Mit der Energiewende steigt der Anteil von Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind und Sonne. Gleichzeitig wird die Energieversorgung auch dezentraler: Statt einiger weniger großer Kraftwerke speisen nun viele kleine Photovoltaik und Windkraftanlagen Strom ins Netz ein. Das Problem dabei: Die von diesen Anlagen erzeugte Strommenge schwankt, weil Sonne und Wind nicht immer zur Verfügung stehen. Das Stromnetz muss daher sowohl Einspeisungsspitzen als auch Flauten abpuffern können.
Um solche Schwankungen abzufangen, arbeiten Forscher an flexibleren Netzsteuerungen, aber vor allem auch an neuen Stromspeichertechnologien. Denn solche Energiespeicher könnten beispielsweise den Strom aus Offshore-Windanlagen speichern, wenn gerade an Land wenig Bedarf besteht und ihn erst ins Stromnetz einspeisen, wenn die Nachfrage wieder steigt.
Nordseeinsel als Testgebiet
Eine Lösung für solche Stromspeicher haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE gemeinsam mit Partnern entwickelt und testen ihr System nun auf der Nordseeinsel Borkum. Im Rahmen des EU- Projekts “NETfficient” werden dort Lösungen für Energie-Autonomie unter realen Bedingungen getestet, um sie später auf andere Regionen übertragen zu können. Mehrere Energiespeicher sowie Anlagen, die aus erneuerbaren Energien Strom erzeugen, sind dafür in ein Smart Grid eingebunden und werden von einem intelligenten Energie- und Netzmanagementsystem gesteuert.
Der jetzt getestete Energiespeicher ist eine Hybridanlage: Er besteht aus einer Lithium-Ionen-Batterie, die 500 Kilowattstunden Strom speichern kann. Zusätzlich aber umfasst der Speicher einen Superkondensator für kurzzeitige Leistungsanforderungen. Dieser kann Leistungsspitzen abfedern und verlängert damit die Lebensdauer der Batterie. Ein Energiemanagementsystem mit speziell für dieses System entwickelten Algorithmen teil im Feldtest die Leistung zwischen Batterie und Superkondensator auf, wie die Forscher erklären.
Dynamischer Wandler
Ein weiterer entscheidender Bestandteil des Energiespeichersystems ist ein neuartiger modularer Wechselrichter. Er dient dazu, die von der Batterie und den Stromgewinnungsanlagen produzierten Gleichstrom in die für das Stromnetz passende Wechselspannung umzuwandeln. “Der vom Fraunhofer ISE entwickelte 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”, erklärt Stefan Schönberger, Teamleiter am Fraunhofer ISE.
Um die extrem schnellen Schaltgeschwindigkeiten zu ermöglichen und die daraus entstehenden Überspannungen an den Halbleitern klein zu halten, haben die Wissenschaftler den Wechselrichter mit modernsten Siliziumkarbid-Halbleitern und einer speziell dafür optimierten Dickkupferleiterkarte mit Folienkondensatoren ausgerüstet. Für die optimale Kühlung sorgt eine Flüssigkeitskühlung.
Der Clou dabei: Der Wechselrichter besteht aus mehreren Untereinheiten von jeweils 125 Kilowattstunden Leistung. Dieser modulare Aufbau und die Kommunikation zwischen den Modulen sorgen dafür, dass das System besonders schnell und flexibel auf Veränderungen reagieren kann.
