Die Herstellung hochleistungsstarker Batterien kostet enorm viel Energie, vor allem für die Kälte- und Wärmeerzeugung. Die Fraunhofer FFB konnte ihren Verbrauch an dieser Stelle dank einer hocheffizienten Kombi-Wärmepumpe um bis zu 40 Prozent reduzieren.
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Die Fraunhofer FFB baut in Münster einen Forschungsbetrieb für eine effiziente und nachhaltige Batteriezellproduktion auf und schafft damit ein Zentrum zur Entwicklung einer modernen Batteriezellproduktion. Mit dem Aufbau wird eine einzigartige Infrastruktur geschaffen, die Spitzentechnologien und Knowhow in die Industrie überführt. In der ersten Fabrik, der »FFB PreFab« wird auf etwa 3000 m² eine Musterlinie für die komplette Batteriezellproduktion im kleineren Maßstab aufgebaut, danach folgt mit der »FFB Fab« ein Forschungsbetrieb im Gigamaßstab. Damit die Forschungsfabriken und zukünftige europäische Batteriezellfabriken ihren positiven Beitrag zum Klimaschutz leisten, muss ihr enormer Energiebedarf betrachtet werden.
Zusammen werden die »FFB PreFab« und die »FFB Fab« einen Gesamtenergiebedarf von ca. 120 Gigawattstunden (GWh) im Jahr aufweisen. Dies entspricht einem Bedarf von ca. 6.000 Einfamilienhäusern. Bei kommerziell genutzten Gigafactories, die im Vergleich zu der Forschungsfabrik eine durchgehende Produktion haben, liegt dieser Wert ca. 15-mal so hoch. Ein nicht unerheblicher Teil von ca. 60 Prozent davon ist der Bedarf an Kälte und Wärme. Ein kleiner Teil davon ist für die Kühlung des Herstellungsprozesses notwendig. Der Großteil der Kälte und Wärme aber geht in die Luftentfeuchtung, um Umgebungsbedingungen herzustellen, die trockener sind als in jeder Wüste. Denn die Materialien einer Lithium-Ionen-Batterie reagieren bereits auf geringste Feuchtigkeitseinträge und die relative Feuchte darf bei maximal 0,05 Prozent liegen. Die Trocknung der Luft erfolgt über eine Entfeuchtungstechnik, die aufgrund ihrer Kühl- und Heizregister immer gleichzeitig Kälte und Wärme benötigt. Das Temperaturniveau des konventionellen Luftentfeuchtungsstroms liegt bei 130 °C bis 160 °C.
Der Wärmebedarf kann entweder konventionell über Erdgas oder mithilfe von Elektroheizungen bereitgestellt werden. Effizienter ist der Einsatz von Wärmepumpen. Mit ihnen können die notwendigen 130-160 °C jedoch nicht erreicht werden, da das Wasser des Heizungssystem ab 100 °C verdampft. Aus diesem Grund wird an der Fraunhofer FFB eine hocheffiziente Entfeuchtungstechnik mit drei hintereinander geschalteten Entfeuchtungsrotoren verwendet, die Maximaltemperaturen von 85 °C benötigt. Dies funktioniert mit Hochtemperatur-Wärmepumpen. Da gleichzeitig aber auch immer ein sehr hoher Kältebedarf besteht, ist der Einsatz einer Kombi-Wärmepumpe sinnvoll. Diese Kombination der simultanen Erzeugung von Hochtemperaturwärme und Kälte ist eine recht neue Entwicklung. Und so ist der Anlagentyp in der »FFB PreFab« und der »FFB Fab« mit seiner hohen Leistungsklasse in Europa nahezu einmalig.
Die Anlage erzeugt simultan Kälte und Wärme, indem die Abwärme der Kälteerzeugung als Quelle der zweistufigen Hochtemperatur-Wärmepumpe dient. Durch die Kopplung können Leistungszahlen von bis zu 8 erreicht werden. Das bedeutet, dass mit einem Kilowatt elektrischer Leistung für den Betrieb der Wärmepumpe 8 kW thermische Leistung erzeugt werden.
Für die Versorgung der Gebäudebeheizung werden an der Fraunhofer FFB in Münster Niedertemperatur-Kombi-Wärmepumpen verwendet, die so ebenfalls gleichzeitig benötigte Kälte erzeugen.
Insgesamt ist die hocheffiziente simultane Kälte- und Wärmebereitstellung nicht nur interessant für die Fraunhofer FFB und die Batteriezellproduktion im Allgemeinen, sondern für jedes andere Institut und jede andere Industrie, die einen gleichzeitigen Kälte- und Wärmebedarf haben.
Gerne unterstützen wir andere Institute aber auch innerhalb externer Projekte in der Erstellung effizienter und nachhaltiger Energiekonzepte sowie der Prüfung der Möglichkeit des Einsatzes einer Kombi-Wärmepumpe mit anschließender Planung und Auslegung.
Anmerkung der Redaktion: Dieser Artikel wurde erstmalig im Fraunhofer-Mitarbeitenden Magazin »Quersumme« veröffentlicht, verfasst von Dr. Birgit Ziller.
Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB