Speichersysteme für erneuerbare Energien auf dem Prüfstand
Ende 2016 werden mehr als 35 Prozent des Stroms aus regenerativen Energiequellen stammen. Die Flexibilisierung des Energiesystems durch den Einsatz von Speichern wird daher von Wissenschaft und Wirtschaft auf allen Ebenen vorangetrieben. Ein Schwerpunkt ist die Entwicklung von Speicherlösungen für die Hausversorgung auf Basis von Lithium-Ionen-Batterien. Sie sind besonders effizient und langlebig. Allerdings gibt es für diese Batterietechnologie bislang keine ausreichenden Normen und Prüfvorschriften. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE forscht nun in zwei Projekten an diesem für die Akzeptanz und Verbreitung der Technologie wichtigen Aspekt.
Für die künftige Hausversorgung rechnet die Mehrheit der Experten mit neuen Speichertypen, vor allem mit Lithium-Ionen-Batterien. Deren Vorteile gegenüber herkömmlichen Blei-Säure-Batterien sind
- höhere Lebensdauer,
- verbesserte Effizienz,
- größere Leistungsbereitstellung und
- geringerer Platzbedarf.
Stationäre Anwendungen (netzgekoppelt oder netzunabhängig) gewinnen neben der Elektromobilität zunehmend an Bedeutung für den Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien. Dadurch lassen sich Synergieeffekte erschließen, die schnell zu Economy-of-Scale-Effekten führen können, auch wenn sich die Anforderungen für die Speicher in diesen beiden Anwendungen unterscheiden. Dabei ist die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien von zentraler Bedeutung, von verschiedenen Faktoren abhängig und muss je nach Anwendung abgewogen werden. Lokal durch einen Defekt auftretende Hitze wird z. B. schwer abgeleitet und kann daher zur Zerstörung der umgebenden Materialien führen, schlimmstenfalls zum Brand (siehe: solarify.eu/boeing-will-neue-batterien-fur-dreamliner).
Die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien kann auf verschiedene Weise erhöht werden. Grundvoraussetzungen sind hohe Qualität der Zelle und des verwendeten Batteriemanagementsystems sowie effizientes thermisches Management. Das ISE forscht seit vielen Jahren an der Lithium-Ionen-Technologie. „Während Blei-Säure-Batterien als Stromspeicher praxiserprobt sind, müssen sich Lithium-Ionen-Batterien als stationäre Stromspeicher erst noch bewähren und das Vertrauen der Verbraucher gewinnen, denn noch kann nicht auf Langzeiterfahrungen zurückgegriffen werden“, so Matthias Vetter, Abteilungsleiter für PV-Inselanlagen und Batteriesystemtechnik am ISE.
Projekt „SafetyFirst“: sichere netzdienliche Heimspeicher
Im Rahmen eines Forschungsprojekts zum aktuellen Stand von Sicherheit, Qualität und Netzdienlichkeit kommerzieller Heimspeichersysteme arbeitet das ISE unter der Federführung des Karlsruher Instituts für Technologie KIT mit dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung (ZSW) zusammen. Die Wissenschaftler werden im Projekt „SafetyFirst“ nach Analyse der am Markt verfügbaren Heimspeichersysteme für selbsterzeugten Strom Empfehlungen für Hersteller, Normengremien und Behörden ableiten. „Netzdienliche Heimspeichersysteme auf Basis von Lithium-Ionen-Batterien werden immer günstiger und damit attraktiver für den Endverbraucher. Was aber lange Zeit fehlte, waren einheitliche, nachprüfbare Kriterien, um deren Leistungsfähigkeit und Sicherheit zu beurteilen“, so Stephan Lux, Teamleiter am Fraunhofer ISE. „Im Projekt „SafetyFirst“ wollen wir den Sicherheitsleitfaden für Lithium-Ionen Heimspeicher mit kommerziell verfügbaren PV-Heimspeichersystemen rückkoppeln, um zukünftige Normen vorzubereiten“.
Im Projekt werden mehr als zwanzig netzdienliche Heimspeichersysteme in Testständen (Foto) Dauertests unterzogen, welche die tatsächliche Situation im privaten Haushalt nachstellen. Durch spezielle Belastungsprofile ist es möglich, die Sicherheitseigenschaften der Batterien nicht nur im fabrikneuen Zustand, sondern auch in verschiedenen Alterungszuständen zu untersuchen. Hierbei werden Daten über die Sicherheitseigenschaften, die sich verändernden Wirkungsgrade und die zu erwartende Haltbarkeit der Speichersysteme gewonnen. Ergänzend zu den Analysen an ganzen Heimspeichersystemen werden einzelne ausgewählte Lithium-Ionen-Zellen am Fraunhofer ISE und am Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung (ZSW) untersucht. Das Fraunhofer ISE analysiert und bewertet die Alterung der Zellen für mehrere Typen parallel zur Alterung der Gesamtsysteme. Dies soll ermöglichen, in Zukunft durch schnelle Untersuchungen der Speicher Rückschlüsse auf Alterung und Sicherheit zu ziehen. Abgeleitet aus den Ergebnissen im Labor erarbeitet das Forscherteam Empfehlungen, um die Eigenschaften moderner Lithium-Ionen Batterien in Normen, Prüfvorschriften und Förderbedingungen berücksichtigen zu können.
Projekt „SpeiSi“: Sicherheit stationärer Speichersysteme für Solarstrom
Das Fraunhofer ISE arbeitet außerdem an einem vom TÜV Rheinland geleiteten Forschungsprojekt zum Thema Sicherheit und Zuverlässigkeit von PV-Anlagen mit Speichersystemen. Das Projekt „SpeiSi“ untersucht die Sicherheit solcher PV-Speicher, die vor allem zur Erhöhung des Eigenverbrauchs von selbst erzeugtem Strom eingesetzt werden. In Kooperation mit dem TÜV Rheinland, der Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie und dem ZSW werden Schwachstellen beim Handling, der Installation und dem Betrieb analysiert. „Die bestehenden Regeln für stationäre Batterieanlagen berücksichtigen separate Batterieräume in technischen Anlagen mit einer Not- bzw. Ersatzstromversorgung oder Anlagen für die unterbrechungsfreie Stromversorgung“, so Hermann Laukamp vom Fraunhofer ISE. „Die Regeln müssen daher für den zukünftigen breiteren Einsatz stationärer Energiespeicher mit hohem Energiegehalt, wie Lithium-Ionen Batterien, in Privathäusern angepasst werden“, ergänzt Georg Bopp, Teamleiter am Fraunhofer ISE. Darüber hinaus sollen u. a. Kriterien zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit von PV-Speichersystemen entwickelt werden. Damit lassen sich auch Aussagen über die Qualität des Energiemanagements der Systeme treffen.
Laukamp und seine Kollegen untersuchen am Fraunhofer ISE konkret drei Aspekte, die sich auf die Sicherheit von stationären PV-Speichersystemen auswirken können.
- Zum einen wurde bereits eine Studie zu geeigneten Speichertechnologien und deren jeweiligen Gefahrenpotenzialen erstellt.
- Zum anderen wird die Entstehungswahrscheinlichkeit von Lichtbögen im Gesamtsystem und deren Erkennung, oder besser noch deren Vermeidung, untersucht.
- Drittens wird das Langzeitverhalten von Schalt- und Sicherheitselementen bei ausgeprägter zyklischer Belastung untersucht. Speziell möchten die Forscher herausfinden, ob die elektrischen Verbindungsstellen im Lauf der Zeit schwächer werden und dadurch auf Dauer ein Brandrisiko entstehen könnte.
Beide Projekte werden vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) unterstützt.
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