Modulares System steigert Flexibilität

In dem neu gestarteten Verbundvorhaben  „Lebensdaueroptimierte Integration modularer Energiespeicher in Stromnetze“, kurz LeMoStore, 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 Millionen Euro. Am Strommix steigt der Anteil erneuerbarer Energien. Um eine stabile Versorgung zu gewährleisten, bedarf es leistungsfähiger Energiespeicher im öffentlichen Stromnetz, da Sonnen- und Windenergie fluktuieren, das heißt zeit- und wetterbedingt schwanken.

LeMoStore verfolgt neuen Ansatz

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. Das Forschungsprojekt LeMoStore verfolgt hingegen einen neuen Ansatz: 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 Millionen Euro.

MMC-Zellen integrierte bilden Batteriemodule Kern der Forschungsarbeiten

„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 sich die gewünschte Leistungsaufnahme und -abgabe der einzelnen Batteriemodule präzise kontrollieren. So lassen sich auch gebrauchte Batteriemodule (beispielsweise aus Elektrofahrzeugen) einsetzen, 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.