Algorithmen optimieren Batteriespeicher Warum die Leistungselektronik für Batteriespeicher mehr leisten muss

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Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF

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MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Im Projekt ALene arbeiten Forschungseinrichtungen, Industriepartner und Netzbetreiber Hand in Hand, um Batteriespeicher fit für die Zukunft zu machen. Das Projekt reicht vom VISMA+-Umrichter der TU Clausthal bis zur Netzqualitätsmessung von morEnergy. Details im Interview mit Dr.-Ing. Christoph Wenge vom Fraunhofer-Institut IFF.

Das ALene-Projekt „Intelligente Algorithmen und Leistungselektronik für einen netzqualitäts- und energieeffizienten Betrieb von Batteriespeichern“ zielt darauf ab, Batteriespeichersysteme durch verbesserte Ansätze zu optimieren. Hintergrund des Projekts sind verschiedene komplexe Herausforderungen für die Energieversorgung. Unter anderem die Dezentralisierung des Versorgungsnetzes durch erneuerbare Energien und Batteriespeicher. Aber auch die zunehmende Belastung durch elektrische Verbraucher, Erzeuger und Speicher. Um die Qualität und Sicherheit des Netzes zu gewährleisten, ist Mess- und Regeltechnik notwendig, um die Netzinfrastruktur zu stabilisieren.

Das Verbundprojekt ALene ist eine Kooperation von Industrie, Netzbetreibern und Forschungseinrichtungen mit dem Ziel, Algorithmen und leistungselektronische Systeme für den optimierten, netzdienlichen und multifunktionalen Betrieb von Batteriespeichern zu entwickeln und in der Praxis zu erproben. Im Rahmen des Projektes werden Batteriespeichersysteme mit erweiterten Systemdienstleistungsfunktionen ausgestattet und systemisch integriert. Dazu werden spezifische Algorithmen entwickelt und in Kombination mit erweiterten leistungselektronischen Komponenten und intelligenter Kommunikationstechnik in die Systemführung integriert.

Im Gespräch mit Dr.-Ing. Christoph Wenge vom Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF geht es um weitere Details des Projektes.

Herr Dr.-Ing. Wenge, wie genau sieht die Zusammenarbeit im Verbundprojekt ALene aus?

Die Zusammenarbeit im Verbundprojekt ALene basiert auf einer engen Kooperation zwischen Forschungseinrichtungen, Universitäten, Industriepartnern und einem Netzbetreiber, wobei jede Organisation spezifische Aufgaben übernimmt.

Das Fraunhofer IFF koordiniert das Projekt, entwickelt Betriebsalgorithmen und Simulationsmodelle und übernimmt die übergeordnete Systemintegration. TESVOLT bringt seine Expertise in Speicher für Batterien ein, untersucht und optimiert den Betrieb von Batteriespeichern sowie deren Integration. Power Innovation und TESVOT konzentrieren sich zudem auf den DC/DC-Wandler und eine batterieschonende Ansteuerung und Betriebsfunktionalität.

Power Innovation und die TU Clausthal arbeiten gemeinsam am DC/AC-System, der Weiterentwicklung des Umrichterkonzepts VISMA+, das eine phasenselektive Einspeisung und eine verbesserte Netzqualität ermöglicht. Die Hochschule Magdeburg-Stendal unterstützt durch die Bereitstellung von Entwicklungs- und Evaluierungsumgebungen für Tests und Steuerungslösungen. Die Firma morEnergy liefert Messtechnik zur Netzqualitätsüberwachung und Resonanzerkennung, während die Harz Energie reale Betriebsdaten liefert und Feldtests durchführt.

In einem iterativen Prozess, der die Entwicklung, Validierung und Implementierung neuer Technologien umfasst, arbeiten die Partner eng verzahnt zusammen, um ein multifunktionales, netzdienliches Batteriespeichersystem zu realisieren, das zur Stabilisierung und Effizienzsteigerung von Verteilnetzen beiträgt.

Welche spezifischen Anforderungen werden an Leistungselektronik für Batteriespeicher gestellt, um eine netzdienliche und multifunktionale Nutzung zu ermöglichen?

Der netzdienliche und multifunktionale Einsatz von Batteriespeichern stellt spezifische Anforderungen an die Leistungselektronik, die über traditionelle Anwendungen hinausgehen. Zentrale Aspekte sind eine hohe Effizienz, Flexibilität und die Fähigkeit zur Bereitstellung erweiterter Systemdienstleistungen. Die Leistungselektronik muss in der Lage sein, eine phasenselektive Einspeisung zu realisieren, d.h. Spannungen und Ströme können individuell pro Phase geregelt werden, um unsymmetrische Netzbelastungen auszugleichen und die Netzqualität zu verbessern. Dazu gehört auch die Kompensation von Spannungsschwankungen, Verzerrungsblindleistung und Oberschwingungen.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Fähigkeit, dynamisch auf Netzanforderungen zu reagieren, wie beispielsweise durch die Bereitstellung von Momentanreserve (synthetische Trägheit), Spannungshaltung und Blindleistungsregelung. Dies setzt eine schnelle und präzise Steuerung der Wechselrichter voraus, die auch in komplexen Betriebsmodi zuverlässig arbeiten müssen. Zudem ist es entscheidend, dass die Leistungselektronik den Betrieb des Batteriespeichers optimiert, indem sie Strom- und Spannungsrippel minimiert werden, um die Lebensdauer der Batteriezellen zu erhöhen und den Wartungsaufwand zu reduzieren. Hierzu zählen zudem die Vermeidung hoher Stromspitzen und ein optimiertes Anregelverhalten.

