16 Dezember 2024

Ultraschnelle Kurzzeitspeicher für ein sicheres Stromnetz

Der Umbau des Energiesystems auf erneuerbare Energieträger ist in vollem Gange. Durch das sehr große und kostenlose Angebot der Solarenergie bildet die Photovoltaik dabei naturgemäß einen wichtigen Baustein. Die weltweite kumulierte installierte Leistung hat 2020 die Terawattgrenze überschritten, der jährliche Zuwachs in den Jahren 2020 bis 2023 betrug im Mittel knapp 40 %. Allein in Deutschland waren Anfang 2024 über 82 GW installiert. Leider liegt es in der Natur der Sonnenenergie, dass sie nicht immer dann zur Verfügung steht, wenn sie auch gebraucht wird. Dazu kommt, dass sie zudem unvorhersehbaren, schnellen Schwankungen durch Wolkenbewegung unterworfen ist. Gerade diese schnellen Schwankungen können jedoch durch die eher trägen herkömmlichen Batteriespeicher nicht gut kompensiert werden, sie belasten die Leistungselektronik und stellen zudem eine Herausforderung für das Stromnetz dar. Hier können sie unter Umständen zu problematischen Spannungsschwankungen führen. Ohne ein teures Upgrade des Stromnetzes müssten Anlagen dann zur Vermeidung von Schäden gedrosselt werden.

Um das zu verhindern, entwickelte das interdisziplinäre Projektteam aus Wissenschaftlern und Ingenieuren von DHG Engineering, Skeleton Technologies, TH Nürnberg, Sunset Energietechnik und der Überlandzentrale (ÜZ) Mainfranken unter der Koordination vom CAE eine spezielle Glättungselektronik auf der Basis von Ultrakondensatoren. Diese Energiespeicher haben zwar nur rund ein Zehntel der Speicherkapazität einer aktuellen Lithiumbatterie, dafür können sie aber über 100-mal schneller geladen und entladen werden und zeigen auch nach sehr häufigen Ladezyklen nur eine sehr geringe Alterung.

Messungen der solaren Strahlungsleistung mit hoher zeitlicher Auflösung am CAE haben gezeigt, dass rapide Leistungssprünge um 80 % der PV-Leistung innerhalb weniger Sekunden an entsprechend wolkigen und windigen Tagen keine Seltenheit sind. Mit der entwickelten Elektronik, die einfach an den Eingang eines herkömmlichen Wechselrichters angeschlossen wird, können die Sprünge von Sekunden bis etwa zwei Minuten gestreckt werden. Ebenso erreicht man eine Abmilderung der sogenannten „Strahlungsüberhöhung“, verursacht durch die Reflexion an weißen Wolken. Hier liegt die eingestrahlte Leistung deutlich über der an einem klaren Tag theoretisch zu erwartenden. Da hier die nominale Werte der PV-Anlage überschritten werden, stellt sie eine starke Belastung der Leistungselektronik dar.

Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderte Projekt NetPVStore („Entwicklung eines netzdienlichen Photovoltaik-Speicher-Systems unter Einsatz von Ultrakondensatoren“) wurde 2020 gestartet. Im Frühjahr 2024 wurde eine 5 kW Demonstrationsanlage auf dem Dach der ÜZ Mainfranken installiert und in Betrieb genommen. Hier werden die Erkenntnisse noch bis zum Frühjahr 2025 in der Praxis erprobt und validiert.