Reallabor erforscht Energiespeichersysteme

Das Projekt Living Lab Energy Campus (LLEC) am Forschungszentrum Jülich (FZJ) arbeitet seit Anfang 2019 an der Entwicklung von hochintegrierten Energieversorgungssystemen in den Bereichen Wärme, Strom, chemische Energiespeicher und Mobilität. Ziel des Projektes ist die Schaffung eines intelligenten Energiesystems, das nachhaltig und wirtschaftlich ist und zudem einen hohen Benutzerkomfort bietet.

Auf dem Campus des FZJ wird dafür ein Reallabor geschaffen, in dem die Systembausteine und ihr Zusammenwirken erprobt werden. Zu diesen Komponenten gehört neben Photovoltaikanlagen, Blockheizkraftwerken und Wasserstofftechnologien auch ein Batteriesystem der Riello Power Systems GmbH, das in Kooperation mit der be.storaged GmbH realisiert wurde.

Das HBS-HE-System (Hybrid Battery Storage bzw. Vorgängerversion Sirio Power Supply SPS-HE) hat eine Kapazität von 525 kWh sowie eine Gesamtleistung von 1.500 kW und versorgt angeschlossene Gebäude redundant unterbrechungsfrei mit Strom. Zusätzlich wird es zum Lastspitzenausgleich im Versorgungssystem und zur Netzstützung verwendet. Dafür steht netzparallel 1 MW des Speichers bereit.

Im Rahmen des LLEC-Projekts wird die HBS dazu genutzt, Leistung und Lebensdauer von integrierten Speichertechnologien in dezentralen Energiesystemen unter realen Betriebsbedingungen zu erforschen. So ist beispielsweise geplant, Ladestationen für E-Fahrzeuge anzuschließen.

Um möglichst viele Szenarien abbilden zu können, umfasst das Projekt Demonstratoren (d.h. Beispielaufbauten moderner Energieversorgungssysteme) aus verschiedenen Bereichen, darunter Lösungen zur Abwärmenutzung eines Supercomputers, Photovoltaiksysteme und Wasserstofftechnologien sowie eine Kleinwindenergieanlage.

Auch zwei Batteriespeichersysteme werden installiert, die sich hinsichtlich Speicherkapazität und Leistung deutlich voneinander unterscheiden: ein Hochenergie-Batteriesystem mit 2.600 kWh Kapazität und 595 kW Leistung sowie ein Hochleistungssystem mit 525 kWh und 1.500 kW. Bei dem Hochleistungssystem hat be.storaged zusammen mit Riello eine Lösung konzipiert, die ein äußerst flexibles Energiespeichersystem mit einer Anlage zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) kombiniert. Dabei handelt es sich um die HBS (Hybrid Battery Storage) der Riello Power Systems GmbH. Diese Lösung erfüllt vollumfänglich die hohen Sicherheits- sowie Leistungsanforderungen des Standortes und wurde durch die Engineering-Teams beider Unternehmen entwickelt und umgesetzt.

High-Power-Battery als hochsichere 2-Container-Lösung

Das System besteht aus zwei Containern, von denen der größere das Stromverteilungssystem, die Steuereinheiten und die Leistungselektronik enthält. „Letztere besteht auf Wunsch der Projektverantwortlichen des LLEC aus drei Hybrid-USV-Speichereinheiten mit jeweils 500 kW, die eine Hauptschaltanlage mit Anschluss für 2.000 A rückspeisen können. Dies erlaubt den Wissenschaftlern, Teilsysteme zu wissenschaftlichen Zwecken netzparallel zu nutzen, individuell anzusteuern und gleichzeitig die Versorgungssicherheit des angeschlossenen Gebäudes redundant und unterbrechungsfrei sicherzustellen“, so Dipl.-Ing. (FH) Volker Andreas Liebenhagen, Head of Hybrid e-Storage bei Riello Power Systems. Für eine besonders effiziente Kühlung ist im Schaltanlagen-Container eine Freikühlung mit Filtersystem verbaut, ein Schalldämpfersystem sorgt zudem für einen leisen Betrieb.

Aufgrund der hohen Brandschutzauflagen des FZJ wurde die eigentliche Batterie in einem zweiten, kleineren Container untergebracht. Riello setzt eine Hochleistungsbatterie des japanischen Herstellers GS Yuasa ein, die sich durch eine Entladeleistung von 6 C und eine Beladeleistung von 2,6 C auszeichnet.

