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Projektinfos  – Energieforschung konkret

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Der Batteriegroßspeicher kann rechnerisch 10.000 Haushalte für eine Stunde mit Strom versorgen.
© BINE Informationsdienst
Stromspeicher in Stromnetzen
Projektinfo 12/2017

Fünf unterschiedliche Batterietypen addieren sich zu einer Kapazität von 5,7 MWh und einer Gesamtleistung von 5,8 MW. Damit kann sich der Batteriespeicher für das Bereitstellen von Primärregelleistung präqualifizieren.
© E.ON Energy Research Center (E.ON ERC), Aachen
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Modularer Batteriespeicher liefert Regelenergie

Wie können große Batteriespeicher zu stabilen Stromnetzen beitragen und gleichzeitig profitabel arbeiten? Diese Frage untersuchen Wissenschaftler der RWTH Aachen gemeinsam mit Industriepartnern am Batteriegroßspeicher M5BAT. Mit einem modularen und flexibel skalierbaren Batterie-Wechselrichter-Konzept erproben sie das Zusammenspiel unterschiedlicher Akkumulator-Technologien und entwickeln im realen Netzbetrieb Geschäftsmodelle für dezentrale Speicher. Nach einem Jahr im Messbetrieb liegen erste Ergebnisse vor.

Damit Stromnetze stabil bleiben, müssen Verbrauch und Erzeugung jederzeit in Einklang stehen. Dies wird durch die fluktuierende Energieerzeugung aus Windund Sonnenenergie und durch die Abschaltung konventioneller Kraftwerke zunehmend technisch anspruchsvoller. Stromnetzbetreiber benötigen daher zusätzliche Möglichkeiten, flexibel auf Ungleichgewichte zu reagieren. Eine Option sind Batteriespeicher, die mit Reaktionszeiten im Millisekunden-Bereich kurzzeitige Schwankungen ausgleichen können. Je nach Größe und Auslegung stellen sie auf unterschiedlichen Netzebenen Regelleistung bereit und tragen zur Spannungs- und Frequenzhaltung, wie beispielsweise zur Blindleistungskompensation, bei. Batteriespeicher sind, anders als beispielsweise Pumpspeicher, an keinerlei geografische oder geologische Voraussetzungen gebunden und lassen sich in vergleichsweise kurzer Zeit dort bauen und in das Netz einbinden, wo sie gebraucht werden.

Das derzeit größte Batteriesystem, welches unter anderem für Forschungszwecke eingesetzt wird, befindet sich auf dem Gelände der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen (RWTH Aachen) in einem ehemaligen Bürogebäude. Der „Modulare multi-Megawatt multi-Technologie Mittelspannungsbatteriespeicher“ kurz M5BAT leistet 5,8 MW bei einer Speicherkapazität von 5,6 MWh.

Leistung und Kapazität der Anlage entsprechen in etwa dem Stromverbrauch von 10.000 Haushalten für rund eine Stunde. Das Besondere an dem Forschungsspeicher ist sein hybrider Aufbau und basierend hierauf dessen intelligentes Betriebskonzept: Er nutzt für die kurzfristige Leistungsspeicherung bzw. -abgabe drei unterschiedliche Lithium-Ionen- Technologien. Diese werden ergänzt durch zwei Bleibatterie-Typen für kurze bis mittlere Entlade- und Ladezeiten.

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Batterie-Technologien ergänzen sich

Die Forscher wollen das komplexe Zusammenspiel unterschiedlicher Zellchemien erproben, um kostengünstige und flexible Speichersysteme zu entwickeln, die alle wichtigen Systemdienstleistungen im Netz erbringen können. Professor Dirk Uwe Sauer vom Institute for Power Generation and Storage Systems (PGS) der RWTH Aachen erläuterte bei der Inbetriebnahme der Anlage: „In sechs Strängen mit unterschiedlichen Lithium-Ionen-Batterietechnologien und vier unterschiedlichen Bleibatteriesträngen werden mehr als 25.000 Batteriezellen vom ersten Tag an intensiv und individuell überwacht. Daraus werden wir wertvolle Informationen zur Alterung, Zuverlässigkeit und Lebensdauer gewinnen können. Gleichzeitig wollen wir mit einem intelligenten Batteriemanagement demonstrieren, wie der Gesamtbetrieb durch ein Hybridsystem mit verschiedenen Technologien optimiert betrieben werden kann.“ Lithium-Ionen- und Bleibatterien bieten unterschiedliche Eigenschaften, deren Stärken in dem Projekt verbunden und genutzt werden. „Basierend auf dem modularen Aufbau des Batteriespeichers können wir jeden einzelnen der zehn Stränge ansteuern und betreiben. Darüber hinaus ermöglicht diese Systemstruktur den Austausch und somit das Erproben weiterer Batterietechnologien. Wir können außerdem in unserer Anlage Batteriestränge austauschen und so weitere Batterietechnologien erproben“, sagt Jeanette Münderlein vom ISEA Aachen, die das Projekt leitet.

