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LeMoStore: Modulares System kombinierbarer Stromspeicher steigert Flexibilität beim Laden und Entladen

Stromspeicher
Photovoltaik-Module und Stromspeicher im Energy Lab 2.0 am KIT Campus Nord (Bild: Walter Frasch, KIT))

Viele kleine Stromspeicher diverser Bauart werden über einen netzfreundlichen Wechselrichter mit dem Stromnetz verbunden

Verschiedene Stromspeicher-Technologien 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 arbeitet das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mit Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft zusammen. LeMoStore zielt auf eine maximale Lebensdauer der Batteriemodule und eine stabile Stromversorgung mit einem hohen Anteil erneuerbarer Energien. Das Bundeswirtschaftsministerium fördert LeMoStore mit rund 1,7 Mio. Euro.

Der Anteil erneuerbarer Energien am Strom-Mix steigt. Da Sonnen- und Windenergie fluktuieren, das heißt zeit- und wetterbedingt schwanken, bedarf es leistungsfähiger Stromspeicher 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 hingegen 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 Germany GmbH und > BATEMO GmbH als Partnern sowie mit den Unternehmen > HBK – Hottinger Brüel & Kjær GmbH, > Linde Material Handling GmbH, > KION Battery Systems GmbH (KBS) und > Mainsite GmbH & Co. KG als assoziierten Partnern zusammen. Das Projekt startete am 1. Juni 2021 und ist auf drei Jahre angelegt. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) fördert LeMoStore mit rund 1,7 Mio. Euro.

Stromspeicher

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

„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. Die in die MMC-Zellen integrierten Batteriemodule sind Kern der Forschungsarbeiten im Labor für Leistungselektronik und elektrische Maschinen der TH AB. Durch die Verschaltung und Regelung der PESB kann das Umrichtersystem mit hoher Effizienz Gleich- in Wechselstrom wandeln und umgekehrt. Gleichzeitig lassen Leistungsaufnahme und -abgabe der einzelnen Batteriemodule präzise kontrollieren. So können auch gebrauchte Batteriemodule (beispielsweise aus Elektrofahrzeugen) eingesetzt werden, ohne dass die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems reduziert werden muss. Forschende am Campus Süd und am Campus Nord des KIT entwickeln dafür gemeinsam die Regelung sowie ein optimiertes Energiemanagement. Die BMZ Germany GmbH ist für die Auswahl, Prüfung und Dimensionierung der chemischen Speicherzelle für das Batteriemodul verantwortlich. Die Firma BATEMO GmbH entwickelt ein Batteriemodell, das den aktuellen Ladezustand und die zunehmende Alterung der Batterien berücksichtigt, um das Gesamtsystem möglichst wirtschaftlich zu betreiben. Zur Optimierung dieser wirtschaftlichen Betriebsführung von modernen Energiespeichersystemen für den industriellen Einsatz sind im Konsortium die Firmen Linde Material Handling GmbH, KION Battery Systems GmbH (KBS) und Mainsite GmbH & Co. KG vertreten.

Demonstrator 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. Mithilfe 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. Die dazu notwendige präzise und hochdynamische Messtechnik wird vom Partner HBK – Hottinger Brüel & Kjær GmbH 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 zum Projekt: www.lemostore.de
Weitere Informationen zum Energy Lab 2.0: www.elab2.kit.edu

Über das KIT
Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 9 600 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 23 300 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenz-Universitäten.
www.energie.kit.edu

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