Hybride Speicher

Hybride Energiespeicher kombinieren die Vorteile verschiedener Speichertechnologien, sodass der Gesamtnutzen des hybriden Systems im Vergleich zu den Einzelspeichern erhöht wird. Wegen des vergleichsweise geringen Energieinhalts von kinetischen Energiespeichern ist die Kombination mit elektrochemischen Energiespeichern zur Erreichung einer höheren Gesamtkapazität vorteilhaft.

In diesem kombinierten System spielt der kinetische Energiespeicher die Rolle des kurzfristigen Energiespeichers, während der elektrochemische Speicher die Rolle des langfristigen Energiespeichers einnimmt. Für den elektrochemischen Energiespeicher ergeben sich daraus Vorteile hinsichtlich der Lebensdauer und der Dimensionierung, da potenziell schädliche Lastanteile über den kinetischen Energiespeicher abgedeckt werden. Dieser weist wiederum eine um ein Vielfaches höhere Zyklenfestigkeit auf.

Verschaltung Hybridsystem
Verschaltung Hybridsystem

Essentiell für den effizienten Einsatz von hybriden Energiespeichern sind geeignete Betriebsstrategien, die u.a. die Lastaufteilung zwischen den Speichern dynamisch festlegen. Das IMS setzt frequenzabhängige und regelbasierte Betriebsstrategien für hybride Energiespeicher ein. Betriebsstrategien, die auf nicht-linearer Optimierung und anschließendem Training eines neuronalen Netzes basieren, werden ebenfalls untersucht. Die angewandte Optimierung hat das Ziel, die Energieverluste und die Alterung des hybriden Energiespeichers zu minimieren.

Alterungskurven
Alterungskurven

Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen von hybriden Energiespeichersystemen ist ebenfalls ein Forschungsthema am IMS. Unabhängig von der Betriebsstrategie besitzt der hybride Energiespeicher das Potenzial, die zyklische Alterung der Batterie durch das Zuschalten des kinetischen Energiespeichers zu verringern. Die Alterung der Lithium-Ionen-Zellen wird durch geeignete Alterungsmodelle abgeschätzt, die zwischen der zyklischen und der kalendarischen Alterung unterscheiden. Der hybride Energiespeicher zeigt Vorteile für Anwendungen, die neben gleichmäßigen auch hochdynamischen Leistungsanteile aufweisen. Durch die höhere Gesamtleistung des Systems in Verbindung mit der geringeren Alterung kann der finanzielle Aufwand für den kinetischen Energiespeicher begründet werden. Anwendungen wie Primärregelleistung und „Peak Shaving“ im industriellen Umfeld bestätigen das Potential des hybriden Systems.

Neben stationären Anwendungen sind hybride Energiespeicher auch in andere Sektoren von Interesse. Mobilität hat einen großen Anteil am heutigen Energieverbrauch und zugleich an den Treibhausgasemissionen. Durch die Elektrifizierung der Fahrzeugflotte wird eine Reduktion der Treibhausgasemissionen angestrebt. Der Einsatz von Lithium-Ionen-Zellen als Energiequelle für elektrifizierte Kraftfahrzeuge gewinnt heute zunehmend an Bedeutung. Jedoch stellen die Alterungseffekte der Lithium-Ionen-Zellen heute noch eine große Herausforderung dar. Fahrprofile von Nutzfahrzeugen, wie z. B. von Elektrobussen oder Entsorgungsfahrzeuge, die täglich im Minutenbereich zwischen den verschiedenen Haltestellen pendeln, belasten nachweislich die Lithium-Ionen-Batterien. Der Einsatz eines kinetischen Energiespeichers als zusätzlicher Speicher entlastet die Batterie von intensiven Lade- und Entladezyklen und erhöht demzufolge ihre Lebensdauer. Gleichzeitig spielt das dafür notwenige Zusatzgewicht in den genannten Fahrzeugen eine untergeordnete Rolle.

Zwei hybride Energiespeichersysteme wurden bisher am IMS aufgebaut und experimentell erprobt. Der Hybridspeicher ETA wurde im Rahmen des öffentliche geförderten Projektes PHI-Factory entwickelt und dient sowohl der Steigerung der Energiequalität des Reallabors ETA-Fabrik als auch zur Stabilisierung des Stromnetzes. Dieses hybride System umfasst einen kinetischen Energiespeicher mit einer Kapazität von 1,4 kWh und einer elektrischen Leistung von 120 kW sowie eine Lithium-Ionen-Batterie mit einer Kapazität von 122 kWh und einer elektrischen Leistung von 120 kW.

Der Hybridspeicher SWIVT wurde im Rahmen der Projekte SWIVT I und SWIVT II entwickelt, die sich mit der energetischen Vollsanierung einer Bestandssiedlung im städtischen Umfeld befassen. Durch die Zwischenspeicherung von Energie können Siedlungen ihre Energiekosten reduzieren und zusätzlich wertvolle Netzdienstleistungen bereitstellen. Das hybride System für die Siedlung verfügt über einen kinetische Energiespeicher mit einer Kapazität von 2,4 kWh und einer elektrischen Leistung von 100 kW sowie eine Lithium-Ionen-Batterie mit einer Kapazität von 49 kWh und einer elektrischen Leistung von 30 kW.

KI4ETA – Künstliche Intelligenz für Energie-technologien und Anwendungen in der Produktion

SWIVT II – Umsetzungsphase zu Siedlungsbausteine für bestehende Wohnquartiere – Impulse zur Vernetzung energieeffizienter Technologien

STEPS – STorage of Energy & Power Systems

SWIVT I – Konzeptionierung einer energetischen Sanierung einer Bestandssiedlung

PHI Factory – Netzadaptive Fabriknetzführung im Hinblick auf die Wechselwirkungen mit dem öffentlichen Verteilnetz und innerhalb des Industrienetzes