M5Bat

Modularer Multi-Megawatt-multi-Technologie-Mittelspannungsbatteriespeicher

Teilprojekt 1

Entwicklung einer Lithium-Ionen-Batterie, Monitoring und Erstellung eines Designhandbuchs

Laufzeit: 01.07.2013 bis 30.06.2017

Fördersumme: 3.706.065,00 €

Projektvolumen: 3.706.065,00 €
 

ausführende Stelle:

RWTH Aachen – E.ON Energy Research Center - Institute for Power Generation and Storage Systems, Netzintegration und Speichersystemanalyse
Hüttenstr.  5
52068 Aachen

zum Internetauftritt

E.ON Energy Research Center - Institute for Energy Efficient Buildings and Indoor Climate
Mathieustr.  10
52074 Aachen
zum Internetauftritt

Zuwendungsempfänger:

Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

zum Internetauftritt

Fördergeber: BMWi, Referat IIC6

Förderkennzeichen: 03ESP265A

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
EA2312 Elektrochemische Speicher - Lithium-basierte Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Kurzbeschreibung des Teilprojektes

  • Aufbau und Anbindung der unterschiedlichen Batterietechnologien.
  • Entwicklung Leittechnik, welches sowohl das Strangmanagement als auch die Visualierung aller Batterietechnologien beinhaltet.
  • Anaylse von Kosten und Kostensenkungspotenzialen sowie der Netzintegration von Batteriespeicheranlagen.


Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Institute for Power Generation and Storage Systems (PGS) am ERC:

Im Rahmen des M5BAT-Forschungsprojekts wird ein Batterie-Energiespeichersystem (BESS) mit einer Leistung von 5 MW und einer Kapazität von 5 MWh in Aachen errichtet. Die Einzigartigkeit des BESS erschließt sich aus den 5 modular aufgebauten Batterietechnologien Blei (OCSM, OPzV) sowie Lithium-Ionen (LMO/NMC, LFP, LTO), welche sich auf zehn unabhängige Strings aufteilen. Eine der Herausforderungen stellt die flexible Stützung und Stabilisierung des Netzes im Kontext der Energiewende dar. In diesem Bezug sollen unter anderem verschiedenen Vermarktungskonzepte wie Primär- und Sekundärregelleistung erprobt werden. Der praktische Bau des BESS, der Prozess der Anbindung an den Speichervermarkter sowie die Vermarktung selbst wurde in Kooperation mit unserem Projektpartner Uniper erarbeitet und umgesetzt.

Weiterhin ist die Entwicklung und Umsetzung der zentralen Steuereinheit des BESS zur technisch und wirtschaftlich optimalen Nutzung unterschiedlicher parallel betriebener Batterietechnologien eine bedeutende Herausforderung. Die Steuereinheit selbst besteht aus einem Basis-Energiemanagement-System (EMS), welches die Leistungsaufteilung zwischen den einzelnen Batteriesträngen regelbasiert bzw. heuristisch vornimmt, sowie aus einem erweiterten EMS, welches eine bezüglich Gesamtkosten, Alterung und Wirkungsgrad optimierte Leistungsaufteilung entlang der einzelnen Batteriestränge ermöglicht. Dazu gibt es ein Monitoring-System, welches die spätere wissenschaftliche Auswertung des Anlagenbetriebs ermöglicht.

Basierend auf den gewonnenen Betriebsdaten ist eine Bewertung verschiedener Batterietechnologien sowie die Erstellung einer belastbaren Kostenrechnung für stationäre elektrochemische Großspeicher im praktischen Einsatz möglich. Darüber hinaus folgt eine technische Optimierung der Speichertechnologien für die speziellen Anforderungen im Energiemarkt.

