Borkum: Hybrides Energiespeichersystem im Test

Das Fraunhofer ISE hat auf Borkum einen hybriden Energiespeicher aufgebaut. Er besteht aus einer Lithium-Ionen-Batterie sowie einem Superkondensator und ist über einen neuartigen Wechselrichter an das Mittelspannungsnetz gekoppelt. Jetzt werden verschiedene Regelungsansätze getestet.

Im Rahmen des EU-Projekts »NETfficient« wird auf der Nordseeinsel Borkum das Stromverteilnetz mit einem hohen Anteil erneuerbarer Energien und diversen Speichertechnologien ausgestattet. Die im Projekt entwickelten Lösungen für Energieautonomie werden unter realen Bedingungen getestet, um sie später auf andere Regionen übertragen zu können. Die räumlich verteilten Speicher und Erzeugungsanlagen sind in ein Smart Grid eingebunden und werden von einem intelligenten Energie- und Netzmanagementsystem gesteuert. Insgesamt 40 Heimspeicher, fünf Gewerbespeicher, ein thermischer Speicher sowie ein hybrider Energiespeicher sind in das Mittelspannungsnetz integriert.

Hochkompakter, reaktionsschneller und modularer Wechselrichter

Batteriewechselrichter
Bild 1. Batteriewechselrichter, der aufgrund des modularen Aufbaus für Industriespeicher zwischen 125 und 2000 kW eingesetzt werden kann. (Quelle: ISE)

Außer der Lithium-Ionen-Batterie (Kapazität 500 Kilowattstunden) ist eine der wichtigsten Komponenten im System der am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE entwickelte Batteriewechselrichter. Er hat eine Gesamtleistung von 1 Megawatt und besteht aus hochkompakten und besonders dynamischen Untereinheiten mit einer Leistung von je 125 Kilowatt (Bild 1). Mit diesen Untereinheiten lassen sich Systemgrößen von wenigen 100 Kilowatt bis in den Multi-Megawatt-Bereich realisieren. Zusätzlich zur Lithium-Ionen-Batterie wird über eine weitere Leistungselektronik ein Superkondensator als Kurzzeitspeicher eingebunden. Dieser federt Leistungsspitzen ab und verlängert damit die Lebensdauer der Batterie.

Der modulare Wechselrichter kann durch eine deutlich erhöhte Schaltfrequenz schneller auf Schwankungen im Stromnetz reagieren als kommerziell erhältliche Geräte und eignet sich daher als sehr schnelle Primärreserve für die Reduzierung von Spitzenlasten sowie für Eigenverbrauchslösungen im Industriemaßstab. Der Megawatt-Wechselrichter wurde in einem 19”-Rack mit einer Höhe von 200 Zentimeter realisiert und ist damit um den Faktor zwei bis vier kleiner als aktuell zur Verfügung stehende Vergleichsgeräte. Möglich wurde dies durch den Einsatz moderner Siliciumkarbid-Halbleiter sowie durch einen optimierten Aufbau von Leiterkarten, Filterelementen sowie verschiedenen Kühlmethoden (Bild 2).

Leistungsstack
Bild 2. Leistungsstack, bestehend aus einem Flüssigkeitskühler, SiC-MOSFET-Modul, Hochstromplatine und Folienkondensatoren. (Quelle: ISE)

Um die extrem schnellen Schaltgeschwindigkeiten realisieren zu können und die daraus entstehenden Überspannungen an den Halbleitern gering zu halten, wurde eine speziell dafür optimierte Dickkupferleiterkarte realisiert. Hierfür wurden ausschließlich Folienkondensatoren verwendet. Für die optimale Kühlung sorgt hauptsächlich ein Flüssigkeitskühler. Um die Drosseln sowohl kompakt als auch verlustarm zu gestalten, wurde ein hochwertiges Pulverkernmaterial in Tablettenbauform verwendet.

Mit diesen Technologien konnte ein vollwertiger Wechselrichter-Einschub mit einer Leistung von 125 Kilowatt und sämtlichen Schalt- und Schutzelementen in einem 19”-Einschub mit einer Höhe von nur 15 Zentimeter entwickelt werden. Der Einschub hat Steckkontakte für Strom und Kühlflüssigkeit und kann während des Betriebs getauscht werden (Bild 3). Die interne Kommunikation verteilt bei Tausch oder Ausfall eines Einschubs in Sekundenbruchteilen die Master- und Slave-Rollen neu. Damit kann ein robustes und wartungsarmes Gesamtsystem realisiert werden.

