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Reallabor der Energiewende Next-MeBa
Innovative Großbatteriespeicher für ein flexibles und stabiles Stromnetz
Stationäre Großbatteriespeicher sind ein zentraler Baustein für den Umbau des Energiesystems. Sie gleichen Schwankungen im Stromerzeugungsmix aus und dienen somit dazu, die Versorgungssicherheit zu gewährleisten und Überschüsse bei der regenerativen Energieerzeugung zu speichern. Forschungserkenntnisse aus dem Reallabor der Energiewende Next-MeBa sollen zu effizienten, günstigeren, langlebigeren und sichereren Megawatt-Batteriespeichern beitragen.
Lithium-Ionen-Großspeicher sind große, stationäre Batteriesysteme, die auf der Lithium-Ionen-Technologie basieren. Lithium-Ionen-Akkus kommen bereits in den verschiedensten Geräten zum Einsatz, von Smartphones bis zum E-Auto. Der Zweck von Großspeichern ist hingegen: Elektrische Energie im Kilowatt- bis Megawattmaßstab zu speichern und anschließend wieder bedarfsabhängig ins Stromnetz einzuspeisen.
So helfen sie, den Strom aus erneuerbaren Energien effizienter nutzbar zu machen, das Abregeln von Erzeugungskapazitäten zu verhindern, den Umfang des Netzausbaus zu reduzieren und generell das Netz zu stabilisieren. Technisch funktionieren sie ähnlich wie die zuvor genannten Lithium-Ionen-Akkus in Mobilgeräten oder Elektroautos – jedoch sind erheblich größer und auf die speziellen Ansprüche wie Dauerbetrieb und lange Lebensdauer ausgerichtet.
Ziele des Reallabors der Energiewende Next-MeBa
Das Ziel ist ein breiter Markthochlauf dieser modernen Batteriesysteme. Bis dahin sind jedoch noch wesentliche Hürden zu nehmen. Denn für die Praxis sind die Investitionskosten, die Lebensdauer unter realen Betriebsbedingungen und die Sicherheit der Speicher entscheidende Faktoren. Genau hier setzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Projekt Next-MeBa mit ihrer Forschung zu Lithium-Ionen-Großspeichern an.
Die Verbundpartner verfolgen drei zentrale Ziele mit Blick auf die Weiterentwicklung von elektrischen Energiespeichern der Megawatt-Klasse:
- Investitionskosten für Lithium-Ionen-Großspeicher reduzieren und Effizienz erhöhen
Mithilfe innovativer System- und Architekturansätze sollen Anschaffungs- und Betriebskosten der Speichersysteme deutlich gesenkt werden. Zudem soll durch ein elektronisches Wechselrichtersystem verbunden mit einer Einzelzellansteuerung die Effizienz des Speichers – primär im Teillastbereich – deutlich verbessert werden. - Betriebsdauer der Speicher erhöhen
Hierbei entsteht ein Speichersystem, dessen Betriebsdauer auch bei unterschiedlich alternden Batteriezellen stabil bleibt, da das Batteriemanagementsystem jede einzelne Zelle individuell kontrolliert und somit zum Beispiel geschädigte Zellen elektronisch aus dem System nehmen kann. So wollen die Forschenden einen wirtschaftlicheren Betrieb über die gesamte Lebensdauer ermöglichen. - Sicherheit der Speicher verbessern
Ebenfalls verfolgen sie das Ziel, die Sicherheit von Großbatterien durch technische Innovationen im Systemdesign zu erhöhen. Konkret geht es um ein eigensicheres Modulkonzept, bei dem zwischen den einzelnen Batteriezellen spezielle Zwischenlagen entwickelt und eingeschoben werden. Hiermit wird im Brandfall einer Einzelzelle das Überspringen auf benachbarte Zellen verhindert. So sollen Kettenreaktionen mit großen Batteriefeuern vermieden werden, die das gesamte System zerstören würden.