Neben den technischen Fragestellungen erforschen die Kooperationspartner aus Wissenschaft, Industrie und Stromwirtschaft auch wirtschaftliche Aspekte. Inwiefern Speicher netzdienlich betrieben werden können, ist aktuell noch umstritten, weshalb es nur eingeschränkte Vermarktungsmöglichkeiten zur Refinanzierung gibt. In welchem Maße ein Batteriespeicher, abhängig von der Technologie und der Vermarktungsstrategie, wirtschaftlich sein kann, soll im Rahmen des Projekts ermittelt werden. Hierfür erfolgt die Vermarktung des Speichers an der Strombörse. Grundvoraussetzung ist die Einbindung in das Mittelspannungsnetz, welche über das benachbarte Umspannwerk erfolgt. Auf dieser Basis kann vollständig autonom sekündliche, minütliche oder stündliche Ausgleichsleistung bereitgestellt werden. Auch das thermische Verhalten der Batterien wird analysiert, um die Klimatisierung der Energiespeicher zu optimieren und den Energieverbrauch so zusätzlich zu senken.

Dynamisch – Lithium-Ionen-Akkus

Lithium-Ionen-Batterien haben im Allgemeinen einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe zyklische Lebensdauer im Vergleich zu Bleibatterien. Aufgrund ihrer guten Ladeakzeptanz eignen sie sich für Lastprofile mit großen Dynamiken. Je nach Elektrodenmaterial und Elektrolyt besitzen die Zelltypen unterschiedliche Eigenschaften bzw. Betriebscharakteristiken. Die Wissenschaftler untersuchen in unterschiedlichen Batteriesträngen zwei Hochenergie- und einen Hochleistungs-Akkumulator:

Vier parallele Strings des Batteriespeichers bestehen aus Lithium-Mangan-Oxid-Zellen (LMO). Diese Technologie bietet bei hoher Energiedichte Preisvorteile gegenüber anderen Lithium-Ionen-Batterie-Technologien. Trotz fehlender inhärenten Sicherheit gibt es zuverlässige Systeme auf dem Markt, da die Technologie zunehmend im Automobilbereich eingesetzt wird.

In weiteren Batteriesträngen arbeiten Lithium-Eisenphosphat-Zellen (LFP). Die kobaltfreien Akkumulatoren sind sehr eigensicher und können für kurzzeitige Belastungen höhere Ströme als LMO Zellen liefern. Die höchsten Ströme beim Laden und Entladen vertragen Lithium-Titanat- Zellen (LTO). Auch in der Zuverlässigkeit und Effizienz übertreffen sie die anderen Lithium-Zellen. Die sehr hohe zyklische Lebensdauer wird auch durch tiefe Entladung kaum beeinträchtigt. Nachteilig sind die geringere Zellspannung, aus der eine geringere Energiedichte resultiert, und insbesondere der hohe Herstellungspreis.

Projektinfo 12/2017:
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Merkzettel

Adressen

Projektleitung
RWTH Aachen, ISEA

Projektleitung
RWTH Aachen, IAEW

Industriepartner
SMA Solar Technology AG

Industriepartner
Uniper SE

Service

BINE-Projektinfo 12/2017
(PDF, 4 Seiten, 267 kB)

Links

M5BAT
Hompage des Projekts

Real-world Operating Strategy and Sensitivity Analysis of Frequency Containment
Aufsatz zu Batteriespeicherung

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.