Simulation, Auslegung und Qualitätssicherung von Speichersystemen

Energieversorgung des Murchison Radioastronomy Observatory (MRO) in Westaustralien mit großem Inselnetz. Das Fraunhofer ISE hat für dieses Projekt ein optimiertes Systemdesign inklusive der dafür benötigten Simulation der PV-Batterie-Stromversorgung sowie eine Wirtschaftlichkeits­betrachtung durchgeführt.

Angewandte Speichersysteme

Im Thema »Angewandte Speichersysteme« beschäftigen wir uns mit folgenden Arbeitsgebieten:

Qualitätssicherung und Zertifizierung von Speicheranwendungen

Modellierung und Simulation von Energie­versorgungs­systemen

Energiemanagement­systeme (EMS) und optimierte Betriebsführung

Systemtechnik für netzgekoppelte und netzferne Anwendungen

Der Anteil an fluktuierenden, erneuerbaren Stromerzeugern in unseren Energieversorgungssystemen steigt rapide an. Die Entwicklung eines nachhaltigen Verkehrssektors – seien es elektrische Leichtfahrzeuge, Elektroautos, elektrische und hybride Nutzfahrzeuge oder oder eine stärkere Stromnutzung im maritimen Bereich ebenso wie in der Luftfahrt – ist nicht aufzuhalten und die Anzahl der portablen Geräte im professionellen sowie im privaten Bereich nimmt stark zu. Alle diese Anwendungsgebiete erfordern hocheffiziente, effektive, sichere und zuverlässige elektrische Speicher.

Im Geschäftsfeldthema »Angewandte Speichersysteme« erforschen wir die optimale Integration und den Betrieb von Speichersystemen in ihren spezifischen Anwendungsbereichen. Im Vordergrund steht dabei immer das Gesamtsystem in einer interdisziplinären Betrachtungsweise. Wir modellieren und simulieren Systeme und stehen unseren Kunden und Partnern beratend und planend bei der Entwicklung und dem Aufbau speicherbasierter regenerativer Energiesysteme zur Seite.

Ein Schwerpunkt unserer Arbeiten ist es dabei, durch eine lückenlose Qualitätssicherung normative oder durch Kundenwünsche gesetzte Anforderungen zu überprüfen, zu bewerten und zu zertifizieren. Dies umfasst Sicherheitsaspekte ebenso wie Zuverlässigkeit und Robustheit von Energieversorgungssystemen.

Wir beraten unsere Kunden über die komplette Wertschöpfungskette von sicherheitsrelevanten Materialfragen auf Zellebene, über Komponenten und deren Systemintegration bis hin zum sicheren und zuverlässigen Betrieb der gesamten elektrischen Stromversorgung. Unser umfangreiches Know-how umfasst dabei unterschiedlichste Anwendungsfelder: Netzferne oder netzgekoppelt sowie stationäre oder mobile Anwendungen.

Zu diesem Thema aus unserem Forschungsblog »Innovation4E«:

Die »Wohlfühltemperatur« für E-Fahrzeuge – Mehr Reichweite für Elektroautos durch optimierte Batteriebetriebsführung

Blogbeitrag von Maximilian Bruch

Maximilian BruchWas ist die »Wohlfühltemperatur« von Elektroautos? Dieser Frage gehen die Mitarbeiter des europäischen Forschungsprojekts JOSPEL nach und arbeiten am Optimierungspotential von E-Autos. Das Projekt verfolgt den Ansatz durch effiziente und kostengünstige Klimatisierungslösungen speziell für batterieelektrische Fahrzeuge deren Energieeffizienz und Reichweite zu erhöhen. Experten des Fraunhofer ISE arbeiten mit Industriepartnern an einer optimierten Batteriebetriebsführung – durch optimale Temperierung soll die Lebensdauer des Batteriesystems gesteigert werden…

Weiterlesen auf blog.innovation4e.de

In Ergänzung zu unserer Forschung und Entwickung zum Thema »Angewandte Speichersysteme« bieten wir unseren Kunden Prüf- und Zertifizierungsverfahren in unserem Zentrum für Energiespeichertechnologien und -systeme:

