Batteriespeicherlabor

Microgrid- und Energiespeicherlabor

Mit dem Projekt Microgrid- und Energiespeicherlabor ENGiNe wird der Aufbau einer Versuchsanlage verfolgt, welche alle Bereiche einer dezentralen regenerativen Energieversorgung in der Niederspannung integriert. Die Umsetzung erfolgt dabei mit realen Betriebsmitteln, ergänzt durch simulative Komponenten.

Erforscht wird dabei das Zusammenwirken der Einzelkomponenten (Einspeisung, Speicher, Last) in verschiedenen Konstellationen zur Netzdienlichkeit, zur Erhöhung des Eigenverbrauchs unabhängig von politischen Rahmenbedingungen oder auch zur Teilnahme am Regelenergiemarkt. Sowie die Stabilität und Regelung von Mikronetzen im Verbundbetrieb und im Inselnetz. Aufgebaut ist das Microgrid- und Energiespeicherlabor am Energiecampus Nürnberg AufAEG.

Konzept und Ausstattung des Mikronetz- und Energiespeicherlabors ENGiNe

 

Als regenerative Einspeisung wurde Ende 2017 eine Photovoltaikanlage mit einer Nennleistung von 17,42 kWp auf den Dachflächen des Gebäudes installiert.

Das Microgrid- und Energiespeicherlabor integriert unterschiedliche Energiespeicher zu einem hybriden Speichersystem. Unter anderem ist ein Lithium-Ionen Batteriespeichersystem mit einer Nennleistung von 20 kW und einer Netto-Speicherkapazität von 22 kWh installiert. Bleibasierte Batteriespeicher stellen dagegen eine kostengünstige und robuste Form der Energiespeicherung dar. Die geringere spezifische Energiedichte im Vergleich zu Lithium-basierten Systemen ist bei stationären Speichern von untergeordneter Bedeutung. Nachteile von Bleispeichern sind die relativ hohe Selbstentladerate, ein geringerer Wirkungsgrad und eine geringere Zyklenfestigkeit. Das im Speicherlabor ENGiNe integrierte Blei-Batteriespeichersystem besteht aus vier Blei-Gel-Batterien mit je sieben Zellen und einer Gesamtnennleistung von insgesamt 4,6 kW und einer Netto-Speicherkapazität von 4 kWh. Des Weiteren wurde ein neuartiges Redox-Flow-Batteriespeichersystem auf Vanadium-Basis mit einer Nennleistung von 5 kW und einer Netto-Speicherkapazität von 15 kWh installiert. Die Redox-Flow Technologie zählt zu den elektrochemischen Energiespeichern. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterietechnologien lassen sich Leistung und speicherbare Energiemenge unabhängig voneinander skalieren und somit den individuellen Anforderungen anpassen.

Als sichere Betriebsumgebung für die Batteriespeicher wurde ein Brandschutzcontainer angeschafft.

Zur Steuerung des Mikronetzes wird eine integrierte Netzsteuerungslösung aufgebaut. Dieser Microgrid-Controller übernimmt die optimale Balance und Steuerung aller Anlagenbestandteile.

Forschungskonzept und Inhalte

Das Mikronetz und Energiespeicherlabor ENGiNe dient der Erforschung hybrider Speichersysteme in Verbindung mit der Nutzung von Photovoltaik. Das Laborkonzept eröffnet ein breites Spektrum für Untersuchungen zur Integration regenerativer Energiesysteme:

  • Integration erneuerbarer Energien und Speicher im Niederspannungsnetz
  • Netzverhalten und Wechselwirkungen unterschiedlicher Speichertypen (Hybridspeichersysteme)
  • Analyse und Modellierung verschiedener Kleinspeichersysteme
  • Optimierung von Ladestrategien hinsichtlich Eigenverbrauch und Netzdienlichkeit
  • Erbringung von Regelleistung durch dezentrale Speicher
  • Regelung und Verhalten netzgekoppelter Mikronetze und Inselnetze
  • Testen von Netzsteuerungssystemen und Controller-Hardware mit Hilfe von in Echtzeit simulierten Netzstrukturen und Betriebsmitteln (Control-Harware-in-the-Loop)
  • Testen neuartiger Betriebsmittel (z.B. Speicher, regenerative Energiesysteme) an frei programmierbaren und in Echtzeit simulierten Netzstrukturen
  • Weitere Echtzeitanwendungen in unserem Echtzeitlabor

Aufbau des Labors

2016 – Beginn der Planungen

Die Planung für das Speicherlabor erfolgte zuerst nur mit zwei Speichersystemen und einer kleineren Photovoltaikanlage

2017 – Inbetriebnahme der drei Speichersyteme

Durch die Installation des Branschutzcontainers können die Speichersyteme nun sicher in Betrieb genommen werden.