Nach 11.000 Vollzyklen mit 100% Entladetiefe bei einer konstanten Temperatur von 20 °C weisen die Module noch eine Restkapazität von 70% auf. „Diese langsame Alterung ist ein Qualitätsmerkmal der Batterie und ein wesentlicher Grund, warum Riello in seinen Speichern GS-Yuasa-Module einsetzt“, erläutert Liebenhagen, der das LLEC-Projekt bei Riello betreut. „Ähnliche Batterien erreichen bei gleicher Entladetiefe und Restkapazität nur 3.500 bis 4.000 Ladezyklen.“

Um einen Degradationsprozess der Batterie durch Temperaturen über 20 °C zu verhindern, befindet sich in diesem Container zudem eine aktive Klimatisierung. „Das System ist zwingend erforderlich, da durch die Hochleistungsentladung relativ hohe Wärmeeinträge in den Container erfolgen“, erklärt Liebenhagen. „Bei einer abgerufenen Leistung von 1,5 MW ist in der Entladezeit mit einer Verlustleistung von bis zu 30 kW zu rechnen.“

Brandschutz

Die Batterie ist vollständig brandschutztechnisch verschlossen, so dass die Anforderung des FZJ von 30 min Brandwiderstand von innen erfüllt wird. Zudem gibt es eine Früherkennung mit Rauchgasansaugsystem und Punktmeldeanlage. „Das Rauchansaugsystem reagiert auf kleinste Pyrolyseprodukte und gibt eine Warnung aus“, erläutert Liebenhagen. „Wird der Speicher nicht heruntergefahren oder untersucht und die Punktmelder registrieren weiterhin eine thermische Entwicklung oder Rauch, löst das System selbsttätig die Argonlöschanlage aus.“ Der gesamte Innenraum wird in der Folge unter Schutzgas genommen. Gleichzeitig schaltet sich die Batterieladung automatisch ab.

USV und Peak Shaving

Die hochsichere HBS erfüllt im Rahmen des LLEC-Projekts zwei wesentliche Aufgaben: Zum einen wird sie zur unterbrechungsfreien Stromversorgung eingesetzt. Bei der USV-Anlage der Hybrid Battery Storage handelt es sich um eine Doppelwandler-USV, die nach DIN EN 62040 geprüft ist. Sie ist so konstruiert, dass es zu keiner Zeit zu einer Unterbrechung des Stroms für die angeschlossenen Verbraucher kommt: Der von Riello verbaute Wechselrichter verfügt über eine hohe Überlast- und Kurzschlussfähigkeit und ermöglicht für die Verbraucher so ein absolut stabiles Netz. „Die Steuerung ist parallel redundant aufgebaut, so dass mit der Anlage theoretisch 1 MW n+1-redundant versorgt werden könnte“, so Liebenhagen. „Da das FZJ aktuell aber nur 250 kW USV-Leistung abrufen möchte, ist sogar eine n+2-Redundanz möglich.“

Zum anderen wird das Batteriesystem zum so genannten Peak Shaving verwendet. Ziel ist es, die aus dem Energienetz bezogene Leistung zu reduzieren, indem kurzzeitig elektrische Energie aus der Batterie in das virtuelle LLEC-Netz eingespeist wird.

Live-Daten und Langzeitbeobachtungen

Die Steuerung der HBS kann optional über das Riello Energy Management System (EMS) erfolgen. Hier können die Daten aller Leistungseinheiten, Batteriemodule und Leistungsmessgeräte gesammelt und aufbereitet werden. Auf dieser Basis könnten die Forschenden entscheiden, welche Lastprofile zu fahren sind.

Im Rahmen des LLEC-Projektes wird das Batteriesystem darüber hinaus Teil einer übergeordneten Regelungsplattform, mit deren Hilfe neue Algorithmen sektorgekoppelter Anlagen erprobt werden können.

Mit Hilfe der HBS möchte das FZJ Erkenntnisse über die Leistung und Lebensdauer von neuartigen Speichertechnologien in dezentralen Energiesystemen gewinnen. „Es ist geplant, Modelle für diese Batteriesysteme zu entwickeln und so die Betriebsbedingungen zu simulieren“, erklärt Dr. Raijmakers. So soll ein energieoptimierter, kosteneffizienter und sicherer Betrieb des gesamten LLEC-Energiesystems erreicht werden.

Zu diesem Zweck wird im Rahmen eines der geplanten Teilprojekte beispielsweise eine unidirektionale 150-kW-Ladestation an die USV-Seite der Hochleistungsbatterie angeschlossen. Auch eine zweite, bidirektionale 250-kW-Ladestation ist projektiert. Sie wird an die Trafostation angeschlossen und kann auch zur Reduktion von Lastspitzen beitragen. Entsprechende Elektrofahrzeuge für die Forschung sind bereits beschafft.