellen. Der SoH wird verwendet, um den aktuellen Zustand einer Batterie in Bezug auf ihre Leistungsfähigkeit und Lebensdauer zu beschreiben.

Um den SoH einer Batterie zu √ľberwachen und zu bewerten, werden verschiedene Methoden verwendet, wie interne Diagnosefunktionen, externe Tests und Batteriemanagementsysteme. Durch eine regelm√§√üige √úberwachung des Batteriezustandes kann die Lebensdauer der Batterie verl√§ngert und eine zuverl√§ssige Leistung sichergestellt werden. Der SoH (State of Health) einer Batterie wird in der Regel durch verschiedene Methoden gemessen, darunter:

  • Open Circuit Voltage (OCV) - Die OCV-Methode misst die Spannung der Batterie, wenn sie nicht belastet wird. Dieser Wert wird mit einer Tabelle oder einem Algorithmus verglichen, um den SoH der Batterie abzusch√§tzen.
  • Impedanzspektroskopie: Diese Methode misst die Wechselstromimpedanz der Batterie bei verschiedenen Frequenzen, um Ver√§nderungen in der Batteriechemie zu erkennen, die auf eine √Ąnderung des SoH hinweisen.
  • Kalenderalter und Zyklenzahl: Batterien haben normalerweise eine begrenzte Lebensdauer, die durch das Kalenderalter und die Anzahl der Lade- und Entladezyklen begrenzt wird. Durch die √úberwachung dieser Faktoren kann der SoH der Batterie abgesch√§tzt werden.
  • Coulomb-Z√§hler - Diese Methode basiert auf der Messung der Ladung, die in die Batterie eingef√ľhrt oder aus der Batterie entnommen wird. Durch die √úberwachung dieser Ladung kann der SoH der Batterie abgesch√§tzt werden.
  • Je nach Anwendung und Batterietyp kann eine Kombination aus diesen Methoden oder anderen Methoden zur Bestimmung des SoH einer Batterie verwendet werden.

Der SoH einer Batterie kann durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden, z. B. Alter, Nutzungsdauer, Temperatur, Ladezyklen und Art der Anwendung. Eine Batterie mit einem hohen SoH hat eine gute Leistung und ist in der Lage, eine ausreichende Kapazität zu liefern, während eine Batterie mit einem niedrigen SoH möglicherweise nicht mehr in der Lage ist, eine ausreichende Leistung zu liefern und ersetzt werden muss.

Warum muss der SoH gemessen werden

Der SoH (State of Health) von Batterien muss f√ľr Second-Life-Anwendungen gemessen werden, um sicherzustellen, dass die Batterien noch gen√ľgend Kapazit√§t haben, um in einer anderen Anwendung verwendet zu werden. Hier sind einige Gr√ľnde, warum der SoH gemessen werden muss:
Batterielebensdauer: Batterien haben eine begrenzte Lebensdauer und verlieren im Laufe der Zeit an Kapazität. Der SoH gibt an, wie viel Kapazität die Batterie noch hat und wie lange sie noch verwendet werden kann

  • Optimierung: Der SoH wird gemessen, um die Batterie f√ľr die Second-Life-Anwendung zu optimieren. Wenn die Batterie noch gen√ľgend Kapazit√§t hat, kann sie in einer anderen Anwendung verwendet werden, anstatt entsorgt zu werden
  • Sicherheit: Der SoH ist auch ein wichtiger Faktor f√ľr die Sicherheit. Wenn die Batterie nicht mehr gen√ľgend Kapazit√§t hat, kann sie m√∂glicherweise nicht mehr sicher verwendet werden
  • Design: Der SoH ist ein wichtiger Faktor bei der Gestaltung von Second-Life-Anwendungen. Wenn der SoH nicht bekannt ist, kann die Anwendung m√∂glicherweise nicht richtig dimensioniert werden
  • Diagnose: Der SoH kann auch als Diagnosewerkzeug verwendet werden, um den Zustand der Batterie zu √ľberwachen und festzustellen, ob sie noch f√ľr eine Second-Life-Anwendung geeignet ist

Was ist das Problem bei der Messung des SoHs?

Um es mit einem Wort zu sagen: Standardisierung. Beziehungsweise eigentlich fehlende Standardisierung. Genau wie bei der Pr√ľfung der Batterien w√§hrend der Herstellung, fehlt es auch beim Messen des SoHs an Standards. Beispielsweise gibt es BMS wireless oder kabelgebunden, um nur mal zwei Unterschiede zu nennen. Daher ist oft viel Handarbeit, zum Beispiel bei der Demontage, n√∂tig, was den Prozess teurer macht und aktuell noch eines der Hauptargumente gegen Second Life bei Autobatterien ist.