Institute for Energy Efficient Buildings and Indoor Climate (EBC) am ERC:

Mit einem zunehmenden Anteil volatiler regenerativer Energiequellen wie Wind- und Solarenergie an der elektrischen Energieversorgung steigen auch die Lastschwankungen, denen das elektrische Stromnetz unterliegt. Um diese Schwankungen in Zukunft auszugleichen und weiterhin die Versorgungssicherheit aufrechtzuerhalten, werden innovative, intelligente und hochflexible Speichersysteme benötigt.

Eine Möglichkeit, um dieses Ziel zu erreichen, ist der Einsatz von Batteriespeicheranlagen. Im M5Bat-Projekt entwickelt und baut die E.ON Energie Deutschland GmbH in Kooperation mit dem E.ON Energy Research Center (ERC), Partnern aus der Industrie und weiteren Instituten der RWTH Aachen einen weltweit einzigartigen hybriden Batteriespeicher mit einer Leistung von fünf Megawatt. Ziel des Projektes ist die Erprobung der Integration verschiedener Batterietypen in einer Batteriespeicheranlage im Mittelspannungsnetz (10 bis 30 kV). Hierbei werden der Betrieb, die Wirtschaftlichkeit und die Flexibilität der einzelnen Batterietechnologien analysiert und optimiert.

Im Rahmen des Projektes untersucht das Institute for Energy Efficient Buildings and Indoor Climate (EBC) am ERC unter anderem das energetische Potenzial der Abwärmenutzung des Speicherbetriebs. Darüber hinaus wird untersucht, welche thermischen Anforderungen sich aus dem Betrieb für die Kühlung der Batterien ergibt. Hierbei bestehen die Herausforderungen insbesondere im hochdynamischen Betrieb der Anlage und der daraus resultierenden und stark fluktuierenden thermischen Last für den Kühlkreis. Hieraus werden effiziente Klimatisierungskonzepte abgeleitet und bewertet, sodass die entwickelten Konzepte final in einem Planungsleitfaden für Batteriespeicheranlagen aufgenommen werden können.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Institute for Power Generation and Storage Systems (PGS) am ERC:

in Meilenstein des Projekts stellt der Bau und die Anbindung an das Mittelspannungsnetz dar. Hierfür wurde zum einen ein eigens entwickeltes Sicherheitskonzept ausgearbeitet und umgesetzt. Zum anderen erfolgte die Anbindung an das nahe gelegene Umspannwerk. Weiterhin sind drei unterschiedliche Lithium-Ionen-Batterie-Chemien (Lithium-Eisenphosphat (LFP) 0,66 MW, Lithium-Titanat (LTO) 0,5 MW, Lithium-Manganoxid/-Nickelmanganoxid (LMO/NMC) 2,56 MW) sowie zwei verschiedene Blei-Batterien (Blei-Säure (OCSM) 1,21 MW, VRLA Blei-Gel (OPzV) 0,99 MW) ausgelegt und hard- als auch softwaretechnisch in das BSS integriert worden. Für eine intelligente Steuerung und Überwachung des BSS wurde ein Energiemanagement System (EMS) unter Berücksichtigung von Batteriealterungsverhalten und Netzrestriktionen entwickelt und installiert.

Neben dem Bau des BESS ist ebenso die Testplanung und Definition von Betriebsszenarien essenziell um das Verhalten der Anlage in verschiedenen Betriebspunkten zu charakterisieren. Es werden u. a. folgende Vermarktungsszenarien erprobt: Die dezentrale Bereitstellung von Primär-/ Sekundärregelleistung sowie der Stromhandel unter Nutzung von Strompreisdifferenzen zur Erzielung eines Gewinns. Die Erkenntnisse hieraus werden u. a. für die Parametrisierung des Anlagensimulationsmodells, welches die Basis des EMS darstellt, verwendet.

