Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE 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.
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-Autarkie 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. Neben dem Hybridspeicher kommen im Rahmen des Projekts 40 Heim-Speicher, fünf Gewerbespeicher sowie ein thermischer Speicher zum Einsatz.
Hybridspeicher verbindet Lithium-Ionen-Batterie mit Superkondensator
Der vom Fraunhofer ISE entwickelte Batteriewechselrichter umfasst auf Borkum eine Gesamtleistung von einem Megawatt und besteht aus acht hochkompakten und besonders dynamischen Untereinheiten mit einer Leistung von je 125 kW. Mit dem Wechselrichter ließen sich jedoch theoretisch alle beliebigen Systemgrößen bis in den Multi-Megawatt-Bereich realisieren, so Olivier Stalter, Leiter des Geschäftsbereichs Leistungselektronik, Netze und intelligente Systeme am Fraunhofer ISE.
Die mit dem Wechselrichter verbundene Lithium-Ionen-Batterie des französischen Herstellers Powertech verfügt über eine Kapazität von circa 500 kWh. Beim Entladen liegt die Leistung nach Angaben des Fraunhofer ISE bei einem MW und beim Laden bei 500 kW. An die Batterie ist über einen DC/DC-Steller ein Superkondensator mit 7 kWh Kapazität und einem MW Leistung als Kurzzeitspeicher gebunden. Dieser federt Leistungsspitzen ab und verlängert damit die Lebensdauer der Batterie. Hersteller des Superkondensators ist Zigor aus Spanien.
Wechselrichter reagiert schneller auf Schwankungen als bisherige Geräte
Der Wechselrichter kann dem Fraunhofer ISE zufolge durch eine deutlich erhöhte Schaltfrequenz schneller auf Schwankungen im Stromnetz reagieren als kommerziell erhältliche Geräte. Folglich eignet er sich 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 zwei Metern realisiert und ist damit um den Faktor zwei bis vier kleiner als aktuell verfügbare Vergleichsgeräte. „Möglich wurde dies durch den Einsatz modernster Siliciumkarbid-Halbleiter sowie durch einen optimieren Aufbau von Leiterkarten, Filterelementen sowie verschiedenen Kühlmethoden“, sagte Stefan Schönberger, Teamleiter am Fraunhofer ISE.
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 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.