Hybrides Energiespeichersystem auf Borkum

  • 07. March 2018

Feldtest für Kombination aus Lithium-Ionen-Batterie und Super­konden­sator.

Mit der Umsetzung der Energiewende steigt der Stromanteil aus fluktu­ierenden erneuer­baren Quellen wie Wind und Sonne. Das erfordert den Ausbau von Strom­speicher­kapazi­täten und ein flexibel reagie­rendes Energie­manage­ment. Forscher des Fraun­hofer-Instituts für solare Energie­systeme haben gemein­sam mit Partnern auf der Nord­see­insel 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.

Energiespeicher

Abb.: Installation des Batterie­speicher­systems auf Borkum. (Bild: Fh.-ISE)

Im Rahmen des EU- Projekts NETfficient wird auf 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. Vierzig Heim-Speicher, fünf Gewerbe­speicher, ein thermischer Speicher und ein hybrider Energie­speicher sind in das Mittel­spannungs­netz inte­griert.

„Neben der 500-kWh-Lithium-Ionen-Batterie 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 kW. Dadurch lassen sich alle belie­bigen System­größen bis in den Multi-Mega­watt-Bereich reali­sieren", sagt Olivier Stalter vom Fraun­hofer-ISE. Zusätz­lich zur Lithium-Ionen-Batterie wird über eine weitere Leistungs­elek­tronik ein Super­konden­sator als Kurz­zeit­speicher ein­ge­bunden. Dieser federt Leistungs­spitzen ab und ver­längert damit die Lebens­dauer der Batterie.

„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 ist um den Faktor zwei bis vier kleiner als aktuell ver­füg­bare Ver­gleichs­geräte“, erklärt Stefan Schön­berger vom Fraun­hofer-ISE. Möglich wurde das durch den Einsatz modern­ster Silicium­karbid-Halb­leiter sowie durch einen opti­mierten Auf­bau von Leiter­karten, Filter­elementen sowie ver­schie­denen Kühl­methoden. 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.

Die Regelung der 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. 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. Das 2015 gestartete Projekt NETfficient läuft vier Jahre lang und wird im Rahmen des Forschungs- und Innova­tions­programms Horizon 2020 der Europä­ischen Union gefördert.

Fh.-ISE / RK

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