Auto/Motor

BMWK fördert großen Pilotbetrieb zur Entwicklung des bidirektionalen
Lademanagements der nächsten Generation mit über elf Mio. Euro.

München, 21.11.2023: Das Forschungskonsortium „BDL Next“ - direkter
Nachfolger des Projekts Bidirektionales Lademanagement (BDL) - hat im
November 2023 seine Arbeit aufgenommen. Im Zentrum des Projekts steht ein
mehrstufiger Feldversuch zur Erprobung der Massentauglichkeit und
Massenintegration des bidirektionalen Ladens von Elektrofahrzeugen.
Gefördert wird das dreijährige Vorhaben vom Bundesministerium für
Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) mit über elf Mio. Euro.

Träger des Verbundprojekts ist das Deutsche Zentrum für Luft- und
Raumfahrt (DLR). Nach drei Jahren Projektlaufzeit sollen bidirektionale
Serienfahrzeuge mithilfe standardisierter Technologien vollständig in
energiewirtschaftliche Marktprozesse, den Netzbetrieb und das
Energieökosystem der Kund:innen integrierbar sein. Die Leitung des
dreijährigen Forschungsprojektes übernimmt die FfE aus München.

Am Projekt beteiligen sich der Automobilhersteller BMW, die Netzbetreiber
Bayernwerk Netz und TenneT und das Energieunternehmen E.ON. KEO und
Compleo decken die Bereiche EEBUS-Kommunikationstechnik und
Ladeinfrastruktur ab. Komplettiert wird das Konsortium mit dem KIT, der
Universität Passau und der EBZ Business School, die sich im Rahmen der
wissenschaftlichen Begleitung beteiligen.

Das Vorgängerprojekt BDL hat gezeigt, dass Elektrofahrzeuge ein
vielfältiges Potenzial für markt-, netz- und systemdienliche Zwecke sowie
für Anwendungen im Interesse der Letztverbraucher bieten. Voraussetzung
hierfür ist, dass die Fahrzeuge Strom sowohl intelligent beziehen als auch
rückspeisen können. Beispielhaft dafür stehen die
Eigenverbrauchsoptimierung bei privaten PV-Anwendungen oder die
Bereitstellung von Energie zum Ausgleich von Frequenzschwankungen im
Stromnetz.

Zum aktuellen Zeitpunkt bestehen weiterhin sowohl technologische als auch
rechtlich-regulatorische und prozesstechnische Lücken, die eine nahtlose
Überführung in den massenfähigen Realbetrieb von bidirektionalen
Ladestrategien bislang verhindern. Genau hier setzt BDL Next an: Kern des
Projekts ist die Weiterentwicklung technischer Lösungen, um die Systeme
stärker mit etablierten Prozessen der Energiewirtschaft bei der
Vermarktung von Energiemengen an der Strombörse oder
Systemdienstleistungen zu verzahnen.

Gleichzeitig wird auch am netzorientierten Betrieb bidirektionaler
Fahrzeuge gearbeitet, damit diese zukünftig integraler Bestandteil unseres
robusten und intelligenten Stromnetzes werden. Mit einem mehrstufigen
Feldversuch sollen die Erfahrungen aus dem Realbetrieb genutzt werden, um
Schwachstellen der Konzeption und technischen Entwicklung offenzulegen,
ökonomische und ökologische Mehrwerte des bidirektionalen Ladens weiter zu
steigern und die Integration der Technologie aus Kundenperspektive weiter
zu vereinfachen.

Mehrstufiger Pilotbetrieb

Zur Erprobung und Demonstration der neuentwickelten Lösungen wird ein
dreistufiger Pilotbetrieb angestrebt. Im ersten Schritt werden virtuell
die Vermarktungs- und Betriebsstrategien weiterentwickelt und getestet.
Anschließend kommen einige Pilotfahrzeuge des Vorgängerprojekts zum
Einsatz, um die Prozesse zu implementieren und zu prüfen. Abschließend
findet ein Wechsel auf bidirektionale Serienfahrzeuge statt, um die
Massentauglichkeit der Technologie zu demonstrieren.

„Wir freuen uns sehr, mit BDL Next auf den Erfahrungen und Erfolgen aus
dem BDL-Projekt aufzubauen und das bidirektionale Laden massentauglich zu
machen. Eine gute Zusammenarbeit aller beteiligten Stakeholder ist hierfür
entscheidend, weswegen ich sehr glücklich über die Fortsetzung im Rahmen
dieses breiten Konsortiums bin“, so Dr.-Ing. Mathias Müller,
Gesamtprojektleiter.

