Energiespeicher: Modulares System steigert Flexibilität

Kategorie: Forschung

Photovoltaik-Module und Batteriespeicher im Energy Lab 2.0 am KIT Campus Nord (Foto: Walter Frasch/KIT)

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

TH AB beteiligt sich am Projekt LeMoStore zur Entwicklung einer netzintegrierten Lösung für eine stabile Stromversorgung mit erneuerbaren Energien


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 arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der TH AB und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mit weiteren Partnern aus der Wirtschaft zusammen. LeMoStore zielt auf eine maximale Lebensdauer der Batteriemodule und eine stabile Stromversorgung mit einem hohen Anteil erneuerbarer Energien. 
Das Projekt mit einem Volumen von rund 2,35 Millionen Euro startete am 1. Juni 2021 und ist auf drei Jahre angelegt. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) fördert LeMoStore mit rund 1,8 Millionen Euro. 

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 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 GmbH und BATEMO GmbH als Partnern sowie mit den Unternehmen Hottinger Brüel & Kjaer GmbH (HBK), Linde Material Handling GmbH, KION Battery Systems GmbH (KBS) und Mainsite GmbH & Co. KG als assoziierten Partnern zusammen. 

„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. 

Forschung im Labor für Leistungselektronik und elektrische Maschinen
Die PESB, auch MMC-Zellen genannt, sind Kern der Forschungsarbeiten des Labors für Leistungselektronik und elektrische Maschinen unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Johannes Teigelkötter an der Technischen Hochschule Aschaffenburg. „Durch die Verschaltung und Regelung der MMC-Zellen kann das System mit hoher Effizienz die Stromumwandlung von Gleich- in Wechselstrom durchführen. Gleichzeitig lassen sich die gewünschte Leistungsaufnahme und -abgabe der einzelnen Batteriemodule präzise kontrollieren und regeln. So lassen sich auch gebrauchte Batteriemodule, z.B. aus Elektrofahrzeugen, einsetzen, ohne die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems reduzieren zu müssen“, erläutert Professor Teigelkötter. Nur mit dem hohen Engagement der weiteren Industriepartner könne ein so interdisziplinäres Projekt erfolgreich durchgeführt werden. 
Die BMZ GmbH zeichnet sich in diesem Vorhaben für die Auswahl, Prüfung und Dimensionierung der chemischen Speicherzelle für das Batteriemodul verantwortlich. Die Firma BATEMO entwickelt in diesem Vorhaben ein Batteriemodell, welches den aktuellen Ladezustand und die zunehmende Alterung der Batterien berücksichtigt, um das Gesamtsystem möglichst wirtschaftlich zu betreiben. Um diese wirtschaftliche Betriebsführung von modernen Energiespeichersystemen für den industrielen Einsatz zu optimieren, sind in diesem Konsortium die Firmen Linde Material Handling GmbH, KION Battery Systems GmbH (KBS) und Mainsite GmbH & Co. KG vertreten. 

Demonstrator wird 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. Mit Hilfe 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. Diese dazu notwendige präzise und hochdynamische Messtechnik wird vom Partner Hottinger Brüel & Kjaer GmbH (HBK) 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.

Weitere Informationen:
Projekt LeMoStore: www.th-ab.de/lemostore
Labor für Leistungselektronik und elektrische Maschinen: www.ema-ab.de 
Energy Lab 2.0: https://www.elab2.kit.edu 
KIT-Zentrum Energie: https://www.energie.kit.edu