Fraunhofer ISE testet hybrides Energiespeichersystem

Mit der Umsetzung der Energiewende steigt der Stromanteil aus fluktuierenden erneuerbaren Quellen wie Wind und Sonne. Dies erfordert den Ausbau von Stromspeicherkapazitäten sowie ein flexibel reagierendes Energiemanagement. 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-Autonomie 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.

40 Heim-Speicher, fünf Gewerbespeicher, ein thermischer Speicher sowie ein hybrider Energiespeicher sind in das Mittelspannungsnetz integriert. Neben der 500 kWh Lithium-Ionen-Batterie ist eine der wichtigsten Komponenten im System der am Fraunhofer ISE entwickelte Batteriewechselrichter. Dieser hat eine Gesamtleistung von einem Megawatt und besteht aus hochkompakten und besonders dynamischen Untereinheiten mit einer Leistung von je 125 kW. Dadurch lassen sich alle beliebigen Systemgrößen bis in den Multi-Megawatt-Bereich realisieren. Zusätzlich zur Lithium-Ionen-Batterie wird über eine weitere Leistungselektronik ein Superkondensator als Kurzzeitspeicher eingebunden. Dieser federt Leistungsspitzen ab und verlängert damit die Lebensdauer der Batterie.

Hochkompakter, reaktionsschneller und modularer Wechselrichter

"Der vom Fraunhofer ISE entwickelte Wechselrichter kann durch eine deutlich erhöhte Schaltfrequenz schneller auf Schwankungen im Stromnetz reagieren als kommerziell erhältliche Geräte und eignet sich daher 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 200 cm realisiert und ist damit um den Faktor zwei bis vier kleiner als aktuell verfügbare Vergleichsgeräte", erklärt Stefan Schönberger, Teamleiter am Fraunhofer ISE. 

Möglich wurde dies durch den Einsatz modernster Siliciumkarbid-Halbleiter sowie durch einen optimieren Aufbau von Leiterkarten, Filterelementen sowie verschiedenen Kühlmethoden. 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.