Interdisziplinäre Forschung als Lösung hochkomplexer Themen

TU München begegnet mit EEBatt den Herausforderungen der Energiewende

Energiespeicher zählen zu den Schlüsseltechnologien der Energiewende. Erst die Verbreitung wirtschaftlicher und zuverlässiger Energiespeicher ermöglicht eine bezahlbare und sichere Versorgung aus erneuerbaren Energien. Die Entwicklung leistungsfähiger Energiespeicher ist allerdings eine der großen Herausforderungen der Energiewende. Dieser Herausforderung begegnet die Technische Universität München unter anderem mit dem Forschungsprojekt EEBatt. Gefördert vom Bayerischen Wirtschaftsministerium mit 28,8 Millionen Euro widmen sich mehr als 40 Wissenschaftler an 14 Instituten aus 6 Fakultäten der Erforschung von stationären Batterien auf Basis von Lithium-Ionen. Projektpartner aus Industrie und Praxis sind die VARTA Storage GmbH sowie das Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE Bayern). EEBatt ist von einem außerordentlich interdisziplinären Charakter gekennzeichnet. Das Spektrum der wissenschaftlichen Aktivitäten reicht von der Grundlagenforschung für Batteriezellen, der prototypischen Entwicklung von Komponenten und Speichersystemen bis hin zur Analyse von Marktpotenzialen und Geschäftsmodellen. Die theoretischen Arbeiten erfolgen eng verzahnt mit einem Feldtest in einem bayerischen Ortsnetz auf Niederspannungsebene.

Speicher sind für die Energiewende nötig

EEBatt beschäftigt sich mit einer der Schlüsselkomponenten der Energiewende. Während die Stromerzeugung aus fossilen Energien bedarfsgerecht gesteuert wird, hängt sie bei regenerativen Energien von Witterung, Tages- und Jahreszeit ab. Für die Integration von Sonnen- und Windenergie sind Technologien zum Lastausgleich nötig. Derzeit werden fossile Kraftwerke in dem Umfang zurückgefahren, wie es die Einspeisung aus erneuerbaren Energien verlangt. Auch die Übertragung von regionalen Stromüberschüssen zu weit entfernten Verbrauchern stellt eine Möglichkeit zum Lastausgleich dar. Mit dem weiteren Ausbau erneuerbarer Energien geraten diese Maßnahmen jedoch zunehmend an ihre Grenzen. Überlastungen von Transformatoren und Leitungen können zunehmend nur noch durch Abschaltungen oder Abregelung von Windkraft- und Photovoltaikanlangen vermieden werden. Solche Schwierigkeiten sind keine Prognosen für die ferne Zukunft, sondern gehören schon heute zu den alltäglichen Problemen der Netzbetreiber. Betroffen sind insbesondere ländliche Regionen Bayerns mit zahlreichen Photovoltaikanlagen. In diesen Regionen herrscht besonders zur vor allem zur Mittagszeit häufig ein Überangebot an Photovoltaikstrom, welches durch Übertragung des Stroms in andere Regionen abgebaut werden kann. Dieser Stromtransport führt jedoch häufig zur Überlastung von Betriebsmitteln und hat einen kostenintensiven Netzausbau zur Folge. Im Projekt EEBatt wird die lokale Speicherung von Strom aus Erneuerbaren Energien erforscht, welche den notwendigen Netzausbau erheblich reduzieren und zukünftige Geschäftsmodelle für die Nutzung von Solarstrom auch nach dem EEG möglich machen kann.

Das wissenschaftliche Spektrum von EEBatt – Forschung an Batteriespeichern

EEBatt folgt einem ganzheitlichen und interdisziplinären Forschungsansatz. Die theoretische Forschung erfolgt eng verzahnt mit praktischen Tests. Untersuchungen im Bereich der Elektrochemie für Batteriezellen beginnen schon auf atomarer Ebene, z. B. mit der Analyse molekularer Gitterstrukturen durch die Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz in Garching. Im Labormaßstab werden neuartige Produktionsprozesse für die Herstellung von Batteriezellen und deren Zusammensetzung zu mehrzelligen Modulen entwickelt. Neuartige Produktionsprozesse bilden das Fundament für sinkende Stückkosten und damit für die Entwicklung wettbewerbsfähiger Speichersysteme. Der wirtschaftliche Betrieb eines Speichers hängt nicht zuletzt von der Lebensdauer der Batterie ab, wie auch vom ökonomischen Speicherbetrieb. Ein langes Batterieleben ist eines der wesentlichen Ziele des Batteriemanagementsystems. Das Batteriemanagement stellt sicher, dass die Batteriemodule einerseits die geforderten elektrischen Leistungen erbringen, andererseits aber nicht unzulässig betrieben und/oder überlastet werden. Als Entwicklungsziel des Energiemanagementsystems stehen Regelalgorithmen im Fokus, die eine wirtschaftliche Betriebsweise des Speichers gewährleisten. Für verschiedene Einsatzbereiche der Speicher werden verschiedene Energiemanagementsysteme entwickelt. Es unterscheiden sich beispielsweise Regelstrategien für Batterien, die vor allem der Entlastung eines Ortsnetztransformators dienen von jenen zur Maximierung des lokalen Verbrauchs von lokal erzeugtem Strom. Auch Regel- und Kommunikationsstrategien für mehrere Speicher im Verbund, sogenannten Speicherschwärme, sind Gegenstand der Untersuchungen. Neue Entwicklungsschritte des Batterie- und Energiemanagementsystems werden laufend simulativ und praktisch getestet und weiter verbessert. Für Tests im Labormaßstab wurden mehrere Prüfstände und Klimakammern für Batteriezellen und -packs geschaffen. Außerdem können realitätsnahe Untersuchungen für komplette Speicher von der Größe eines Schiffscontainers an einem neuen Hochleistungsprüfstand der TUM durchgeführt werden.