Fünf Schwerpunkte der Technologienentwicklung & wissenschaftliche
Begleitung

Neben dem gemeinsamen Pilotbetrieb arbeiten die Partner in verschiedenen
Arbeitspaketen an der technologischen Weiterentwicklung der benötigten
Schnittstellen und Prozesse, um die verschiedenen Use Cases des
bidirektionalen Ladens nahtlos in bestehende Systeme zu integrieren:

• Die beteiligten Unternehmen entwickeln eine Aggregations-Plattform, die
es ermöglicht, Elektrofahrzeuge und andere Flexibilitäten effizient zu
verbinden und zu steuern. Ziel ist es, dass diese im alltäglichen Betrieb
sowohl zur Stabilisierung des Stromnetzes beitragen als auch auf
Marktanforderungen reagieren können.

• Die gesammelten Anforderungen der Use Cases werden detailliert in
technischen Dokumentationen der einzelnen unterschiedlichen
Kommunikationsstrecken beschrieben und an die entsprechenden
Standardisierungsgruppen überführt. Aus den jeweiligen technischen
Dokumentationen werden Software-Lösungen für die einzelnen Endgeräte
entwickelt, mit dem Ziel der interoperablen Kommunikation.

• Im Rahmen der Netzintegration werden die Entwicklung, der Aufbau und der
Betrieb einer konzeptionellen Niederspannungsnetzleitwarte, aufbauend auf
Erkenntnissen und Ergebnissen der Vorgängerprojekte, umgesetzt. Der Fokus
liegt dabei auf Monitoring, Bewertung, Prognose sowie auf der Steuerung
von Flexibilitäten.

• Unter dem Titel Marktintegration streben die Partner eine Anbindung der
Aggregationsplattform an die Energiemärkte an. Dabei werden
Handelsstrategien zur Vermarktung der verfügbaren Flexibilitäten eines
Aggregators über die verschiedenen erschließbaren Marktkanäle entwickelt
und ein transparentes und effizientes Abrechnungs- und Messkonzept
aufgestellt. Zudem sind eine einfache, verständliche Integration sowie die
Bereitstellung der Soft- und Hardware beim Nutzer wichtige Bausteine,
welche ebenfalls innerhalb dieses Arbeitspakets untersucht werden.

• Im Arbeitspaket Systemintegration werden Prozesse entwickelt, die eine
skalierbare Integration von bidirektionalen Elektrofahrzeugen in das
Energiesystem zur Erbringung von Regelleistung und Redispatch ermöglichen
– unter Beachtung und ggf. Weiterentwicklung des regulatorischen Rahmens.

• Begleitend forschen die beteiligten Hochschulen und Institute zu den
Themen Kundenerlebnis, Nutzerverhalten, Optimierungspotenzialen des
Energiemanagements, sowie zu Rückwirkungen der Technologie auf die
Stromnetze und das Energiesystem. Aufbauend auf den Potenzialen der
Elektrofahrzeuge werden im Rahmen der Begleitforschung unterschiedliche
Use Cases sowie Multi Use Anwendungen, auch unter Verwendung eines Heim-
Energiemanagementsystems aus Nutzersicht, umfassend analysiert.

Lastwagen und landwirtschaftliche Maschinen machen es wegen ihrer
besonderen Leistungsanforderungen Ingenieur:innen noch immer nicht leicht,
sie in das Elektro-Zeitalter zu überführen. Forschende der Technischen
Universität München (TUM) zeigen nun auf der Agrarfachmesse Agritechnica,
wie ein Entwicklungsbaukasten für elektrische Traktoren aussehen kann. Die
Plattform bietet Module für verschiedene Zwecke und bei Bedarf auch eine
Art Powerbank als Wechselakku.