  • Testen und Charakterisieren
    Wir prüfen auf einer Fläche von 400 m² Batterien und Systeme auf der Basis von z. B. Blei, NiMH, Li-Ionen-Zellen sowie Hochtemperaturbatterien und Doppelschichtkondensatoren. Die Laborausstattung beinhaltet Batterietestsysteme und Impedanzspektrometer, mit denen nach Norm oder nach Kundenanforderung in der Klimakammer oder im Wasserbad getestet wird.
  • Alterungsuntersuchungen
    Für Alterungsuntersuchungen und Lebensdaueranalysen von Batterien und Batteriesystemen bieten wir mehrmonatige Langzeittests an. Dies beinhaltet sowohl die Untersuchung der Zyklenlebensdauer als auch die Analyse der kalendarischen Alterung. Dafür stehen ca. 180 Testkreise in verschiedenen Leistungsklassen von der Knopfzelle bis zum Großspeicher zur Verfügung.

Ausgewählte Forschungsprojekte

 

Net-PV

Solarbatteriesysteme-Dienstleister für das Stromnetz

 

ProTrak

Durchsatzoptimierte Formierverfahren: Produktionstechnik für die Herstellung von Lithium-Zellen

 

StaTrak

Weiter- und Fremdverwendung (Second Life) von Lithium-Ionen-Traktionsbatterien in mobilen und stationären Anwendungen

 

JOSPEL

Effizientes Passagier-Komfortsystem basierend auf dem Joule- und Peltier-Effekt

Johannes Wüllner

Contact Press / Media

Johannes Wüllner

Angewandte Speichersysteme

Fraunhofer ISE
Heidenhofstr. 2
79110 Freiburg

Telefon +49 761 4588-2129

Unsere Arbeitsgebiete zum Thema »Angewandte Speichersysteme«:

Qualitätssicherung und Zertifizierung von Speicheranwendungen

Durch die verstärkte Marktdurchdringung von Batteriespeichern rückt die Notwendigkeit von Qualitätssicherung (QS) immer stärker in den Fokus. Die Folgen unzureichender QS, die sich von einer eingeschränkter Nutzbarkeit über Systemausfälle bis zu hin zu verheerenden Unfällen erstrecken kann,– verstärken die öffentliche Aufmerksamkeit und Forderung nach einer ganzheitlichen Qualitätssicherung von der Zelle bis zum Batteriespeicherwerk. Bedingt durch die Komplexität von Batteriespeichersystemen wird es selbst für Experten immer schwieriger, hochwertige von minderwertigen Produkten und Systemen zu unterscheiden. Zudem steigt durch die weite Verbreitung das Gesamtrisiko, dass es zu Unfällen oder Schäden durch fehlerhafte Installationen oder mangelnde Betriebsführung kommt.

Mit unserer langjährigen Erfahrung und Expertise im Bereich der technischen Sicherheit und dem Brandschutz von Batteriespeichern bieten wir in enger Zusammenarbeit mit der Firma VDE Renewables Prüf- und Zertifizierungsleistungen von der Batteriezelle über alle peripheren Komponenten bis hin zu kompletten Systemen an.

Unsere Arbeitsschwerpunkte umfassen dabei:

  • Entwicklung von Teststandards sowie Aufbau von Testinfrastruktur für Laderegler und Batterieanwendungen (z. B. Solar Home Systeme (SHS) und PV-Batterie Pakete, PV-Diesel-Hybridsysteme, Batteriespeicherwerke)
  • Testen und Zertifizieren von Stromversorgungssystemen im Labor und im Feld – von Pico PV über Solar Home Systeme bis hin zu PV-Diesel-Systemen
  • Ganzheitliche technische Due Diligence Betrachtungen
  • Prüfung und Zertifizierung von PV-Batteriesystemen und Batteriespeicherwerken
  • Monitoring von Batteriesystemen und Analyse der Performance im Feld
  • Beratung, Entwicklung und Aufbau von Testlaboren inklusive Entwicklung von Trainingskonzepten und Durchführung von Schulungen

Modellierung und Simulation von Energieversorgungssystemen

Die Erkenntnisse aus den Leistungs- und Alterungstests unseres »LabBatteries« werden in sehr detaillierte Batteriemodelle umgesetzt. Diese Modelle werden in die Simulation von Batterieanwendungen einbezogen, die eine ganzheitliche Betrachtung und Optimierung des Gesamtsystems, die Bewertung des technischen Designs und die Wirtschaftlichkeit der zugrunde liegenden Geschäftsmodelle ermöglichen.

