Lithium-Ionen-Akkus Modulare Energiespeicher steigern die Flexibilität

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Im Verbundprojekt LeMoStore entwickeln Partner aus Forschung und Industrie unter Federführung des KIT eine netzintegrierte Lösung für eine stabile Stromversorgung mit erneuerbaren Energien.

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Photovoltaik-Module und Batteriespeicher im Energy Lab 2.0 am KIT Campus Nord.
Photovoltaik-Module und Batteriespeicher im Energy Lab 2.0 am KIT Campus Nord.
(Bild: Walter Frasch, KIT)

Verschiedene Energiespeichertechnologien flexibel zu kombinieren und die Batteriemodule über einen netzfreundlichen Wechselrichter an das Stromnetz anzubinden – das ist das Konzept des Projekts LeMoStore. In dem neu gestarteten Verbundvorhaben arbeitet das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mit Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft zusammen. LeMoStore zielt auf eine maximale Lebensdauer der Batteriemodule und eine stabile Stromversorgung mit einem hohen Anteil erneuerbarer Energien. Das Bundeswirtschaftsministerium fördert LeMoStore mit rund 1,7 Mio. €.

Der Anteil erneuerbarer Energien am Strommix steigt. Da Sonnen- und Windenergie 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-Akkus kombinieren viele Batteriezellen zu einem großen Energiespeicher. Dieser wird, ähnlich wie bei Photovoltaikanlagen, über einen Wechselrichter 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 Projekt LeMoStore arbeitet das KIT mit der Technischen Hochschule Aschaffenburg (TH AB) und den Unternehmen BMZ und Batemo als Partnern sowie mit den Unternehmen HBK – Hottinger Brüel & Kjær, Linde Material Handling, KION Battery Systems (KBS) und Mainsite 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 Mio. €.

Modularer Baukasten mit Power Electronic Storage Blocks

„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.

Schematische Darstellung des modularen Energiespeichers, eingebunden zwischen erneuerbaren Energien, Großspeichern (links) und dem Stromnetz (rechts).
Schematische Darstellung des modularen Energiespeichers, eingebunden zwischen erneuerbaren Energien, Großspeichern (links) und dem Stromnetz (rechts).
(Bild: Lars Leister, KIT)

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. BMZ ist für die Auswahl, Prüfung und Dimensionierung der chemischen Speicherzelle für das Batteriemodul verantwortlich. Batemo 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, KION Battery Systems (KBS) und Mainsite vertreten.

Demonstrator im Energy Lab 2.0 getestet

Die 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 zur Verfügung gestellt.

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.

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