Für den dritten Arbeitsschwerpunkt können u. a. aus diesen Tests belastbare Aussagen zu den Lebenszykluskosten und Einsatzpotenzialen getätigt werden. Dazu gehören neben den eigentlichen Kosten für die Batterieanlage neben der Unterbringung auch die Batteriemanagement-und Batteriediagnosesysteme sowie das thermische Management (Lüftung, Klimatisierung) und die Integration in bestehende Wärmesysteme. Dies soll als fundierte Kostenbasis für die Planung und den Einsatz von Speichern dienen. Zudem werden für wichtige Speicheranwendungen Zielkostenansätze erarbeitet.

Institute for Energy Efficient Buildings and Indoor Climate (EBC) am ERC:

Schwerpunktmäßig befasst sich das EBC im Rahmen des Projektes mit der thermischen Seite des Batteriespeichers. Um das thermische Potential durch eine Integration einer Abwärmenutzung des Speichers in thermische Energiesysteme zu untersuchen, wurden am EBC zunächst thermische Batteriemodelle entwickelt. Diese Teilmodelle wurden anschließend in ein thermisches Gebäudemodell des Batteriespeichers integriert. Dieses Gesamtanlagenmodell beschreibt insbesondere auch das Betriebsverhalten der Kälteversorgung.

Auf Basis eines vom Lehrstuhl entwickelten thermischen Monitoring-Konzeptes, welches bereits während des Bauprozesses integriert wurde, werden die erstellten Modelle parametrisiert und validiert. Hierdurch kann anschließend über Simulationen des Anlagenbetriebs nicht nur das thermische Potenzial der Abwärmenutzung beurteilt werden, sondern auch der Betrieb der Klimageräte analysiert und Optimierungspotenzial aufgezeigt und der Betrieb der Kälteversorgung optimiert werden.

Des Weiteren wird durch die Modelle eine simulationsbasierte Untersuchung von Klimatisierungskonzepten ermöglicht. Damit die Modelle final in einem thermischen Simulationsbaukasten für Batteriespeicher zur Verfügung gestellt werden können liegt während der Entwicklung der Modelle der Teilmodelle ein besonderer Fokus auf ihrer Modularität.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Institute for Power Generation and Storage Systems (PGS) am ERC:

Die durch das Projekt erzielten Erkenntnisse über den realen Einsatz von Batterien verschiedener Technologien in den Elektrizitätsmärkten gehen über den Stand von Wissenschaft und Technik hinaus. Das Projekt bietet zudem die Möglichkeit, eine umfassende wissenschaftliche Begleitung und Bewertung einer Batteriespeicheranlage vom Aufbau bis hin zum Markteinsatz zu gewährleisten. Das daraus abgeleitete Design-Handbuch für Großbatterien im Mittelspannungsnetz, welches Aufbau, Sicherheits- und Steuertechnik, Betriebskosten und Erlöspotenziale zusammenfasst, ist ein wichtiger Grundstein für den Betrieb von Batterien im deutschen Stromnetz. Die Optimierung des Einsatzes von verschiedenen Batterietechnologien der Megawatt-Klasse eröffnet zudem die Möglichkeit, einen Grundstein für den Betrieb von Multi-Technologie-Batteriesystemen zu legen.

Institute for Energy Efficient Buildings and Indoor Climate (EBC) am ERC:

Über die Beteiligung des EBC am Projekt wird das thermische Integrationspotenzial der Gesamtanlage und auch das energetische Einsparpotenzial auf Basis des optimierten Betriebs der Batterieklimatisierung untersucht. Durch den Aufbau von modularen Simulationsmodellen wird ein Baukasten zur Verfügung gestellt, der bei der Planung zukünftiger effizienter Klimatisierungskonzepte von Batteriespeicheranlagen flexibel eingesetzt werden kann und so eine thermisch optimierte Planung und einen energieeffizienteren Betrieb zukünftiger Speicheranlagen ermöglicht.


Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.07.2015 bis 30.06.2017
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 7.054.016,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: keine Angabe

Teilprojekt 1: Entwicklung einer Lithium-Ionen-Batterie, Monitoring und Erstellung eines Designhandbuchs

Förderkennzeichen: 03ESP265A

RWTH Aachen – E.ON Energy Research Center - Institute for Power Generation and Storage Systems, Netzintegration und Speichersystemanalyse
52068 Aachen

Teilprojekt 2: Entwicklung einer verschlossenen Bleibatterie und einer zyklenfest geschlossenen Bleibatterie 

Förderkennzeichen: 03ESP265C

Exide Operations GmbH & Co. KG
63654 Büdingen

Teilprojekt 3: Entwicklung von Thermomanagement, Strangsteuerung und Wartungskonzepten

Förderkennzeichen: 03ESP265D

beta-motion GmbH
50259 Pulheim

Teilprojekt 4: Entwicklung innovativer Batteriewechselrichter-Systemlösungen großer Leistung

Förderkennzeichen: 03ESP265E

SMA Solar Technology AG
34266 Niestetal

Teilprojekt 5: Entwicklung einer Lithium-Ionen-Batterie, Monitoring und Erstellung eines Designhandbuchs

Förderkennzeichen: 03ESP265F

Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik – Institut und Lehrstuhl für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft
52062 Aachen

Fördergeber: BMWi, Referat IIC6

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
EA2312 Elektrochemische Speicher - Lithium-basierte Batterien
EA2319 Elektrochemische Speicher - Weitere Technologien und nicht zugeordnet
EA2399 Stromspeicher - Verschiedenes

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

An der RWTH Aachen University wird gemeinsam mit den Projektpartnern Exide, SMA und Uniper ein hybrider Batteriespeicher mit einer Leistung von 5 Megawatt und einer Speicherkapazität von ca. 5 Megawattstunden errichtet. Der stationäre Batteriespeicher mit dem Projektnamen M5BAT setzt zwei unterschiedliche Blei-Säure-Batterie-Technologien und drei unterschiedliche Lithium-Ionen-Batterie-Technologien ein. Durch den modularen Aufbau können unterschiedliche Speichertechnologien kombiniert werden und es besteht die Möglichkeit, den Speicher in Zukunft zu erweitern. Die Anwendungsfelder dieses hochleistungsfähigen, standortunabhängigen und modularen Systems umfassen die Bereitstellung von Regelleistung für einen stabilen Netzbetrieb, sowie den Stromhandel und die damit verbundene Nutzung von Strompreisdifferenzen. Mittels zehn Umrichtern und fünf Transformatoren wird die Anlage an das örtliche Mittelspannungsnetz angeschlossen.

Die Steuerung des Speichers durch eine zentrale Leittechnik basiert auf einer industriellen Speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), die sowohl jegliche Kommunikation mit den Systemkomponenten als auch die Kommunikation mit dem Speichervermarkter sowie das Energiemanagement übernimmt.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

In diesem Vorhaben wurde ein modulares Batteriespeichersystem (BSS) mit zehn parallelen Strängen errichtet. Durch die Kombination von Blei-Säure-Batterien und verschiedenen Lithium-Ionen-Batterietechnologien entsteht eine homogene Verteilung von Energie- und Leistungsspeichern. Hierdurch können die Vorteile der einzelnen Technologien optimal genutzt werden bzw. deren Nachteile kompensiert werden. Die Lithium-Ionen-Batterien fungieren als Leistungsspeicher mit verhältnismäßig kleiner Kapazität während die Blei-Batterien einen relativ kostengünstigen Energiespeicher darstellen. Im Verbund der verschiedenen Technologien ist es möglich, ein Spektrum an Anwendungen verschiedener Anwendungen bzw. Entladezeiten zu bedienen.

