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Batteriespeicher der nächsten Generation
Lithium-Ionen-Akkus sind alltägliche Begleiter, die heute in den unterschiedlichsten Geräten zu finden sind. Von Mobilgeräten wie Smartphones über E-Bikes bis zu Haushalts- und Unterhaltungselektronik. Ihre Einsatzzwecke reichen von A wie Auto bis Z wie Zahnbürste. Aber so groß wie ein ganzer Container? Für den Einsatz im Stromnetz der Zukunft brauchen wir genau solche Großspeicher.
Die Weiterentwicklung dieser Großspeicher ist wichtig und Thema aktueller Forschungen, wie etwa im Reallabor der Energiewende Next-MeBa. Ziel der Forschenden ist es hier, den breiten Einsatz von Batteriespeichern in der Leistungsstufe von 100 Kilowatt (kW) bis in den Megawattbereich im Stromsystem voranzubringen und damit eine flexiblere, kostengünstigere und stabilere Versorgung zu ermöglichen. Großspeicher sollen effizienter, langlebiger, günstiger und sicherer werden.
Großbatteriespeicher als Schlüssel für ein flexibles Stromsystem
Lithium-Ionen-Großspeicher können Strom aus erneuerbaren Energien aufnehmen, wenn Wind- oder Solaranlagen mehr Energie erzeugen als benötigt wird. Wenn der Strom erneut gebraucht wird, kann er wieder ins Netz eingespeist werden. Auf diese Weise helfen solche modernen Batteriesysteme, Schwankungen in der Stromerzeugung auszugleichen, das Netz zu stabilisieren und erneuerbare Energie effizienter zu nutzen. Ein gutes Beispiel dafür ist die Photovoltaik (PV): Tagsüber und bei Sonnenschein erzeugen die Solarzellen Strom, der dann in einer Batterie gespeichert und über Nacht wieder abgegeben wird. Werden alle Komponenten optimal aufeinander abgestimmt, kann eine große PV-Anlage in Kombination mit einer Batterie zumindest in den Sommermonaten rund um die Uhr grünen Strom liefern.
Neue technische Konzepte für Batteriesysteme
In Next-MeBa konzentriert sich das Forschungsteam auf drei zentrale Ziele: geringere Kosten, längere Lebensdauer und höhere Sicherheit von Lithium-Ionen-Großspeichern. Dafür entwickeln die Forschenden neue Systemarchitekturen, eine präzisere Steuerung einzelner Batteriezellen und innovative Sicherheitskonzepte. Ein spezielles Modulkonzept soll verhindern, dass sich mögliche Fehlerzustände einer Batteriezelle auf andere ausbreiten. Die verwendete LiFePO₄‑Batteriechemie reduziert das potenzielle Brandrisiko so weit, dass es selbst bei großen Speichern nicht über das Brandrisiko normaler Industriebauten hinausgeht.
Die eigentliche Schlüsseltechnologie liegt jedoch in einem Wechselrichter, der Batteriezellen individuell ansteuert, sodass der Speicher auch im Teillastbereich sehr effizient arbeitet, weniger Abwärme erzeugt und somit auch länger nutzbar bleibt. Diese Wechselrichtertechnologie wird nun erstmalig im Projekt über den Maßstab von 100 kW und 250 kW hinaus in den Megawatt-Maßstab skaliert. Als Output wird diese „AC-Batterie“ direkt Dreiphasenwechselstrom (auch Drehstrom, Kraftstrom oder Starkstrom genannt) liefern.
Darüber hinaus arbeiten die Forschenden an der Langlebigkeit der Batteriezellen sowie an kostengünstigen Lösungen für die notwendige Kühlung und Systemtechnik. Ein digitaler Zwilling des Großspeichers soll künftig helfen, dessen Betrieb zu optimieren. Parallel analysiert das Projektteam mögliche Einsatzprofile und wirtschaftliche Anwendungen, die die Anforderungen des Energiemarktes und des Stromnetzes berücksichtigen.
Forschung für das zukünftige Energiesystem
Erste Tests mit Batteriezellen und Sicherheitskomponenten wurden bereits erfolgreich durchgeführt. Zum Abschluss des Projekts sind Feldtests mit mehreren Megawatt-Speichereinheiten geplant, um die Technik und ihre Anwendungsfälle unter realen Bedingungen zu erproben und eine Zertifizierung für den Einsatz im Mittelspannungsnetz vorzubereiten.
Zellcharakterisierung, Sicherheitsuntersuchungen, Lebensdauertests, Lebensdauersimulationen und die Erstellung eines Alterungsmodells: Darum drehen sich die Aufgaben der Forschenden des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) im Reallabor der Energiewende Next-MeBa. Das Institut für Energiewandlung und -speicherung der Universität Ulm entwickelt die innovativen Verfahren und Schaltungen für die Megawatt-Batteriespeicher. Daneben sind als Industriepartner die SAX Power GmbH und die Proteba GmbH Teil des Verbunds.
Das Projekt Next-MeBa läuft noch bis Ende 2027 und wird durch das BMWE gefördert. Die aus dem Reallabor der Energiewende gewonnenen Erkenntnisse sollen dazu beitragen, der nächsten Generation von Großbatteriespeichern zur Marktreife zu verhelfen und damit den Umbau des Energiesystems hin zu einer klimaneutralen Stromversorgung zu unterstützen. Im Förderformat Reallabore der Energiewende des BMWE werden Innovationen unter realen Bedingungen erprobt.