Großbatteriespeicher als Forschungsgegenstand
Um ihre Ziele zu erreichen, setzen die Forschenden an drei zentralen Stellen an: bei hochflexiblen Leistungs- und Steuersystemen (H-Brücken), bei langlebigen Zelltypen basierend auf Lithium-Eisenphosphat (LFP) als Kathodenmaterial in Verbindung mit speziellen Zwischenlagen zur Propagationsverhinderung und bei einer kostengünstigen Balance-of-Plant-Technologie, etwa bei der Kühlung der Systeme.
Mit dem Einsatz kaskadierender H-Brücken (individuelle Ansprache von Batteriezellen) anstatt kommerzieller Wechselrichter und fest verdrahteter Batteriezellen soll die Effizienz und Lebensdauer erhöht werden. Es entsteht eine „Wechselrichter-freie“ Batterie, die direkt 3-Phasen Wechselstrom liefert. Solche AC-Batterie sind in diesen hohen Leistungsklassen bisher noch nicht umgesetzt. Die Verwendung von sicheren LFP-Zellen, der Einbau von Propagationsschutzschichten und die elektronische Ansteuerung der Zellen erlauben die Kombination aus hoher Sicherheit, hoher Effizienz und hoher Lebensdauer.
„Wir können jede Zelle, jede Spannung und jede Temperatur überwachen“, erklärt Projektleiter Markus Hölzle vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW), der dort den Geschäftsbereich Elektrochemische Energietechnologien leitet und gleichzeitig eine Professur für Elektrochemische Energiespeicherung und Energiewandlung an der Fakultät für Naturwissenschaften der Universität Ulm innehat. „Bei anderen Speichern bestimmt die schlechteste Zelle das Ladeverhalten. Hier nicht – man kann Zellen mit schlechten Leistungswerten einfach gar nicht mehr ansteuern oder nur unter geringen Lastbedingungen nutzen.“ Ein mechanischer Austausch schwacher Zellen nach einigen Betriebsjahren und Ersatz von frischen Zellen ist ebenfalls möglich – wird aus Zeitgründen im Projekt jedoch nicht realisiert werden können.
Vom digitalen Zwilling bis zum Echtzeitsimulator
© ZSW
Das ZSW übernimmt im Reallabor Next-MeBa die Themenbereiche Zellcharakterisierung, Sicherheitsuntersuchungen, Lebensdauertests und -simulationen. Ein digitaler Zwilling soll die elektrischen und thermischen Eigenschaften des Speichers abbilden. Mit seiner Hilfe will das Wissenschaftsteam eine optimierte Auslegung und Einsatzplanung sowie ein verbessertes Monitoring des Großspeichers ermöglichen.
Innovative Verfahren und Schaltungen für Megawatt-Batteriespeicher entwickelt das Institut für Energiewandlung und -speicherung der Universität Ulm. Dabei konzentrieren sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf eine zuverlässige Steuerung, präzises Batterie- und Thermomanagement, effizienten Ladungsausgleich sowie die Implementierung eines modernen Echtzeitsimulators. Dieser soll dazu dienen, den Speicher schnell und kostensparend zu erproben.
Neben den technischen Ansätzen ermittelt das Projektteam konkrete Einsatzprofile für den Megawatt-Batteriespeicher. Anhand eines Prototyps untersuchen sie die Anforderungen assoziierter Partner, des Energiemarktes und des Netzes. Geplant ist eine Kooperation mit weiteren Anwendern, zu denen etwa Netz- und Quartiersbetreiber, Energiehändler sowie Endkunden zählen. Basierend auf den resultierenden Rahmenbedingungen des Betriebs sollen konkrete Anwendungsfälle definiert und wirtschaftlich bewertet werden.