Umrichtereinschub
Bild 3. Rückseite des Umrichtereinschubes in Snap-In-Technologie mit Strom- und Flüssigkeitssteckverbindern. (Quelle: ISE)

Energiemanagement: Neuartige Algorithmen im Test

Die Steuerung der Leistungselektronik beruht auf einer neuen, modellbasiert vorausschauenden Regelung. Durch die Messung aller relevanten Ströme und Spannungen im System und die modellbasierte Vorhersage künftiger Zustände kann diese gegenüber den bisher üblichen Stromreglern deutliche Leistungsgewinne erzielen.

Aber nicht nur die Leistungselektronik, sondern auch das Energiemanagement für das hybride Energiespeichersystem stammt vom Fraunhofer ISE. Dabei kommt das am Institut entwickelte Energiemanagement-Software-Framework »OpenMUC« zum Einsatz. Angesichts des modularen Aufbaus und der Vielzahl an Kommunikationsmöglichkeiten wird OpenMUC verwendet, um Batteriespeicher, Superkondensator und Wechselrichter zu steuern und sicherheitsrelevante Parameter zu überwachen.

Mit neuartigen Algorithmen teilt das Energiemanagementsystem im Feldtest die Leistung zwischen Batterie und Superkondensator auf. Im Netzbetrieb ändert sich die Leistungsvorgabe eines Erzeugers typischerweise nur zum viertelstündigen Abrechnungszeitraum. Eine Ergänzung der Batterie mit dem Kurzzeitspeicher Superkondensator zur Verlängerung der Batterielebensdauer ist hier daher nicht sinnvoll. Kurzfristige Leistungsanforderungen treten jedoch bei der schnellen Primärreserve sowie im Einsatz als Inselstromversorgung und auch bei Unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) auf und können naturgemäß nicht vorhergesagt oder geplant werden. Der Einsatz des Superkondensators muss daher anhand der aktuellen Leistungsanforderung abgeleitet werden.

Aufteilung der Leistung zwischen Batterie und Superkondensator
Bild 4. Ansätze zur Aufteilung der Leistung zwischen Batterie und Superkondensator. (Quelle: ISE)

Im einfachsten Fall (Bild 4: SW 1) geschieht dies mit einem einstellbaren Schwellwert. Der Superkondensator wird hier jedoch schon beim ersten Überschreiten des Schwellwertes vollständig be- beziehungsweise entladen. Um den Superkondensator mehrmals aktivieren zu können, wird in den folgenden Fällen (Ansatz SW 2 und SW 3) das Verhalten mit verschiedenen Nachladestrategien ergänzt. Der optimale Schwellwert (SETSC_Support) müsste jedoch je nach Einsatz und Kapazität der Speicher unterschiedlich gewählt werden. Für einen allgemeineren Einsatz wurde in einem weiteren Fall der Leistungssollwert des Gesamtspeichers über einen Tiefpass gefiltert. Die Batterie übernimmt dann die gefilterte »langsame« Leistungsanforderung und der Superkondensator die »schnellen« Leistungsanforderungen, die der Differenz zwischen dem Sollwert und dem gefilterten Wert entsprechen (Ansatz TP 1 in Bild 4). Da Zyklen mit kleiner Leistung und Dauer (Mikrozyklen) nur zu einer geringen Alterung der Batterie führen, wird das Tiefpassverhalten im Ansatz TP 2 erst ab einem Schwellwert aktiviert. Im letzten Ansatz (TP 3) wird die Leistungsaufteilung über einen nach der Leistungshöhe gewichteten Tiefpass ermittelt. Alle drei Tiefpassansätze werden bei geringer Leistung nachgeladen. Welches Verfahren sich für die Anwendung auf der Insel Borkum am besten eignet, wird in dem einjährigen Feldtest ermittelt.

Die mittelfristige Einsatzplanung wird von den Projektpartnern auf Basis einer Erzeugungs- und Verbrauchsvorhersage und durch Einbindung in die Plattform zur Steuerung der verteilten Systeme gewährleistet.

Das im Jahr 2015 gestartete Projekt »NETfficient« läuft vier Jahre und wird im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms »Horizon 2020« der Europäischen Union gefördert.

Autor

Stefan Schönberger,
Teamleiter im Bereich Leistungselektronik, Netze und intelligente Systeme,
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg,
E-Mail: stefan.schoenberger@ise.fraunhofer.de

Gastbeitrag aus ew 6/2018

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