KIT: Energiespeicher - Modulares System steigert Flexibilität

Der Anteil erneuerbarer Energien am Strommix steigt. Da Sonnen- und Windenergie fluktuieren, das heißt zeit- und wetterbedingt schwanken, bedarf es leistungsfähiger Energiespeicher im öffentlichen Stromnetz, um eine stabile Versorgung zu gewährleisten. Herkömmliche Konzepte mit etablierten Technologien, wie Lithium-Ionen-Akkumulatoren, kombinieren viele Batteriezellen zu einem großen Energiespeicher. Dieser wird, ähnlich wie bei Photovoltaikanlagen, über einen Wechselrichter – eine elektronische Schaltung, die Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt – an das Stromnetz angeschlossen.

Lade- und Entladeleistung strategisch aufgeteilt

Einen neuen Ansatz verfolgt hingegen das Forschungsprojekt „Lebensdaueroptimierte Integration Modularer Energiespeicher in Stromnetze“, kurz LeMoStore: Das Konzept sieht vor, mehrere kleine Batteriemodule, die auf verschiedenen Speichertechnologien basieren, flexibel zu kombinieren und effizient über einen netzfreundlichen Wechselrichter an das Stromnetz anzubinden. „Lade- und Entladeleistung werden strategisch aufgeteilt, um die maximale Lebensdauer der Batteriemodule zu erreichen und zugleich die anwendungsspezifischen Anforderungen an das Stromnetz zu erfüllen“, erklärt Professor Marc Hiller, Mitglied der Institutsleitung am Elektrotechnischen Institut (ETI) des KIT.

Im Verbundvorhaben LeMoStore arbeitet das KIT mit der Technischen Hochschule Aschaffenburg (TH AB) und den Unternehmen BMZ Germany GmbH und BATEMO GmbH als Partnern sowie mit den Unternehmen HBK – Hottinger Brüel & Kjær GmbH, Linde Material Handling GmbH, KION Battery Systems GmbH (KBS) und Mainsite GmbH & Co. KG als assoziierten Partnern zusammen. Das Projekt startete am 1. Juni 2021 und ist auf drei Jahre angelegt. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) fördert LeMoStore mit rund 1,7 Millionen Euro.

„Wir erarbeiten sozusagen einen modularen Baukasten, mit neuartigen Power Electronic Storage Blocks (PESB). So lassen sich Batteriemodule individuell kombinieren, was eine hohe Flexibilität ermöglicht“, erläutert Professor Marc Hiller vom KIT. Dazu nutzen die Forschenden einen sogenannten Modularen Multi-Level-Umrichter (Modular Multilevel Converter – MMC). Dieser Wechselrichter besteht aus zahlreichen leistungselektronischen Baugruppen. Die in die MMC-Zellen integrierten Batteriemodule sind Kern der Forschungsarbeiten im Labor für Leistungselektronik und elektrische Maschinen der TH AB. Durch die Verschaltung und Regelung der PESB kann das Umrichtersystem mit hoher Effizienz Gleich- in Wechselstrom wandeln und umgekehrt. Gleichzeitig lassen sich die gewünschte Leistungsaufnahme und -abgabe der einzelnen Batteriemodule präzise kontrollieren. So lassen sich auch gebrauchte Batteriemodule (beispielsweise aus Elektrofahrzeugen) einsetzen, ohne dass die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems reduziert werden muss. Forschende am Campus Süd und am Campus Nord des KIT entwickeln dafür gemeinsam die Regelung sowie ein optimiertes Energiemanagement. Die BMZ Germany GmbH ist für die Auswahl, Prüfung und Dimensionierung der chemischen Speicherzelle für das Batteriemodul verantwortlich. Die Firma BATEMO GmbH entwickelt ein Batteriemodell, das den aktuellen Ladezustand und die zunehmende Alterung der Batterien berücksichtigt, um das Gesamtsystem möglichst wirtschaftlich zu betreiben. Zur Optimierung dieser wirtschaftlichen Betriebsführung von modernen Energiespeichersystemen für den industriellen Einsatz sind im Konsortium die Firmen Linde Material Handling GmbH, KION Battery Systems GmbH (KBS) und Mainsite GmbH & Co. KG vertreten.

Demonstrator im Energy Lab 2.0 getestet

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler modellieren ein Gesamtsystem, um die optimale Energieverteilung in Echtzeit zu bestimmen. Im Rahmen des Projekts realisieren sie das Gesamtsystem als Demonstrator. Zur Erprobung nutzen sie die Power Hardware in the Loop (PHIL)-Infrastruktur, die zum Energy Lab 2.0 am KIT gehört. Mithilfe von PHIL-Emulatoren lassen sich Wechselstromnetze bis 1 kV und Gleichstromnetze bis 1,5 kV nachbilden. In der PHIL-Testumgebung lässt sich die realistische Netzumgebung simulieren. Die Forschenden können damit den LeMoStore Demonstrator in allen auftretenden Betriebszuständen testen und seine Funktionsweise validieren und verifizieren. Die dazu notwendige präzise und hochdynamische Messtechnik wird vom Partner HBK – Hottinger Brüel & Kjær GmbH zur Verfügung gestellt.

Das Projekt LeMoStore zeigt damit nicht nur zusätzliches Potenzial der Lithium-Ionen-Batterien innerhalb der Stromnetze, sondern trägt auch zu Lösungen für die Energiewende bei, indem es die Möglichkeiten eines optimierten Zusammenspiels von Speicher- und Umrichtertechnologien bei Verwendung etablierter Hardware verwirklicht. (or)

• Weitere Informationen zum Projekt: https://www.lemostore.de
• Weitere Informationen zum Energy Lab 2.0: https://www.elab2.kit.edu
• Details zum KIT-Zentrum Energie: https://www.energie.kit.edu