Die Landwirtschaft ist einer der Bereiche der Wirtschaft, die die
Auswirkungen des Klimawandels am unmittelbarsten zu spüren bekommen.
Extremwetterereignisse beschneiden die Erträge auf den Feldern und machen
die Planung für die Landwirt:innen zunehmend schwierig. Traktoren und
Landmaschinen werden allerdings weiterhin flächendeckend mit Diesel
angetrieben. Ein Problem, das viele Hersteller von Landmaschinen aufgrund
von verschiedenen Herausforderungen, wie beispielsweise dem Kostendruck
oder fehlendem Zugang zu Technologie, bislang noch nicht für die Breite
lösen konnten. Hier setzt das Forschungsprojekt TUMtrac an. Forschende der
TUM erarbeiten einen modularen Entwicklungsbaukasten für vollelektrische
Traktoren. Ziel ist es, Landmaschinenproduzenten markenübergreifend bei
der Entwicklung neuer Traktoren-Konzepte zu unterstützen. Eine mögliche
Variante zeigen sie auf der Fachmesse Agritechnica.

Dabei konzentriert sich das Team auf kleine bis mittlere Traktoren, wie
sie beispielsweise im Obstanbau verwendet werden. „Wir sehen die
Möglichkeit der Elektrifizierung vor allem bei Traktoren, die zwar viele
Arbeitsstunden abzuleisten haben, dabei aber konstante Leistung liefern
müssen. Hier sind die Hopfenernte oder das Pflücken von Früchten ideale
Beispiele. Unser Traktor-Baukasten soll dank seines modularen Aufbaus ganz
unterschiedliche Traktorenkonzepte simulieren und bewerten können“,
erklärt Korbinian Götz, Projektleiter des Forschungsprojekts am Lehrstuhl
für Fahrzeugtechnik der TUM. Ab 1.000 Betriebsstunden pro Jahr soll sich
Traktoren, die mit dem Baukasten konstruiert werden können, besonders gut
eignen.

Modularer Aufbau des Funktionsträgers mit Wechselakku

Das Besondere bei TUMtrac ist der modulare Aufbau, der je nach
Anwendungsgebiet individuell angepasst werden kann. Der auf der Messe
ausgestellte Funktionsträger zeigt, wie ein Gesamtkonzept später aussehen
könnte. Eine einheitliche Bodengruppe bildet hier die Basis des Traktors.
Diese wird durch einen Wechselakku ergänzt, der je nach Aufgabenfeld vorne
oder hinten auf dem Fahrzeug platziert werden kann. Damit dient der Akku
als Stromquelle und gleichzeitig als Gegengewicht für Anbauten wie
Mähwerke oder Schneepflüge.

Zum einen senkt der Wechselakku das Fahrzeuggewicht, da er kleiner als ein
festverbauter Akku sein kann und somit nur der Strom mitgeführt wird, der
auch wirklich benötigt wird. Zum anderen können die Akkus auch als eine
Art riesige Powerbank fungieren. So kann Strom, den die Landwirt:innen
selbst über Photovoltaik oder Windkraft erzeugen, gepuffert und für die
eigene Arbeit verwendet werden. „Was im Pkw-Bereich aktuell noch eine
Randerscheinung ist, können wir im Agrarsektor gezielt für die Auslegung
unseres Traktorensystems nutzen. Der Wechselakku kann landwirtschaftlichen
Betrieben durch mehr Flexibilität bei der Anwendung einen echten Mehrwert
bieten“, sagt Prof. Markus Lienkamp, Leiter des Lehrstuhls für
Fahrzeugtechnik an der TUM.

Soft- und Hardware aus einer Hand

Neben der Hardware konzentriert sich das Forschungsteam auch auf die
Entwicklung einer auf das Gesamtkonzept angepassten Software. Mit ihrer
Hilfe lassen sich nach Eingabe der gewünschten Anforderungen
unterschiedliche Traktorkonzepte auf ihre Wirtschaftlichkeit für den
Agrarbetrieb bewerten. Die ganzheitliche Herangehensweise soll den
modularen Ansatz der Plattform unterstützen, da die Herausforderungen im
jeweiligen Arbeitsumfeld schnell aufgegriffen werden können. Damit nehmen
sich die Forschenden der immer komplexer werdenden Arbeitsrealität in der
Landwirtschaft an. Sich stetig verändernde Rahmenbedingungen fordern mehr
Flexibilität bei den Gerätschaften. Hier könnte TUMtrac einen Beitrag zur
Dekarbonisierung im Agrarsektor leisten – und das weltweit.