Die Leistungselektronik muss außerdem robust gegenüber Netzstörungen sein und eine hohe Verfügbarkeit gewährleisten, insbesondere in kritischen Betriebsszenarien wie Netzschwankungen oder einem Schwarzstart. Innovative Konzepte wie der VISMA+-Wechselrichter (Virtuelle Synchronmaschine) spielen hierbei eine zentrale Rolle, da sie durch ihre spezifische Schaltungstopologie und Steuerung eine verbesserte Netzsymmetrie und Stabilität ermöglichen. Um eine optimale Integration zu gewährleisten, müssen die Schnittstellen der Leistungselektronik zu anderen Systemkomponenten, wie Messtechnik, Steuerungssystemen und Kommunikationsinfrastrukturen, standardisiert und flexibel gestaltet sein.

Zusätzlich muss die Leistungselektronik skalierbar sein, um den Einsatz in unterschiedlichen Netzebenen und Anwendungsszenarien zu ermöglichen, von Niederspannungsnetzen bis hin zu MicroGrids auf Mittelspannungsebene und Inselnetzen. Eine nahtlose Kommunikation mit übergeordneten Leitsystemen sowie die Fähigkeit, Daten zur Netz- und Systemüberwachung in Echtzeit zu liefern, sind essenziell, um eine adaptive Betriebsführung und langfristige Systemoptimierung sicherzustellen.

Welche Kommunikationsprotokolle sind notwendig, um eine intelligente Vernetzung zwischen Speicher, Netz und Verbrauchern zu gewährleisten?

Für eine intelligente Vernetzung zwischen Batteriespeichern, Netz und Verbrauchern sind Kommunikationsprotokolle notwendig, die sowohl die übergeordnete Steuerung als auch die lokale Interaktion zwischen den Systemkomponenten effizient unterstützen. MQTTs eignet sich hervorragend für die übergeordnete Kommunikation, insbesondere mit Netzleitsystemen und Energiemanagementplattformen. Als leichtgewichtiges Protokoll ermöglicht MQTTs eine effiziente Nachrichtenübermittlung, auch bei begrenzter Bandbreite. Mit seinen Mechanismen für Quality of Service (QoS), Topics zur Nachrichtenkategorisierung und seiner Fähigkeit zur Skalierung in IoT-Umgebungen bietet MQTTs eine flexible und sichere Lösung für die Datenübertragung in Echtzeit. Verschlüsselung und Authentifizierungsmechanismen (TLS/SSL) gewährleisten dabei die Sicherheit der Kommunikation und bereiten den Weg für eine NIS2-konforme Integration in die Energieversorgung.

Für die lokale Kommunikation zwischen einzelnen Komponenten wie Batteriemanagementsystem (BMS), Leistungselektronik und Messtechnik wird CAN-Bus eingesetzt. Dieses robuste Protokoll zeichnet sich durch seine hohe Zuverlässigkeit und geringe Latenz aus, was es ideal für Steuerungs- und Regelungsaufgaben in Echtzeit macht. Mit seiner Fähigkeit zur Priorisierung von Nachrichten und der Unterstützung deterministischer Übertragungen bietet CAN-Bus die Präzision, die für eine dynamische und netzdienliche Betriebsführung erforderlich ist.

Zwischen den Systemen, beispielsweise zwischen den Batteriespeichern und den lokalen Steuerungseinheiten oder Energieverteilungsknoten, wird auf das industrieerprobte Modbus TCP/IP zurückgegriffen. Dieses weitverbreitete Protokoll kombiniert einfache Implementierung mit zuverlässiger Datenübertragung. Modbus TCP/IP eignet sich besonders für die Integration heterogener Systeme und ermöglicht durch seine Klarheit und Standardisierung eine nahtlose Kommunikation über Ethernet. Es unterstützt die Übermittlung von Messwerten, Steuerungsbefehlen und Statusinformationen zwischen den Subsystemen und gewährleistet dabei die Kompatibilität verschiedener Hersteller.

Die Kombination aus MQTTs für die übergeordnete Kommunikation, CAN-Bus für die lokale Interaktion und Modbus TCP/IP für die Systemintegration schafft eine skalierbare, sichere und effiziente Kommunikationsinfrastruktur. Diese ermöglicht eine flexible Anpassung an unterschiedliche Anforderungen und gewährleistet die zuverlässige Koordination aller beteiligten Komponenten in modernen Energiesystemen.