Eine Lösung wäre, schon beim Design an Second Life zu denken, um die Demontage (disassembly) zu vereinfachen. So könnten Standardprozesse entwickelt werden, bei denen dann auch Roboter assistieren können.

Was ist der Unterschied zwischen SoC und SoH?

SoC (State of Charge) und SoH (State of Health) sind zwei verschiedene Parameter, die den Zustand einer E-Auto-Batterie beschreiben.

  • SoC bezieht sich auf den aktuellen Ladezustand der Batterie und gibt an, wie viel Energie noch in der Batterie gespeichert ist. Es wird normalerweise in Prozent ausgedr√ľckt und gibt an, wie viel Prozent der Gesamtkapazit√§t der Batterie noch verf√ľgbar sind. Wenn die Batterie vollst√§ndig geladen ist, betr√§gt der SoC 100%, w√§hrend er bei vollst√§ndiger Entladung 0% betr√§gt.
  • SoH bezieht sich auf den Zustand der Batterie im Hinblick auf ihre Leistung und Lebensdauer. Es gibt an, wie gut die Batterie im Vergleich zu ihrem urspr√ľnglichen Zustand noch funktioniert. Eine Batterie mit einem hohen SoH hat eine gute Leistung und Kapazit√§t, w√§hrend eine Batterie mit einem niedrigen SoH eine schlechtere Leistung und Kapazit√§t aufweist.

Der SoC ist ein Momentaufnahme-Parameter, der sich ändert, wenn die Batterie entladen oder aufgeladen wird, während der SoH ein langfristiger Parameter ist, der sich im Laufe der Zeit durch Alterung und Verschleiß der Batterie verändert.

Was ist Second Life bei Autobatterien?

Second Life f√ľr Autobatterien bezieht sich auf die Wiederverwendung von gebrauchten Batterien aus Elektrofahrzeugen, die nicht mehr f√ľr den Antrieb des Fahrzeugs geeignet sind. Obwohl diese Batterien m√∂glicherweise nicht mehr gen√ľgend Kapazit√§t haben, um in Elektrofahrzeugen verwendet zu werden, k√∂nnen sie noch gen√ľgend Energie speichern, um f√ľr andere Zwecke verwendet zu werden.

Ein Beispiel f√ľr die Verwendung von Second-Life-Batterien ist der Einsatz als station√§rer Energiespeicher in Geb√§uden oder als Stromquelle f√ľr Elektrofahrzeuge mit geringerem Energiebedarf wie E-Bikes oder E-Roller. Durch den Einsatz von Second-Life-Batterien kann die Lebensdauer von Batterien verl√§ngert und Ressourcen gespart werden, da weniger neue Batterien hergestellt werden m√ľssen.

Allerdings m√ľssen die Batterien f√ľr den Einsatz in Second Life geeignet sein und entsprechend getestet und bewertet werden. Der Zustand der Batterien (State of Health (SOH)) muss ausreichend sein, um eine genug Leistung und Sicherheit zu gew√§hrleisten.

Was kabellose Battery Monitoring Systeme (BMS) bringen

Ganz frei von Hindernissen bez√ľglich der Technologie, der Qualit√§tskontrolle und der Umsetzung ist der entstehende Markt f√ľr Second-Life-Batterien indes nicht. Zum Beispiel enthalten heutige EV-Batterien eine elektrische Verkabelung, um den Ladezustand der Batterie √ľberwachen zu k√∂nnen. Da diese und weitere Kabelstr√§nge entfernt werden m√ľssen, bevor die Batterie einer neuen Verwendung zuf√ľhrbar ist, entstehen Mehrkosten, und das Design verkompliziert sich. Im Rahmen eines zunehmenden Trends in der Produktentwicklung, das die am Ende der Nutzungsdauer erfolgende Demontage bereits ber√ľcksichtigt, k√∂nnen Entwickler anstatt fest verdrahteten BMS-L√∂sungen (Battery Monitoring System) kabellose BMS-Konzepte (wireless BMS, wBMS) einsetzen. Kabellose BMS-L√∂sungen verringern nicht nur die Abmessungen, das Gewicht und die Materialkosten von Elektrofahrzeugen, sondern lassen auch ein Montieren oder Demontieren von Akkus√§tzen durch Roboter zu, was mehr Sicherheit bietet und besser skalierbar ist.

