Frequenzstabilisierungsmodul für die Energiewende mit Lithiumakkumulatoren

Presseinformation / 1.4.2019

Eine der Herausforderungen der Energiewende in Deutschland besteht darin, das Stromnetz mit seiner Frequenz von 50 Hz und seiner Spannung von 230 Volt zu jeder Zeit stabil zu halten. Denn nicht nur der schwankende Verbrauch wirkt sich auf die Netzstabilität aus, sondern auch die nicht genau vorhersehbare Erzeugung von elektrischer Energie, etwa beim Einsatz von Windkraftanlagen. Aus diesem Grund hat das Fraunhofer ISIT für die Stromnetz-Stabilisierung ein Energiespeichersystem auf der Basis von Lithium-Akkumulatoren entwickelt und präsentiert es auf der Hannover Messe 2019.

Lithium-Polymer-Akkumulatorzellen für Hochleistungsanwendungen

Hochleistungs-Batteriysystem

Dieses System kann Schwankungen im Stromnetz hinsichtlich Spannung und Frequenz kurzfristig ausgleichen. Das ISIT-Energiespeichersystem reagiert schnell, ist leistungsfähig und langlebig. Es besteht aus extrem robusten Lithium-Akkumulatorzellen, die zu Modulen verschaltet werden. Je nach Einsatzgebiet ist die Zahl der Module im System unterschiedlich. Sie sind mit einer hochdynamischen und effizienten Leistungselektronik kombiniert.

Die ISIT-Forscher haben sowohl die Hochleistungsakkumulatoren als auch die benötigte Elektronik und ein Regelungskonzept entwickelt. Bei der Realisierung der Akkumulator-Zellen ging es vor allem darum, geeignete Materialien auszuwählen und neue Verarbeitungsprozesse zu entwickeln, die eine hohe Lebensdauer und Sicherheit gewährleisten und gleichzeitig das Potenzial für eine sehr gute Belastbarkeit bieten. Elektrochemische Speicher mit Lithiumtitanat als Anodenmaterial und Lithiummanganoxid als Kathodenmaterial entsprechen den genannten Anforderungen. In den Zellen verwendeten die Wissenschaftler am Fraunhofer ISIT einen eigens entwickelten Separator.

Das Ergebnis sind Akkumulatoren im Bereich von 3 bis 30 kWh. Sie können innerhalb von einer Minute ihre volle Kapazität bereitstellen und es dauert nur drei Minuten bis sie wieder vollständig geladen sind. Sie haben eine Lebensdauer von etwa 20 Jahren.

Der zweite Entwicklungsschwerpunkt war die Batterieelektronik. Die Forscher am ISIT entwickelten ein spezielles Konzept für das Batteriemanagement. Es bietet selbstverständlich die üblichen Features eines solchen Systems, wie eine sehr genaue Messung der Zellspannungen, besitzt einen Kurzschluss- und Überlastschutz und überwacht die Zelltemperatur. Darüber hinaus sorgt die Elektronik dafür, dass die Ladezustände der einzelnen Zellen des Systems während des Betriebes nicht allmählich auseinander driften.

Für den Ausgleich zwischen den Modulen haben sich die Forscher am ISIT eine neue effektivere Methode der Energieverteilung ausgedacht: Statt Energie zwischen den Modulen zu verschieben überbrückt die Elektronik bei Bedarf ganze Module. Dieses Verfahren bringt gleich mehrere Vorteile: Unterschiedliche Ladezustände der einzelnen Module werden sehr schnell und verlustarm ausgeglichen. Zudem ist die Hochvoltbatterie bei abgeschalteter Elektronik vollständig spannungslos. Dies verringert das Gefährdungspotential bei Servicearbeiten und insbesondere auch bei Unfällen.

Dabei ist die Elektronikeinheit so aufgebaut, dass sie ohne aktive Kühlung betrieben werden kann. Das Speichersystem wurde mit einem Regler komplettiert, der kurzfristige Frequenzschwankungen ausgleichen kann. Der Einsatz des Reglers im Netz bewirkt geringere Frequenzabweichungen als ein konventionelles System mit gleicher Nennleistung.

„Mit den am Fraunhofer ISIT entwickelten Speichersystemen können Betreiber von Windkraftanlagen und Solarparks in Zukunft nicht nur am Strommarkt zur Bereitstellung von Grundlast auftreten, sondern auch die viel lukrativeren Systemdienstleistungen anbieten, welche die Spannung und Frequenz des Stromnetzes innerhalb zulässiger Grenzen halten“, erläutert Dr. Andreas Würsig, Leiter der Arbeitsgruppe Batteriesysteme für Spezialanwendungen am Fraunhofer ISIT.