2018 – Inbetriebnahme der Photovoltaikanlage

Im Mai 2018 konnte die Photovoltikanlage mit einer Leistung von 17 kWp in Betrieb genommen werden und speist seither das Labor-Mikronetz.

2019 – Integration der Echtzeitsimulation

Ein umfangreicher Ausbau des Labors ebnet den Weg für die Integration eines Hardware-In-the-Loop Echtzeitsimulators zur simulativen Ergänzung des Testaufbaus um weitere Speicher, Einspeiser oder als Netzsimulator.

 

Echtzeitsimulation als flexible Untersuchungsmöglichkeit für Mikronetzanwendungen

Im vergangenen Jahr wurde der Laboraufbau um ein Echtzeitsimulationssystem des kanadischen Herstellers RTDS Technologies Inc. ergänzt (Pressemeldung von RTDS Technologies Inc.). Der LEES verfügt somit aktuell über das europaweit leistungsstärkste RTDS-Echtzeitsystem im akademischen Umfeld. Dieses System bietet die Möglichkeit, dem realen Mikronetz simulative Anlagenkomponenten hinzuzufügen oder, als Netzsimulator fungierend, ganze Verteilnetzstrukturen detailliert und realitätsgenau abzubilden und Betriebssituationen zu testen, die im realen Netz nur unvorhersehbar eintreten. Als Schnittstelle zwischen der Echtzeitsimulation und dem realen Labornetz dient ein hochdynamischer, bidirektionaler Leistungsumrichter mit einer Leistung von 45 kVA. Der Stromrichter wird über eine Kommunikation per Lichtwellenleiter mit dem Echtzeitrechner verbunden, welcher somit in Echtzeit das Verhalten des Modells wiederspiegelt. Über die schnelle Kommunikationsverbindung werden Informationen zu den elektrischen Größen am Anschlusspunkt der virtuellen Komponente nahezu verzögerungsfrei in die Simulation zurückgegeben um wiederum die Parameter des Modells anzupassen. Diese Art der Echtzeitsimulation in Verbindung mit realen Anlagenkomponenten wird auch als Power Hardware in the Loop-(PHiL)-Simulation bezeichnet und sorgt für ein realitätsnahes Verhalten der Simulation. Durch die PHiL-Simulation können weitere Speichersysteme oder regenerative Energieanlagen, wie auch eine Ladesäule für Elektrofahrzeuge, abgebildet und realitätsgetreu in das Mikronetz integriert werden.

Für eine Reihe spannender Forschungstätigkeiten rund um das Mikronetz- und Energiespeicherlabor suchen wir laufend Studierende für HiWi-Tätigkeiten, Abschlussarbeiten oder Forschungspraktika (Kontakt: Simon Resch).

Titel: Unsymmetriekompensation durch Batteriespeicher in Mikronetzen
Autor:  offen
Zeitraum: ab sofort
Betreuer:
Simon Resch (M. Sc.)

Unterstützung im Mikronetz- und Hybridspeicherlabor ENGiNe
Das Aufgabengebiet umfasst u.a.:
  • Praktische Tätigkeiten und Messungen an realen Netzkomponenten und Speichersystemen, Kontakt mit Herstellern, Recherchetätigkeiten, Planung und Auslegung von Laborkomponenten
  • Erweiterung der Mikronetz-Netzsteuerungslösung und Implementieren weiterer, für Mikronetze und Hybridspeicher relevante Funktionalitäten (Bsp. Speichermanagement)
  • Aufbau und Inbetriebnahme eines Power-Hardware-in-the-Loop-Systems zur Einbindung simulativer Anlagenbestandteile an das reale Mikronetz (z.B.: weitere Energiespeicher)

Wünschenswerte Qualifikationen:

  • Selbstständige, sorgfältige und strukturierte Arbeitsweise
  • Kenntnisse in relevanten Programmiersprachen (z.B. Python, MATLAB, C, …)
  • Grundkenntnisse im Bereich der elektrischen Energieversorgung, Erneuerbare Energien und Energiespeicher

Stellenbeschreibung:

  • Voraussichtlicher Einstellungstermin: nach Vereinbarung
  • Mindestarbeitszeit sind 8 h/Woche
  • Die Tätigkeit ist auf eine Mindestdauer von einem Jahr ausgelegt
  • Anschließend (oder bei Bachelorarbeiten auch in Begleitung mit der HiWi-Tätigkeit) besteht die Möglichkeit einer Abschlussarbeit im Themenbereich Mikronetze und Speicher

Bewerbungen sind elektronisch zu richten an:
Simon Resch (M. Sc.)