E-Mobility: Batterie und Sicherheit

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(Bild: AdobeStock_277540900)

Wie entstehen bessere E-Auto-Batterien und sind sie sicher? Bew√§hrte und neue Batterietechnologien von Entwicklung bis Recycling, Brandschutz von Simulation √ľber Materialien bis Batteriemanagement und Safety-Konzepten, sowie Testverfahren von EMV bis Sicherheit. Die Technologien dahinter finden Sie hier.  

Aufbereitung der Batterie

Die kabellose BMS-Technologie erlaubt eine kontaktlose, skalierte Bestands-Charakterisierung, um bei der schnellen Entscheidung zwischen Wiederverwendung und Wiederaufbereitung zu helfen. Sobald mithilfe von State-of-Health-Daten, die beispielsweise mit wBMS-L√∂sungen erfasst wurden, die Wahl zwischen Wiederverwendung und Recycling getroffen ist, k√∂nnen K√§ufer und Verk√§ufer eine standardisierte Vertrauensebene etablieren und den Wert einer Batterie auf faire Weise ermitteln, bevor sich auf einen Verkaufspreis geeinigt wird. Die Industrie k√∂nnte sogar einen Bewertungsstandard erarbeiten, um eine wenig benutzte Batterie mit dem Rating ‚ÄěAAA‚Äú von einer stark verbrauchten Batterie zu unterscheiden.

Fazit Second Life

Der Bereich der Second-Life-Batterien ist ein sehr wertvoller Zwischenschritt vor dem Recycling, aber sein Erfolg h√§ngt in hohem Ma√üe davon ab, wie ganzheitlich die Erst- und Zweitverwendungen der Batterien betrachtet werden. Das Design der Batterie und des BMS muss auf die gesamte Nutzungsdauer ausgerichtet sein. Hierf√ľr m√ľssen m√∂glicherweise Batterie-Zulieferer und Automobilhersteller gleicherma√üen ihre Herangehensweise √ľberdenken, aber langfristig k√∂nnen sie eine wichtige Rolle bei der Schaffung eines √∂kologisch nachhaltigen und √∂konomisch tragbaren neuen Marktzweigs spielen.

Das EU-Projekt Battery2Life in K√ľrze

Das von Horizon Europe gef√∂rderte EU-Projekt Battery2Life zielt darauf ab, den √úbergang von Elektrofahrzeugbatterien in ihre zweite Lebensphase zu erleichtern. Das Konsortium entwickelt fortschrittliche Batteriemanagementsysteme und optimierte Systemdesigns, um eine zuverl√§ssige Rekonfiguration gebrauchter Batterien zu erm√∂glichen und so die Innovation in der europ√§ischen Batterieindustrie voranzutreiben. Im Rahmen des Projekts werden zwei neue Batteriesystem-Design-Frameworks eingef√ľhrt. Das erste befasst sich mit der Restrukturierung bestehender Designs f√ľr Second-Life-Anwendungen, w√§hrend das zweite neue Designprinzipien einf√ľhrt, die sowohl in der ersten als auch in der zweiten Nutzungsphase anwendbar sind. Diese werden in √Ėsterreich f√ľr Heimspeicheranwendungen und in Griechenland f√ľr netzweite Speicheranwendungen getestet.

Elisabeth D√∂rr, Projektleiterin am AIT, unterstreicht die Bedeutung des Projekts: "Die Ergebnisse von Battery2Life werden dazu beitragen, den √úbergang zu gr√ľner Energie zu unterst√ľtzen und sich positiv auf die europ√§ische Wirtschaft und die Umwelt auswirken. Battery2Life ist ein wichtiger Schritt in Richtung einer nachhaltigen Nutzung von Elektrofahrzeugbatterien und tr√§gt zur F√∂rderung einer Kreislaufwirtschaft bei". Dies wird unter anderem durch die Implementierung drahtloser Kommunikation und die Integration von Sensoren zur Zustandsbewertung in bestehende Batteriemodule erreicht.

Der Autor: Dr. Martin Large

Martin Large
(Bild: H√ľthig)

Aus dem Scho√ü einer Lehrerfamilie entsprungen (Vater, Gro√üvater, Bruder und Onkel), war es Martin Large schon immer ein Anliegen, Wissen an andere aufzubereiten und zu vermitteln. Ob in der Schule oder im (Biologie)-Studium, er versuchte immer, seine Mitmenschen mitzunehmen und ihr Leben angenehmer zu gestalten. Diese Leidenschaft kann er nun als Redakteur ausleben. Zudem k√ľmmert er sich um die Themen SEO und alles was dazu geh√∂rt bei all-electronics.de.

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