Optimierte Großspeicher für das Energiesystem der Zukunft

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 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein optimiertes Steuersystem.

Bei einer zunehmend dezentralen und schwankenden Energieerzeugung durch
erneuerbare Energien ist der Aufbau von Speicherkapazitäten zur Netzstabilisierung
eine zentrale Herausforderung. Mit den seriennahen Prototypen zweier
Energiespeichersysteme samt optimiertem Steuersystem demonstriert das KIT dafür
seriennahe Standardlösungen: Im Energy Lab 2.0 – einer großskaligen
Energieforschungsinfrastruktur am KIT – wurden ein neuer Lithium-Ionen-Speicher
sowie ein neuer Redox-Flow-Speicher in Betrieb genommen. „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 eignen sich vor allem für eine kurze, dynamische
Leistungsbereitstellung. Schon heute leisten sie einen wichtigen Beitrag zur
Netzstabilität. Allerdings sind Batteriespeichersysteme auf Basis von
Lithium-Ionen-Technologie mit hohen Kosten verbunden. Neben den
Investitionskosten spielen dabei auch die Betriebskosten eine wesentliche
Rolle. Mit dem neuen Lithium-Ionen-Großspeicher im Energy Lab 2.0 verfügt das
KIT nun über eine Lösung mit besonders niedrigen Betriebs- und Wartungskosten.

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

Skalierbar: Redox-Flow-Batteriespeicher im Energy Lab 2.0

Neben der Frequenzstabilisierung werden 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 eignen sich Redox-Flow-Batterien, die elektrische Energie in
flüssigen chemischen Verbindungen speichern, meist auf Basis von
Vanadiumoxiden. Während Lithium-Ionen-Speicher innerhalb von
Sekundenbruchteilen ausgleichende Energie liefern können, sind Redox-Flow-Speicher
je nach Betriebszustand weniger dynamisch, da mechanische Pumpsysteme zum
Einsatz kommen. Richtig eingesetzt haben Redox-Flow-Speicher aber entscheidende
Vorteile: Speichergröße und Leistung können unabhängig voneinander und fast
beliebig skaliert werden. Zudem ist die Redox-Flow-Batterie nicht brennbar.

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

www.energie.kit.edu

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