Optimierte Großspeicher für Energiesystem der Zukunft

KIT entwickelt kostengünstige und massentaugliche Energiespeichersysteme für ein flexibles Stromnetz

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. Eine KIT-Pressemeldung vom 27.11.2019 hat dazu nähere Details.

Bei einer zunehmend dezentralen und schwankenden Energieerzeugung durch erneuerbare Energien sei der Aufbau von Speicherkapazitäten zur Netzstabilisierung eine zentrale Herausforderung. Mit den seriennahen Prototypen zweier Energiespeichersysteme samt optimiertem Steuersystem demonstriere das KIT dafür seriennahe Standardlösungen: Im Energy Lab 2.0 – einer großskaligen Energieforschungsinfrastruktur am KIT – seien ein neuer Lithium-Ionen-Speicher sowie ein neuer Redox-Flow-Speicher in Betrieb genommen worden.

„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.“

Dynamisch: Lithium-Ionen-Batteriespeicher im Energy Lab 2.0

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

Das neue Speichersystem liefere 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 sei, dass neben Kühlwasser aus Erdsonden auch die Betonhülle zur passiven Kühlung eingesetzt werde. Durch ein teilweises Versenken im Boden werde der Platzbedarf des Batteriespeichers reduziert. Neben der Effizienz sei außerdem die Sicherheit des Lithium-Ionen-Batteriespeichers ein Schwerpunkt bei der Entwicklung gewesen. Ein ansprechendes Design und geringe Geräuschemissionen ermöglichten zudem eine höhere Akzeptanz als Quartierspeicher in Wohngebieten, erklärt Mast.

Der neue Lithium-Ionen-Batteriespeicher im Energy Lab 2.0 eignet sich als Quartiersspeicher zur lokalen Netzstabilisierung – Foto © Amadeus Bramsiepe, KIT

Skalierbar: Redox-Flow-Batteriespeicher im Energy Lab 2.0

Neben der Frequenzstabilisierung würden 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 eigneten sich Redox-Flow-Batterien, die elektrische Energie in flüssigen chemischen Verbindungen speicherten, meist auf Basis von Vanadiumoxiden. Während Lithium-Ionen-Speicher innerhalb von Sekundenbruchteilen ausgleichende Energie liefern könnten, seien Redox-Flow-Speicher je nach Betriebszustand weniger dynamisch, da mechanische Pumpsysteme zum Einsatz kämen. Richtig eingesetzt hätten Redox-Flow-Speicher aber entscheidende Vorteile: Speichergröße und Leistung könnten unabhängig voneinander und fast beliebig skaliert werden. Zudem sei die Redox-Flow-Batterie nicht brennbar, erläutern die Wissenschaftler vom KIT.

Im Energy Lab 2.0 sei nun ein Vanadium-Redox-Flow-Batteriespeicher mit 0,8 Megawattstunden Energie und einer Leistung von 200 Kilowatt installiert worden. Mit der übergeordneten Steuerung könne dieser mit dem Lithium-Ionen-Speicher zu einem Hybridspeicher kombiniert werden. Ziel hierbei sei eine Speicherlösung, welche die Vorteile der beiden Technologien vereine. 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.

->Quelle:  Karlsruher Institut für Technologie/kit.edu/kit/pi_2019_155_optimierte-grossspeicher-fur-das-energiesystem-der-zukunft