Weitere Informationen:

Webseite des Forschungsprojekts: http://go.tum.de/228132

Eine der entscheidenden Fragen der Verkehrswende lautet: Wie lassen sich
E-Fahrzeuge nachhaltig und zugleich ökonomisch herstellen? Gleich mehrere
Antworten kennt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT aus Aachen,
das gemeinsam mit Industriepartnern elektrisierende Lösungen rund um die
Lasertechnik entwickelt hat. Die Überwachung von lasergeschweißten
Verbindungen zeigen unter anderem nLight Plasmo, Precitec und 4D Photonics
auf dem LSE - Laser Symposium Elektromobility 2024 am 23. und 24. Januar
2024. Die Unternehmen demonstrieren live vor Ort wie ihre
Prozessüberwachung einwandfreie Schweißvorgänge gewährleistet.

Als »Herzstück des Elektroautos und Schlüssel für die Zukunft der
Mobilität« bezeichnete Herbert Diess, der ehemalige Vorstandsvorsitzende
des Volkswagenkonzerns die Batterie. Das schlägt sich auch im Preis
nieder: Bis zu 40 Prozent beträgt laut Bundesministerium für Wirtschaft
und Klimaschutz (BMWK) der Anteil des Akkus an der Wertschöpfung eines
E-Fahrzeugs. Kein Wunder also, dass allein in Europa aktuell 40 Battery
Gigafactories im Bau oder in Planung sind.

Jetzt kommt es darauf an, die bereits signifikant gesunkenen
Batteriekosten von knapp unter 100 US-Dollar pro Kilowattstunde noch
weiter zu reduzieren. Zwei wichtige Aufgaben nannte Prof. Arnold Gillner,
Abteilungsleiter Business Development am Fraunhofer ILT im Januar 2023 auf
dem Lasersymposium Elektromobilität LSE’23: »Wichtig ist neben dem Senken
des Energieverbrauchs bei der Fertigung von Batterien langfristig die
Erhöhung ihrer Energiedichte durch neue Materialien.«

Im hauseigenen Battery Lab steht dem Fraunhofer Team auf knapp 140
Quadratmetern modernste Technologie sowie verschiedenste Anlagen zur
laserbasierten Batteriefertigung zur Verfügung, um neue Materialien und
Verfahren zu erforschen. Es gibt elektrische und mechanische Teststände,
die eine direkte Bewertung der Laserprozesse zulassen sowohl von heute
üblichen Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten als auch
zukünftigen Festkörper-Akkumulatoren.

Das Battery Lab verfügt über ein mit Argon betriebenes GloveBox-System, in
das die vakuumbasierte PVD-Beschichtungstechnologie sowie ein
Hochtemperaturofen integriert sind. So lassen sich luftempfindliche
Festkörperzellmaterialien beschichten und anschließend zu Testzellen
verbauen.

Trocknung mit Diodenlaser halbiert Energieverbrauch

Wie sich der Energieverbrauch bei der Trocknung der Grafit-Elektroden von
Lithium-Ionen-Akkus drastisch senken lässt, demonstrierten die Aachener
auf der Hannover Messe 2023. Bisher trocknen mit Gas betriebene
Durchlauföfen beim Rolle-zu-Rolle-Verfahren die mit Grafitpaste
beschichteten Kupferfolien bei einer Temperatur von 160 bis 180 Grad
Celsius. Die Forschenden aus Aachen ersetzen dieses energieintensive
Verfahren durch eine Anlage mit Diodenlaser, der die Elektrode mit einer
Spezialoptik großflächig erwärmt. Samuel Fink, Gruppenleiter für
Dünnschichtverfahren am Fraunhofer ILT: »Die Trocknung mit dem Diodenlaser
senkt den Energiebedarf um bis zu 50 Prozent und den Platzbedarf für eine
Trocknungsanlage im Industriemaßstab um mindestens 60 Prozent.«

Die Forschenden haben außerdem die Energiedichte im Visier: In Hannover
stellte das Institut ein High Power Ultrakurzpulslaser vor, der den
infraroten, gepulsten Laserstrahl in 24 Teilstrahlen aufteilt, um die
Batterieelektroden zu strukturieren. Entwickelt und umgesetzt wurde die
Multistrahl-Optik in enger Zusammenarbeit mit der Pulsar Photonics GmbH,
einem 2013 gegründeten Spin-off des Fraunhofer ILT.

