Batterietechnik Lebensdaueruntersuchungen

Klimaneutrale Quartiere zeichnen sich durch eine möglichst umfangreiche Nutzung lokal erzeugter erneuerbaren Energien aus, in der Regel in Form der Photovoltaik. Da Erzeugung und Verbrauch meist nicht zeitgleich erfolgen, ist eine Zwischenspeicherung des Stroms notwendig, um einen hohen Selbstversorgungsgrad im Quartier zu erreichen, insbesondere indem der tagsüber nicht genutzten Solarstrom gespeichert und abends verwendet wird. Doch Batteriespeicher können auch das Stromnetz entlasten, beispielsweise indem sie Lastspitzen reduzieren.  

In EnStadt:Pfaff wurde untersucht, wie sich die elektrischen Eigenschaften von kommerziellen Batteriesystemen mit der Zeit unter verschiedenen Rahmenbedingungen verändern. Hierzu wurden zwei Teststände zur Vermessung von Batteriespeichern aufgebaut und zwei Lithium-Ionen Batteriesysteme von unterschiedlichen Herstellern untersucht, die mit unterschiedlichen Lade- und Entladeraten betrieben werden können.  

 Weiter wurden Lithium-Ionen Zellen aus baugleichen Batteriemodulen für Charakterisierungs- und Alterungsuntersuchungen gewonnen. Diese Batteriezellen wurden charakterisiert und die Veränderung der elektrischen Eigenschaften in Abhängigkeit von Stromraten und Temperaturen untersucht. Ein entsprechendes Zellmodell wurde als Grundlage für Simulationsrechnungen aufgebaut und mit den Ergebnissen der Messungen parametrisiert. So kann mit einer Zell- und Alterungsmodellierung das Verhalten eines Batteriesystems über seine Lebensdauer genau vorausgesagt werden. Zur Validierung dieser Untersuchungen wurden das Batteriemodell und der reale Speicher mit demselben Lastprofil beaufschlagt. Die sehr gute Übereinstimmung der Simulation mit dem gemessenen Verhalten des Speichers belegt die Belastbarkeit des Modells. 

Als zweite Fragestellung wurden die Vorteile hybrider Batteriespeicher untersucht, deren Speicherkapazität in einen Energie- und einen Leistungsteil aufgeteilt ist. Eine Batterie kann darauf optimiert werden, eine möglichst hohe Zahl von Ladezyklen zu erreichen und damit kumuliert über ihre Lebensdauer eine hohe Energiemenge zu speichern. Oder sie wird darauf ausgelegt, hohe Leistungen in kurzer Zeit bereitzustellen, was so beispielsweise die Schnellladung von E-Fahrzeugen ermöglicht, allerdings auch die Batteriespeicher schneller verschleißen lässt. Das Ziel ist es, für verschiedene Anwendung jeweils die optimale Kombination von Energie- und Leistungsspeicherkapazität ermitteln zu können. 

Eine mögliche Anwendung von Hybridspeichern ist die Erhöhung der elektrischen Leistung aus dem Netz durch einen Batteriespeicher zur Schnellladung von E-Fahrzeugen. Wenn künftig auch das bidirektionale Laden von E-Fahrzeugen möglich wird, bei dem das E-Fahrzeug einen Teil seines gespeicherten Stroms ins Netz zurückspeisen kann, stellt sich auch hier die Frage, welche Ladeleistungen möglich und sinnvoll sind. Neben den Leistungsanforderungen haben diese Batteriespeicher aber auch die Aufgabe, einen möglichst hohen Anteil des nicht direkt verbrauchten Solarstroms zu speichern und für spätere Bedarfe in den Haushalten und Betrieben oder zur Beladung von E-Fahrzeugen in der Nacht bereitzustellen.   

In EnStadt: Pfaff wurden die Einsatzmöglichkeiten untersucht auf Basis der Vermessung von zwei Batteriespeichern und der Entwicklung eines Modells zur Simulation verschiedener Betriebsweisen. Diese können als Grundlage für das Energiemanagement genutzt werden, das den Energiefluss zwischen den Speichern steuert und dafür umfangreiche Informationen über die Batteriespeicher und deren Betriebszustände benötigt. Darüber hinaus wurden auch mögliche Geschäftsmodelle für Energiespeicher untersucht, um auch den ökonomischen Aspekt in die Betriebsweise mit einbeziehen zu können. So lässt sich das Batteriedesign und die Betriebsweise identifizieren, die einen Betrieb mit hoher Effizienz bei einer möglichst langen Lebensdauer und den günstigsten Kosten gewährleistet. 

Im Rahmen von EnStadt:Pfaff konnte die Langlebigkeit von Li-Ionen-Batterien nachgewiesen werden (Prognostiziert 3800 bzw. 5000 Vollzyklen bei Dauerbelastung, bei Realbetrieb sind längere Laufzeiten zu erwarten). 

Die Alterung der Batterien ist dabei von Temperatur und Leistung abhängig. 

Es liegen Computermodelle für Batteriezellen in unterschiedlicher Komplexität vor. Diese wurden zu Gesamtspeichermodellen erweitert zur Simulation des Betriebsverhaltens unterschiedlicher Batteriespeicher. Das Modell wurde mit den Messergebnissen aus dem Realbetrieb validiert, wobei die sehr gute Übereinstimmung der Werte die hohe Güte des Modells bestätigt. Diese betrug je nach Anwendung 0,18 % bis 0,49 % (Normalisierter mittlerer quadratischer Fehler NRMSE). 

Als Bewertungsgrundlage von Betriebsweisen wurden Geschäftsmodelle für stationäre Batteriespeicher untersucht und die relevanten Geschäftsmodelle für das Quartier aufgezeigt. Für einen Betrieb im Reallabor wurde eine Rentabilität von Batteriespeichern für eine Erhöhung des Eigenverbrauchs in Verbindung mit Photovoltaik, auch in Kopplung mit einer Ladesäule aufgezeigt. Für den Einsatz in einem Gewerbebetrieb (Bäckerei; Energieverbrauch 100 MWh/a) führte eine Kostenreduktion durch Lastspitzenglättung, und Erhöhung des Eigenverbrauchs einer PV-Anlage mit bidirektionaler Ladesäule zu einem positiven Ergebnis. 

Die erarbeiteten Systemmodelle sowie die Geschäftsmodelle bieten die Grundlage zur Entwicklung von Methoden zur Optimierung des Designs und der Betriebsweisen von Hybridbatterien.