Dynamisch und skalierbar

Optimierte Großspeicher für das Energiesystem

Deutsches Ingenieurblatt 03/2020
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Zwei seriennahe Großspeicher ergänzen ab sofort die Forschungsinfrastruktur Energy Lab 2.0 des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Mit einem neuen Lithium-Ionen-Speicher zur kurzfristigen Netzstabilisierung sowie einem neuen Redox-Flow-Speicher für längere Speicherperioden testen die Wissenschaftler ein optimiertes Steuersystem.

Bei einer zunehmend dezentralen und schwankenden Energieerzeugung durch erneuerbare Energien ist der Aufbau von Speicherkapazitäten zur Netzstabilisierung eine zentrale Herausforderung. Mit den seriennahen Prototypen zweier Energiespeichersysteme samt optimiertem Steuersystem möchte das KIT dafür seriennahe Standardlösungen aufzeigen: Im Energy Lab 2.0 – einer großskaligen Energieforschungsinfrastruktur am KIT – wurden ein neuer Lithium-Ionen-Speicher sowie ein neuer Redox-Flow-Speicher in Betrieb genommen. „Wir werden das Zusammenspiel der neuen Energiespeichersysteme mit anderen Netzkomponenten im praxisnahen Betrieb demonstrieren“, sagt Professor Roland Dittmeyer, der wissenschaftliche Koordinator des Energy Lab 2.0. „Ziel bei der Entwicklung war es, kostenoptimierte und effiziente Großspeicherlösungen für das Energiesystem der Zukunft bereitzustellen.“

Lithium-Ionen-Batteriespeicher im Energy Lab 2.0

Lithium-Ionen-Speicher eignen sich vor allem für eine kurze, dynamische Leistungsbereitstellung. Schon heute leisten sie einen wichtigen Beitrag zur Netzstabilität. Allerdings sind Batteriespeichersysteme auf Basis von Lithium-Ionen-Technologie mit hohen Kosten verbunden. Neben den Investitionskosten spielen dabei auch die Betriebskosten eine wesentliche Rolle. Mit dem neuen Lithium-Ionen-Großspeicher im Energy Lab 2.0 verfügt das KIT nun über eine Lösung mit besonders niedrigen Betriebs- und Wartungskosten.

Das neue Speichersystem liefert insgesamt 1,5 Megawattstunden nutzbare Energie bei bis zu 800 Kilowatt elektrischer Leistung. „Durch den neuartigen Systemaufbau ergibt sich eine erhebliche Kostenersparnis“, sagt Projektleiter Michael Mast vom Batterietechnikum des KIT, an dem das Energiespeichersystem entwickelt wurde. „Insbesondere haben wir die Kühlung energetisch optimiert und das Energiemanagementsystem auf einen effizienten Betrieb getrimmt. Eine detaillierte Charakterisierung der verwendeten Lithium-Ionen-Zellen ermöglicht es uns, die Batterien sehr schonend zu betreiben, was die Lebensdauer erhöht und die Gesamtkosten weiter sinken lässt.“ Eine Besonderheit ist, dass neben Kühlwasser aus Erdsonden auch die Betonhülle zur passiven Kühlung eingesetzt wird. Durch ein teilweises Versenken im Boden wird der Platzbedarf des Batteriespeichers reduziert. Neben der Effizienz war außerdem die Sicherheit des Lithium-Ionen-Batteriespeichers ein Schwerpunkt bei der Entwicklung. Ein ansprechendes Design und geringe Geräuschemissionen ermöglichen zudem eine höhere Akzeptanz als Quartierspeicher in Wohngebieten.

Redox-Flow-Batteriespeicher

Neben der Frequenzstabilisierung werden im Energiesystem der Zukunft aber auch Lösungen zur mittel- und längerfristigen Speicherung von Energie benötigt, etwa zur Verschiebung von Sonnenenergie für den Verbrauch während der Nacht oder der Zwischenspeicherung von überschüssiger Windenergie für windstille Tage. Dafür eignen sich Redox-Flow-Batterien, die elektrische Energie in flüssigen chemischen Verbindungen speichern, meist auf Basis von Vanadiumoxiden. Während Lithium-Ionen-Speicher innerhalb von Sekundenbruchteilen ausgleichende Energie liefern können, sind Redox-Flow-Speicher je nach Betriebszustand weniger dynamisch, da mechanische Pumpsysteme zum Einsatz kommen. Richtig eingesetzt haben Redox-Flow-Speicher aber entscheidende Vorteile: Speichergröße und Leistung können unabhängig voneinander und fast beliebig skaliert werden. Zudem ist die Redox-Flow-Batterie nicht brennbar. Im Energy Lab 2.0 wurde nun ein Vanadium-Redox-Flow-Batteriespeicher mit 0,8 Megawattstunden Energie und einer Leistung von 200 Kilowatt installiert. Mit der übergeordneten Steuerung kann dieser mit dem Lithium-Ionen-Speicher zu einem Hybridspeicher kombiniert werden. Ziel hierbei ist eine Speicherlösung, welche die Vorteile der beiden Technologien vereint. Ein weiterer Grund für die Forscher, das Zusammenspiel dieser verschiedenen Speichertechnologien weiterzuentwickeln, ist die Nutzung unterschiedlicher Rohstoffe bei der Produktion der Speichermedien, wodurch bei zunehmendem Ausbau Lieferengpässe vermieden werden können.

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