Unsere Arbeiten umfassen unter anderem:

  • Konzeption, Entwicklung und Validierung von Modellen zur Simulation von Stromspeichern in Stromnetzen mit einem hohen Anteil Erneuerbarer Energien
  • Wissenschaftliche Untersuchungen zur Erschließung neuer Anwendungsbereiche und Geschäftsfelder
  • Technische Auslegung, Verifizierung und Optimierung von Batteriesystemen im Zusammenspiel mit erneuerbaren Erzeugern auf Basis von Systemsimulationen
  • Konzeption von optimierten Energiemanagementstrategien und Management von Kühlsystemen zur Steigerung der Batterielebensdauer
  • Wirtschaftlichkeitsberechnungen und Betriebsoptimierung auf Basis von Monitoring-Daten

Unsere flexiblen und optimierten Entwicklungsprozesse ermöglichen es uns, „agile“ Software für spezifische Kundenanforderungen zu entwickeln.

Unsere Simulations- und Modellierungsaktivitäten umfassen einerseits die Code-Entwicklung maßgeschneiderter und kundenspezifischer Lösungen auf generischen Programmiersprachen wie Python, Matlab oder Modelica. Andererseits bieten wir unseren Kunden die Konzeption und Auslegung sowie die technische und wirtschaftliche Analyse von Energiesystemen mit Hilfe professioneller Softwaretools wie HOMER, PVSyst oder PowerFactory an. Dabei blickt das Simulationsteam auf langjährige Erfahrung mit diesen Simulations-Werkzeugen zurück.

Energiemanagementsysteme (EMS) und optimierte Betriebsführung

In modernen Haushalten, Bürogebäuden und Produktionsstätten sind die verschiedenen Komponenten des Energiesystems auf komplexe Weise miteinander verbunden. Dabei spielen Batteriespeicher zunehmend eine wichtige Rolle um die Flexibilität zu steigern und die Betriebskosten der Gebäudeenergieversorgung zu reduzieren. Um dieses Potential voll ausschöpfen zu können werden die Komponenten über ein zentrales Energiemanagementsystem (EMS) miteinander verknüpft und auf intelligente Weise gesteuert.

Das Fraunhofer ISE bietet in diesem Umfeld folgende Dienstleistungen an:

  • Kundenspezifische Entwicklung und Implementierung von Betriebsführungsalgorithmen
  • Analyse und Bewertung bereits bestehender Betriebsführungsstrategien
  • Einbindung der Komponenten ins Gesamtsystem (Kommunikation und Energieströme)
  • Untersuchung der Auswirkung unterschiedlicher Betriebsführungsstrategien auf übergeordnete Netzstrukturen
  • Services für netzgekoppelte und netzferne sowie stationäre und mobile Anwendungen

Auch über das Thema »Angewandte Speichersysteme« hinaus, beschäftigt sich das Fraunhofer ISE mit der Optimierung des Gebäudebetriebs.

Systemtechnik für netzgekoppelte und netzferne Anwendungen

Das Fraunhofer ISE verfügt über langjährige  Erfahrung bei der Auslegung der Systemtechnik und der Komponentenauswahl für innovative speicherunterstützte Stromversorgungskonzepte in stationären und mobilen Anwendungen. Dabei werden alle Projektphasen abgedeckt und eine fachliche Unterstützung oder die vollständige Umsetzung der jeweiligen Projektphase übernommen. Im Folgenden sind exemplarisch Anwendungsbereiche genannt, in denen Systemplanung und Umsetzung durch das Fraunhofer ISE übernommen werden können:

  • Netzunabhängige Stromversorgung von Einzelobjekten
  • PV-Hybrid-Inselnetze
  • Netzgekoppelte PV-Batteriesysteme
  • Quartiersspeicher
  • kommerzielle und industrielle Batteriesysteme
  • Elektromobilitätsanwendungen
  • Light Electric Vehicles (LEV)