Wie können intelligente Algorithmen die Gesamtkosten für den Betrieb von Batteriespeichern senken?

Im Projekt ALene ermöglichen intelligente Algorithmen eine optimierte Nutzung von Batteriespeichersystemen, die sowohl batteriefreundlich als auch multifunktional ist. Durch diese Algorithmen wird die Lebensdauer der Batteriesysteme verlängert, indem Strom- und Spannungsrippel minimiert werden, was mechanische und thermische Belastungen reduziert. Dies schont die Batteriezellen und verringert Wartungskosten, während gleichzeitig die Effizienz des Systems erhöht wird.

Darüber hinaus ermöglichen die Algorithmen einen multifunktionalen Betrieb der Speicher. Sie können eine Vielzahl von Netzdienstleistungen erbringen, darunter Spannungshaltung, Blindleistungsregelung, Frequenzstabilisierung und die Bereitstellung von Momentanreserve (synthetische Trägheit). Besonders hervorzuheben ist die phasenselektive Einspeisung, die Netzunsymmetrien ausgleicht und die Spannungsqualität in Verteilnetzen verbessert. Dadurch können lokale Netzphänomene wie Spannungsbandverletzungen oder Resonanzen kompensiert werden, was die Netzstabilität erhöht.

Zusätzlich integrieren die Algorithmen Funktionen zur Netzüberwachung und -diagnose, indem sie hochauflösende Daten aus der AC/DC-Messtechnik auswerten. Dadurch können Netzprobleme wie Oberschwingungen oder Resonanzen genau identifiziert und Speicher zur Stabilisierung gezielt angesteuert werden. Die Systeme sind zudem in der Lage, flexibel auf Netzanforderungen zu reagieren, beispielsweise durch Redispatch-Maßnahmen zur Entlastung von Engpassstellen.

Die Algorithmen gewährleisten eine sichere und effiziente Kommunikation zwischen den Komponenten und den übergeordneten Netzleitsystemen. Sie integrieren Batteriespeicher nicht nur als Energiespeicher, sondern als aktive Netzressource, die zur Gesamteffizienz und Resilienz des Energiesystems beiträgt, und leisten so einen wichtigen Beitrag zur Energiewende.

Gibt es Pläne zur Skalierung der Lösungen für den Einsatz in größeren Netzwerken oder auf nationaler Ebene?

Im Projekt ALene sind klare Pläne zur Skalierung der entwickelten Lösungen für den Einsatz in größeren Netzwerken und auf nationaler Ebene vorgesehen. Ein zentraler Ansatzpunkt ist die Modularität und Flexibilität der entwickelten Technologien, insbesondere der intelligenten Algorithmen, der Leistungselektronik und der Kommunikationsinfrastruktur. Die Architektur des Systems wird so gestaltet, dass sie nicht nur in lokalen Verteilnetzen, sondern auch in Mittelspannungs- und überregionalen Netzstrukturen anwendbar ist. Dies schließt sowohl die technische Skalierbarkeit als auch die Übertragbarkeit der Betriebsstrategien auf verschiedene Netzebenen ein.

Die zu entwickelnden Algorithmen sind darauf ausgelegt, unterschiedliche Netzanforderungen zu bewältigen, von der Regelung in Niederspannungsnetzen bis hin zur Koordination großer Energiespeicherverbünde. Dies wird durch die Implementierung offener Schnittstellen und standardisierter Protokolle wie MQTTs und Modbus TCP/IP unterstützt, die eine nahtlose Integration in bestehende Netzleitsysteme ermöglichen. Die Lösungen können dabei sowohl zentralisiert, etwa durch übergeordnete Netzsteuerungssysteme, als auch dezentral, beispielsweise in MicroGrids oder Inselnetzen, betrieben werden.

Ein wichtiger Aspekt der Skalierung ist die Demonstration der Technologien in realen Netzumgebungen und Feldtests. Erkenntnisse aus diesen Tests fließen in die Entwicklung von Anwendungsrichtlinien und Best Practices ein, die den Übergang vom Pilotprojekt zur großflächigen Implementierung erleichtern. Langfristig wird die Übertragbarkeit auf nationale Netzstrukturen durch die Einhaltung regulatorischer Anforderungen und durch die Zusammenarbeit mit Netzbetreibern wie Harz Energie gewährleistet.

Zusätzlich wird die Skalierung durch den Fokus auf wirtschaftliche und technologische Effizienz gefördert. So wird die Lebensdauer der Batteriesysteme durch intelligente Algorithmen maximiert, was die Betriebskosten senkt und die Attraktivität für größere Netzwerke erhöht. Damit legt das Projekt ALene den Grundstein für eine landesweite Einführung von multifunktionalen, netzdienlichen Batteriespeichern, die zur Stabilisierung und Optimierung des gesamten Energiesystems beitragen. (heh)

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