Erste erfolgreiche Batterietests durchgeführt
Als Industriepartner sind die SAX Power GmbH und die Proteba GmbH Teil des Verbunds. Ersterer hat an seinem Standort kürzlich eine eigene Produktionshalle für die ersten Prototypen des Megawatt-Speichers eingerichtet. Proteba hat zwischenzeitlich einen Testbunker umgebaut, neue Messinfrastruktur installiert und diesen in Betrieb genommen. Zudem wurde eine erste Fertigungsmaschine für die Propagationsschutzschichten aufgebaut und erfolgreich in Betrieb gesetzt. Sie erlaubt es, mehrere Tausend solcher Schichten pro Woche herzustellen. Erste Tests mit den Batteriezellen, die im Speicher eingesetzt werden sollen, verliefen erfolgreich. Diese Propagationsschutzbarrieren werden zwischen die einzelnen Batteriezellen gelegt und anschließend mit den Zellen zu festen Modulen verspannt. Die Fertigungsmaschine bietet ausreichend Produktionskapazität für die in Next-MeBa notwendigen Mengen.
Feldtests mit drei Megastorage-Versuchseinheiten sollen zum Projektende von Next-MeBa genutzt werden, um die technische Entwicklung, den Prototypenbau sowie die Zellalterungsmodelle und Anwendungsfälle zu validieren. Abschließend ist eine Zertifizierung als Speicher im Mittelspannungsnetz geplant.
Batteriespeicher unter realen Bedingungen testen und optimieren
© Projektträger Jülich / Forschungszentrum Jülich GmbH
„Wir wollen schnelleres Laden und Entladen testen“, erklärt Hölzle. „Ein Projektpartner betreibt beispielsweise ein Datencenter, da ist ein bisschen Dynamik gefordert: Wie warm werden die Zellen unter unterschiedlichen Belastungen, welche Kühlung braucht es dann, kann man auf eine aufwendige Wasserkühlung verzichten? Dazu bauen wir verschiedene Systeme im Feld und analysieren deren Daten unter realen Betriebsbedingungen. Wir werden auch die Sicherheitstechnik noch einmal anschauen, wie formstabil bleiben die Zellen bei hoher Belastung? Wie können wir eine gesamte Lebensdauer in kurzer Zeit simulieren? Das ist wichtig, denn solche Batteriespeicher sollen deutlich mehr als zehn Jahre ohne Probleme ihren Dienst verrichten und somit ist es unerlässlich, zu verstehen, welche Faktoren für die Alterung der Systeme verantwortlich sind.“
Das Alterungsmodell des ZSW soll weit über Standardtests hinausgehen und beispielsweise auch das schnellere Altern bei kalten Temperaturen abbilden, um letztendlich Effizienz und Lebensdauer der Speicher zu erhöhen. Denn, davon ist Hölzle überzeugt, es werde künftig sehr viele Speicher dieser Art im Energiesystem geben (in einer Größenordnung von mindestens 100 GWh alleine in Deutschland). Jedes Plus bei der Effizienz zahle sich somit sofort aus. Und der Kompetenzgewinn auf dem Feld des Batteriemanagements sei aus zweierlei Gründen wichtig für Deutschland: Einerseits wegen des interessanten Absatzmarktes dieser Batterien, andererseits aus Gründen der Resilienz.
Die Lithium-Eisenphosphatzellen selber kommen jedoch heute nahezu zu 100 Prozent aus China. Wegen der hohen Relevanz für das Stromnetz seien europäische Lösungen insbesondere bei der Batteriesteuerung wünschenswert und notwendig. Auch deshalb warnt Hölzle vor zu großen Abhängigkeiten:
„Bei den Zukunftstechnologien Batteriezellen und Leistungselektronik lohnt es sich, für eine europäische Wertschöpfungskette zu kämpfen.“Prof. Dr. Markus Hölzle (ZSW / Universität Ulm)
Batteriespeicher liefern wichtigen Beitrag zum Umbau des Energiesystems
Reallabore der Energiewende dienen dazu, technische, wirtschaftliche und regulatorische Bedingungen praxisnah und im industriellen Maßstab zu erforschen. Mit den erarbeiteten Erkenntnissen unterstützen sie die Marktfähigkeit neuer Energietechnologien und somit den Umbau des Energiesystems. Das Reallabor der Energiewende Next-MeBa trägt dazu bei, Batterie-Großspeicher mit einem neuen, innovativen und hocheffizienten Batteriemanagementsystem „Made in Germany“ in die Praxis zu bringen und sie somit für den Massenmarkt fit zu machen. (av/pj)