Der Anlagenbetrieb wird zunächst gemäß einem wissenschaftlichen Programm durchgeführt, das es erlaubt, belastbare Aussagen zu den Lebenszykluskosten und Einsatzpotenzialen zu tätigen. Dazu gehören neben den eigentlichen Kosten für die Batteriezellen und deren Lebensdauer vor allem auch Peripherien für die Installation der Batterieanlage, welche neben der Unterbringung auch die Batteriemanagement- und Batteriediagnosesysteme sowie das Thermische Management (Lüftung, Klimatisierung) und die Integration in bestehende Wärmesysteme enthalten. Zudem werden für wichtige Speicheranwendungen wie Primärregelung und Sekundärregelung, Zielkostenansätze erarbeitet, die Aussagen darüber erlauben, ab welchem Regelenergiepreis elektrochemische Energiespeicheranlagen wirtschaftlich sind. Hierbei werden verschiedenen Betriebsweisen und deren Beeinflussung auf die Lebensdauer berücksichtigt. Im Anschluss wird es eine wirtschaftliche Erprobungsphase geben, in welcher der Speicher als Asset im Netz an der Strombörse vermarktet wird.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Auf Basis der Erkenntnisse über die Belastungen der Batterien im realen Betrieb können für die Marktteilnahme geeignete Szenarien entwickelt werden, die in der Folge um Vermarktungsszenarien erweitert werden. Des Weiteren durchläuft das BSS den gesamten Prozess der Präqualifikation für die Vorhaltung und Erbringung von Primärregelreserve. Durch die Erhebung und Auswertung aller Investitionen in der Bau- und der Betriebsphase ist es möglich, eine Kostenbasis zu erstellen und auf Grundlage dieser Empfehlungen für weitere Speichervorhaben abzuleiten. Darüber hinaus wird es zukünftig möglich sein, durch die Existenz von Betriebsdaten, fundierte Aussagen über die Zuverlässigkeit von Batteriespeichern treffen zu können. Für den Betrieb des BSS mit seinen fünf unterschiedlichen Technologien, ist die Ansteuerung bzw. das Energie Management System (EMS) eine wichtige Kernkomponente. Hierfür werden Algorithmen entwickelt die einen Hybridspeicherbetrieb ermöglichen und zugleich wirtschaftliche Gesichtspunkte sowie alle Restriktionen des Strommarktes berücksichtigen.


Galerie

Foto zu Verbundprojekt M5Bat: Speicher_Gebaeude
Foto zu Verbundprojekt M5Bat: Speicher_Topologie
Foto zu Verbundprojekt M5Bat: LithiumIonenRaum_LMO
Foto zu Verbundprojekt M5Bat: Bleibatterieraum_OCSM
Foto zu Verbundprojekt M5Bat: Transformatorenraum
Foto zu Verbundprojekt M5Bat: Umrichterraum

Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Ionen-Batterien, Blei-Säure

Anwendungsfelder

stationär

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung, Industrie

schwarze Schlagworte: charakterisieren das Teilprojekt
graue und schwarze Schlagworte: charakterisieren das komplette Verbundprojekt


Schlagworte zum Teilprojekt

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Kathode LMS/LMO

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Kathode Polyanionische Kathodenmaterialien Phosphate LFP

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Kathode NMC Standard NMC

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Anode Graphite

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Anode LTO

Anwendungsfelder

stationär Großspeicher

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität

Teilprojektleiter

Herr Michael Merten
RWTH Aachen – E.ON Energy Research Center - Institute for Power Generation and Storage Systems
Netzintegration und Speichersystemanalyse
Hüttenstr.  5
52068 Aachen

E-Mail: mme@isea.rwth-aachen.de


Alternativer Kontakt

Frau Jeanette Münderlein
Teilprojektleitung Batterien

E-Mail: jmn@isea.rwth-aachen.de


Verbundprojektleiter

Frau Dr. Sabine Vogel
Telefon: +49 241 80-49667


Pressekontakt für Teilprojekt

Herr Michael Merten
E-Mail: mme@isea.rwth-aachen.de


Pressekontakt für Verbundprojekt

Frau Dr. Sabine Vogel
Telefon: +49 241 80-49667
E-Mail: info@m5bat.de

Typ Inhalt Aktion
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