Lithium-Ionen-Batterie wird mit Superkondensator kombiniert

Fraunhofer ISE testet hybrides Speichersystem

Installation des Batteriespeichersystems auf Borkum. © Fraunhofer ISE

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat zusammen mit Partnern auf der Nordseeinsel Borkum einen hybriden Energiespeicher aufgebaut, der aus einer Lithium-Ionen-Batterie und einem Superkondensator für kurzzeitige Leistungsspitzen besteht. Der Speicher wird mit einem neuartigen modularen Wechselrichter an das Mittelspannungsnetz angekoppelt.

Während eines einjährigen Tests prüfen und vergleichen die Forscher im Rahmen des EU-Projekts "NETfficient" verschiedene Regelungsansätze im Energiemanagementsystem. Auf Borkum wird das Stromverteilnetz mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energien und diversen Speichertechnologien ausgestattet. Die im Projekt entwickelten Lösungen für Energie-Autonomie werden unter realen Bedingungen getestet, um sie später auf andere Regionen übertragen zu können.

Die räumlich verteilten Speicher und Erzeuger werden in ein Smart Grid eingebunden und von einem intelligenten Energie- und Netzmanagementsystem gesteuert. Der Hybridspeicher, 40 Heimspeicher, fünf Gewerbespeicher und ein Wärmespeicher sind in das Mittelspannungsnetz integriert.

Neben der Lithium-Ionen-Batterie mit einer Leistung von 500 Kilowattstunden ist eine der wichtigsten Komponenten im System der am Fraunhofer ISE entwickelte Batteriewechselrichter. Er hat eine Gesamtleistung von einem Megawatt und besteht aus hochkompakten und besonders dynamischen Untereinheiten mit einer Leistung von je 125 Kilowatt. "Dadurch lassen sich alle beliebigen Systemgrößen bis in den Multi-Megawatt-Bereich realisieren", sagt Olivier Stalter, Leiter des Geschäftsbereichs Leistungselektronik, Netze und intelligente Systeme am Fraunhofer ISE.

Zusätzlich zur Lithium-Ionen-Batterie wird über eine weitere Leistungselektronik ein Superkondensator als Kurzzeitspeicher eingebunden. Er federt Leistungsspitzen ab und verlängert damit die Lebensdauer der Batterie. Im Vergleich zu Akkumulatoren weisen Superkondensatoren eine deutlich geringere Energiedichte bei gleichzeitig viel höherer Leistungsdichte auf. Sie können also nicht so viel Energie je Volumen speichern, dafür aber sehr schnell viel Leistung aufnehmen oder abgeben, also sehr viel schneller ge- oder entladen werden. Zudem überstehen Superkondensatoren deutlich mehr Schaltzyklen als Akkus.

"Der vom Fraunhofer ISE entwickelte Wechselrichter kann durch eine deutlich erhöhte Schaltfrequenz schneller auf Schwankungen im Stromnetz reagieren als kommerziell erhältliche Geräte und eignet sich daher als sehr schnelle Primärreserve, für die Reduzierung von Spitzenlasten sowie für Eigenverbrauchslösungen im Industriemaßstab. Der Megawatt-Wechselrichter wurde in einem 19 Zoll-Rack mit einer Höhe von 200 Zentimetern realisiert und ist damit um den Faktor zwei bis vier kleiner als aktuell verfügbare Vergleichsgeräte", erklärt Stefan Schönberger, Teamleiter am Fraunhofer ISE.

Die Leistungselektronik beruht auf einer neuen modellbasiert vorausschauenden Regelung. Durch die Messung aller relevanten Ströme und Spannungen im System und die modellbasierte Vorhersage zukünftiger Zustände kann diese gegenüber den bisher üblichen Stromreglern deutliche Leistungsgewinne erzielen.

Neben der Leistungselektronik haben die Forscher des Fraunhofer ISE auch das Energiemanagementsystem für das hybride Energiespeichersystem entwickelt, wobei das am Institut entwickelte Energiemanagement-Software-Framework "OpenMUC" zum Einsatz kam. Es wird verwendet, um Batteriespeicher, Superkondensator und Wechselrichter zu steuern und sicherheitsrelevante Parameter zu überwachen. Mit neuartigen Algorithmen teilt das Energiemanagementsystem im Feldtest die Leistung zwischen Batterie und Superkondensator auf.

Untersucht werden zwei verschiedene Ansätze mit unterschiedlichen Parametern und Nachladestrategien. Die mittelfristige Einsatzplanung wird von den Projektpartnern mittels einer Erzeugungs- und Verbrauchsvorhersage und durch die Einbindung in die Plattform zur Steuerung der verteilten Systeme gewährleistet.

Weitere Entwicklungen aus dem Fraunhofer ISE, die in das Projekt einfließen, sind neue Geschäftsmodelle für Speichersysteme, wie die solare Eigenversorgung, das Peak Shaving – also die Reduzierung des Leistungspreises – sowie für Regelenergiemärkte und die Kontrolle von Leistungsgradienten sowie Blindleistungsbereitstellung im Niederspannungsnetz.

Das 2015 gestartete Projekt "NETfficient" läuft vier Jahre lang und wird im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms "Horizon 2020" der Europäischen Union gefördert. Quelle: Fraunhofer ISE / sue

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