Es bilden sich sogenannte Channels, die als Ionenautobahnen die Wegstrecke
der Ionen verkürzen und so den Ladeprozess beschleunigen. Das verhindert
das Entstehen von Defekten, steigert die Anzahl an Ladezyklen und erhöht
die Lebensdauer der Batterie. Neu ist das Verfahren nicht, aber den
Fraunhofer-Forschenden gelang es, das Verfahren vom Labormaßstab auf einen
skalierbaren, industriereifen Prozess zu transferieren. »Im nächsten
Schritt werden wir die Technik von dem Prototyp auf eine industrielle
Fertigungsstraße skalieren«, erklärt Matthias Trenn, Teamleiter Surface
Structuring am Fraunhofer ILT.

Inspirationen aus der Arktis

Das Laserschweißen von Batterien ist ein zentraler Aspekt der
industriellen Batteriefertigung und somit auch für die Aachener
Forschenden. Die Bandbreite der Projekte reicht vom großserientauglichen
Fügeprozess für Stromsammelschienen von schnell ladbaren und entladbaren
Batterien, einer Anlage zum Laserschweißen von großen zylindrischen
Lithium-Ionen-Zellen für Hochleistungsanwendungen (40 bis 50
Amperestunden) bis hin zur ganzheitlichen Lösung wie beispielsweise für
Aurora Powertrains aus Finnland.

Das lappländische Start-up hat für sein elektrisches Schneemobil eSled
eine wasser- und staubdichte Batterie mit IP67-Klassifizierung entwickelt,
die eine hohe Energiedichte von mehr als 190 Wh/kg besitzt. Die am
Fraunhofer ILT entwickelte, maßgeschneiderte Lasertechnik verbindet
hierfür den Aluminiumzellableiter mit dem Kupferableiter.

»Weil das Aluminium in der Produktion oben liegt, ist der Vorteil der
Absorption bei grüner oder blauer Laserwellenlänge nicht so gravierend wie
bei Kupfer«, erläutert Dr. Alexander Olowinsky, Abteilungsleiter Fügen und
Trennen am Fraunhofer ILT, die Details der Laserlösung. »Der Single Mode-
Infrarotlaser mit kleinem Strahldurchmesser ist die elegantere, schnellere
und deutlich kostengünstigere Lösung, weil die Strahlqualität bei Grün
oder Blau systembedingt aktuell noch schlechter ausfällt.«

DESY: Tiefe Einblicke in den Schweißprozess

Das Beispiel zeigt, wie die Wahl der richtigen Strahlquelle vom konkreten
Anwendungsfall abhängt. Um das Grundlagen-Know-how zu vertiefen,
untersuchten die Fraunhofer-Forschenden zusammen mit Forschenden des
Lehrstuhls für Lasertechnik LLT und dem Hightech-Unternehmen Trumpf am
Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg, mit welcher Wellenlänge
sich elektrische Kupfer-Kontakte von Hochleistungselektronik für
E-Fahrzeuge prozesssicher, stabil und schnell laserschweißen lassen. Die
Antworten lieferte die hochbrillante Strahlung des Synchrotronrings PETRA
III am DESY, mit dem sich bis zu 20.000 Bilder pro Sekunde aufnehmen
lassen.

Unterstützt von den Fachleuten des Helmholtz-Zentrum Hereon blickte das
Team mit einem Röntgenstrahl durch das geschmolzene Kupfer im Laserstrahl.
Die Versuche bewiesen nicht nur, dass sich das Buntmetall am besten mit
grünem Laserlicht schweißen lässt. Die gestochen scharfen Röntgenvideos
der Laserprozesse zeigten erstmals auch, wie sich kleinste Veränderungen
bei den Laserparametern auf Einschweißtiefe, Porenbildung und
Spritzerbildung auswirken.

Die Auswertung dieser Daten hilft, Laserschweißprozesse tiefgehender zu
verstehen und in den Projekten entsprechend zu optimieren. Das Fraunhofer
ILT geht aber noch einen Schritt weiter: In Aachen laufen bereits
Vorbereitungen für die nächste Strahlzeit. »Neben Schneiden, Schweißen und
Bohren wollen wir uns am DESY in Zukunft den 3D-Druck von Metallen genauer
ansehen«, verrät Alexander Olowinsky.

Resultate der Forschung und Entwicklung des Fraunhofer ILT rund um die
Elektromobilität erfahren Interessenten auf dem LSE - Laser Symposium
Elektromobility 2024 am 23. und 24. Januar 2024. Dort demonstrieren nLight
Plasmo, Precitec und 4D Photonics wie ihre Prozessüberwachung jeweils
einwandfreie Schweißvorgänge gewährleistet.