Hybrides Energiespeichersystem

Forschung & Entwicklung

Hybrides Energiespeichersystem auf Borkum

Leistungsstack, bestehend aus einem Flüssigkeitskühler, Siliciumkarbid-MOSFET-Modul, Hochstromplatine und Folienkondensatoren. Bild: Fraunhofer ISE
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Mit der Umsetzung der Energiewende steigt der Stromanteil aus fluktuierenden erneuerbaren Quellen. Dies erfordert den Ausbau von Stromspeicherkapazitäten sowie ein flexibel reagierendes Energiemanagement. Forscher des Fraunhofer-Instituts ISE haben gemeinsam mit Partnern auf Borkum einen hybriden Energiespeicher aufgebaut, der aus einer Lithium-Ionen-Batterie und einem Superkondensator für kurzzeitige Leistungsanforderungen besteht. Der hybride Speicher wird mittels eines neuartigen modularen Wechselrichters an das Mittelspannungsnetz angekoppelt. Während eines einjährigen Feldtests prüfen und vergleichen die Forscher verschiedene Regelungsansätze im Energiemanagementsystem.

Im Rahmen des EU-Projekts NETfficient wird auf der Nordseeinsel Borkum 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. 40 Heim-Speicher, fünf Gewerbespeicher, ein thermischer Speicher sowie ein hybrider Energiespeicher sind in das Mittelspannungsnetz integriert.

„Neben der 500 kWh Lithium-Ionen-Batterie ist der am Fraunhofer ISE entwickelte Batteriewechselrichter eine der wichtigsten Komponenten im System“, erläutert Dr. Olivier Stalter, Leiter des Geschäftsbereichs Leistungselektronik, Netze und intelligente Systeme am Fraunhofer ISE. Dieser habe eine Gesamtleistung von einem Megawatt und bestehe aus hochkompakten und besonders dynamischen Untereinheiten mit einer Leistung von je 125 kW. Dadurch ließen sich alle beliebigen Systemgrößen bis in den Multi-Megawatt-Bereich realisieren. Zusätzlich zur Lithium-Ionen-Batterie werde über eine weitere Leistungselektronik ein Superkondensator als Kurzzeitspeicher eingebunden. Dieser federe Leistungsspitzen ab und verlängert damit die Lebensdauer der Batterie.

Hochkompakter, reaktionsschneller und modularer Wechselrichter

„Der vom Fraunhofer ISE entwickelte Wechselrichter kann durch eine deutlich erhöhte Schaltfrequenz schneller auf Schwankungen im Stromnetz reagieren als kommerziell erhältliche Geräte“, erläutert Stefan Schönberger, Teamleiter am Fraunhofer ISE. Er eigene sich daher als schnelle Primärreserve, für die Reduzierung von Spitzenlasten sowie für Eigenverbrauchslösungen im Industriemaßstab. Der Megawatt-Wechselrichter sei in einem 19 Zoll-Rack mit einer Höhe von 200 cm realisiert und damit um den Faktor zwei bis vier kleiner als aktuell verfügbare Vergleichsgeräte. Möglich habe dies der Einsatz modernster Siliciumkarbid-Halbleiter sowie ein optimieren Aufbau von Leiterkarten, Filterelementen sowie verschiedenen Kühlmethoden gemacht.

Um die extrem schnellen Schaltgeschwindigkeiten realisieren zu können und die daraus entstehenden Überspannungen an den Halbleitern klein zu halten, wurde eine speziell dafür optimierte Dickkupferleiterkarte mit ausschließlicher Verwendung von Folienkondensatoren realisiert. Für die optimale Kühlung sorgt hauptsächlich ein Flüssigkeitskühler. Um die Drosseln sowohl kompakt als auch verlustarm zu realisieren, wurde ein hochwertiges Pulverkernmaterial in Tablettenbauform verwendet.

Mit Hilfe dieser Technologien konnten die Freiburger Forscher einen vollwertigen Wechselrichter-Einschub mit einer Leistung von 125 kW und sämtlichen Schalt- und Schutzelementen in einem 19 Zoll-Einschub mit einer Höhe von nur 15 cm realisieren. Der Einschub besitzt Steckkontakte für Strom und Kühlflüssigkeit und kann während des Betriebs getauscht werden. Die interne Kommunikation verteilt bei Tausch oder Ausfall eines Einschubs in Sekundenbruchteilen die Master- und Slave-Rollen neu. Damit kann ein robustes und wartungsfreundliches Gesamtsystem realisiert werden.

Prädiktive Regelung für höhere Performance

Die Regelung der Leistungselektronik erfolgt modellbasiert und vorausschauend. Durch die Messung aller relevanten Ströme und Spannungen im System und die modellbasierte Vorhersage zukünftiger Zustände kann diese nach Überzeugung der Forscher 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. Angesichts des modularen Aufbaus und der Vielzahl an Kommunikationsmöglichkeiten wird OpenMUC 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. (ig)

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