Das wissenschaftliche Spektrum von EEBatt – Forschung über Batteriespeicher hinaus

Der Forschungshorizont von EEBatt geht weiter über die Grenzen einer stationären Lithium-Ionen-Batterie hinaus. Ein zukünftiger Batteriespeicher muss sich im Wettbewerb nicht nur gegenüber anderen Batteriespeichern durchsetzen. Er tritt jedoch auch in Konkurrenz mit Technologien wie Pumpspeicherkraftwerken oder zukünftigen Wasserstoff- oder Methanspeichern. Zudem beeinflusst die Verbreitung flexibler Kraftwerke, flexibler Verbraucher oder der Ausbau von Stromnetzen das Marktvolumen für Speicher. Welche Bedeutung Batteriespeicher für die Energieversorgung der Zukunft haben, wird mit mathematischen Modellen für Energiesysteme, durch Marktstudien und Analyse von Geschäftsmodellen untersucht. Energiesystemmodelle bilden reale Wechselwirkungen zwischen Komponenten in Energiesystemen ab. Erst die Berücksichtigung technischer und wirtschaftlicher Zusammenhänge deckt Synergieeffekte auf, die bei der Einzelbetrachtung von Anlagen und Komponenten verborgen blieben. So zeigt sich beispielsweise, in welchem Umfang, welche Speichertechniken vorhandene Stromleitungen und konventionelle Kraftwerke entlasten können. Schließlich wird nach dieser Methodik das Integrationspotenzial für erneuerbare Energien ermittelt. Die Untersuchungen weisen einerseits den volkswirtschaftlichen Nutzen verschiedener Versorgungsvarianten aus, andererseits geben sie Aufschluss über die Betriebswirtschaftlichkeit einzelner Systemkomponenten. Für besonders vielversprechende Anwendungsfälle stationärer Batteriespeicher laufen Untersuchungen zur Abschätzung von Marktpotenzialen sowie die Entwicklung von Geschäftsmodellen. Im mitteleuropäischen Kontext ist der Einsatz von Batteriespeichern vor allem zur Netzentlastung interessant. Zur Netzentlastung sind sowohl einzelne Quartierspeicher denkbar, als auch regional verteilte Speicherschwärme. Mit beiden Geschäftsmodellen betreten zukünftige Betreiber nicht nur technisches, sondern auch rechtliches Neuland. Insbesondere die genossenschaftliche Bürgerbeteiligung an einem Quartiersspeichern schafft für das deutsche Energiewirtschaftsrecht bisher ungekannte Fälle. Konsequenterweise folgen aus EEBatt Empfehlungen zur Anpassungen von Gesetzen an den technologischen Wandel.

EEBatt im internationalen Kontext

Für den wirtschaftlichen Einsatz auf breiter Front im europäischen Verbundnetz ist für Batteriespeicher eine fortlaufende Preiserosion nötig. Neben Anstrengungen in der Forschung bringt die anlaufende Massenproduktion von Lithium-Ionen-Batterien für elektrische Straßenfahrzeuge weitere Kostensenkungen mit sich. Im internationalen Kontext gibt es für Batteriespeicher schon zu heutigen Bedingungen wirtschaftliche Anwendungsfälle. Hier werden insbesondere der Speichereinsatz in regenerativen Inselsystemen untersucht und Marktpotenziale abgeleitet. Batteriegestützte Inselsysteme haben vor allem in Regionen ohne oder mit unzuverlässigem Stromnetz eine große Bedeutung für die wirtschaftliche und umweltfreundliche Entwicklung.

EEBatt für Bayern

Das Forschungsprojekt EEBatt leistet nicht nur für die Energiewende in Deutschland und der Welt einen wichtigen Beitrag. EEBatt stärkt auch den Wirtschafts- und Wissenschaftsstandort Bayern durch praxisnahe Forschung und Ausbildung. In EEBatt sind zahlreiche Studierende und Doktoranden beschäftigt, die fortlaufend ihr Wissen und ihre Erfahrungen erweitern. Diese Erkenntnisse und Erfahrungen schaffen und sichern zukünftige Arbeitsplätze in Bayern und bilden damit die Grundlage für unseren Wohlstand.