Indsendt af
Danmarks Tekniske Universitet
Resumé
En betydelig vækst i andelen af vedvarende energi i Danmark vil kræve intelligente løsninger indenfor energistyring. Elbiler er et af de mulige elementer, som kan bidrage til at håndtere fluktuerende vedvarende energikilder, samtidig med at de har en gavnlig miljøeffekt ved at mindske CO2 udslip fra transportsektoren. Det foreslåede tema skal bidrage til denne udvikling ved at fokusere på metoder til at øge opladningshastigheder for lithium batterier.
En del af temaet omhandler udvikling af avanceret overvågning og ladestyring af lithium batterier, som muliggør en velkontrolleret og optimeret lynopladning af batteriet. Det opnås bl.a. ved at få bedre styr på de afgørende parametre for degraderingen – især temperaturen inde i cellerne – for dermed at kunne reducere den nødvendige sikkerhedsmargin og gå tættere på grænsen i forbindelse med høj ladestrøm.
Et andet område af temaet omhandler optimering af batteridesign /celledesign, der reducerer tab i batteriet under op- og afladning, hvorved varmeudviklingen reduceres, samt opbygning af battericeller, der effektivt kan bortlede varme.
Et tredje område adresserer studier af degradering ved høj ladestrøm samt udvikling af optimerede batterimaterialer og komponenter.
Udfordring og muligheder
Udbredelse af elbiler kan både bidrage til en grønnere transportsektor og til en bedre udnyttelse af den fluktuerende vind og solkraft i el-systemet – forudsat at det gøres intelligent! El-bilen er langt mere energieffektiv end andre motorteknologier – ikke mindst ved varieret hastighed i bytrafik, hvor bremseenergien kan udnyttes til at oplade batteriet.
Muligheden for hurtig og betragtelig opladning af elbilens batteri (10-20 kWh i løbet af minutter, svarende til en ladeeffekt på 100-200 kW og en køredistance på 50-100 km) er en vigtig faktor for elbilernes anvendelsesmuligheder, accept og udbredelse.
Ved at have bedre styr på de kritiske parametre ved opladning af batteriet – især temperaturen inde i battericellerne – kan batteriet lades ved en højere elektrisk strøm (og dermed reduceret tid) uden at batteriet lider skade. En indikator for restlevetid og det aktuelle slid på batteriet kan give brugeren en ide om hvilken indflydelse forskellige former for opladning har på levetids-forbruget.
Forøget fleksibel mulighed for hurtigt at oplade elbilens batteri kan desuden reducere behovet for batterikapacitet – og dermed batteriets vægt, størrelse og pris. Mulighed for hurtig batteriopladning har også stor betydning i forbindelse med andre anvendelser, specielt i forbindelse med udjævning ved større vindkraft faciliteter, men også for fx bærbar elektronik (computere, telefoner) og kabelfrit elektrisk værktøj (boremaskine).
Målsætning
Med udvikling af nye batterityper – med integreret overvågning af driften (især temperaturen), integreret beskyttelse mod overbelastning og integreret varme-bortledning – og udvikling af optimeret ladestyring forventes det at batteriet vil kunne oplades med 50% af batterikapaciteten på under 5 min. Vi forventer at denne udvikling vil kunne styrke danske virksomheder, som arbejder indenfor batteristyring eller med intelligente løsninger indenfor energi-infrastruktur.
Innovationsbehov
Der skal udvikles integreret overvågning til batterier, beskyttelse og varmebortledning. Temperaturen i hver celle skal overvåges on-line, hvor varmen udvikles. Den enkelte celle skal beskyttes mod overbelastning (spænding, strøm og temperatur), og skal sikres stor varmetransport fra det aktive område til omgivelserne. Integrerede sensorer (temperatur, tryk…) i batterierne må udvikles, og degraderingsmekanismer for materialer og celler inkluderes.
Der er et stort potentiale indenfor udvikling af metoder og instrumentering til batteristyring, specielt i forbindelse med elbiler og lagring af strøm fra f.eks. vindkraft.
Elbilmarkedet er stadig i opstartsfasen, og udbredelsen af både elbiler og hybridbiler kræver nye innovative løsninger. et er et udviklingsområde hvor vi vil have store muligheder for at bidrage, også til en erhvervsmæssig udvikling, f.eks. indenfor batteristyring og batteridesign. Vi forventer at forskning og innovation vil bidrage til at styrke dette område. Ud over at styrke etablerede virksomheder indenfor energisektoren vil det bidrage til vækst og etablering af nye virksomheder. Der er mange aktiviteter i Danmark, som går i retning af at forberede samfundet på en endnu større grad af vedvarende energi, med de udfordringer dette giver, både indenfor systemer og infrastruktur, men også på materialeudvikling til lithium batteriteknologi.
Fokus vil være på kendte og anvendte batteriteknologier samt igangværende og kommende batteriteknologier som f.eks. lithium-luft, hvori der er igangværende forskning i Danmark.
De danske forudsætninger
I Danmark er der virksomheder i verdensklasse inden for sensorteknologier og batterimanagementløsninger. Det gælder også inden for specielt krævende batterityper, hvor kravene til batterimanagement og sikkerhed er specielt høje. Her kan bl.a. nævnes Lithium Balance, som har erklæret sig meget interesseret i at deltage i projekter inden for temaet. Danmark er også ledende inden for smart grid, hvor løsninger vil kun bringes i anvendelse. Danmark har derudover mange underleverandører til bilindustrien, hvilket genererer betydelig eksport.
Test og demonstration af løsninger vil kunne ske i de faciliteter, der allerede er etableret inden for smart grid herunder elbilstestcenteret NEVIC på DTU Elektro, Risø Campus.
Effekter og potentialer
Danske virksomheder, der arbejder med batterimanagement og sensorteknologi, vil kunne blive i stand til at øge deres eksport og konkurrenceevne betydeligt.
Der er samtidigt et endnu større økonomisk potentiale, når der ses på elektronisk udstyr såsom smart telefoner, tablets og bærbare computere.
Andre anvendelsesområder er håndværktøj og haveredskaber. Også indenfor vindmølleindustrien samt industriel udvikling af nye batterimaterialer og komponenter er der potentiale for en samfundsøkonomisk effekt.
Der vil samtidigt kunne skabes mulighed for at internationale virksomheder vil etablere forsknings og testfaciliteter i Danmark og derved skabe flere videnstunge arbejdspladser.