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HD-Store Machbarkeitsstudie über dezentrale Hydraulik-Druckgas-Speicher

Eine vielversprechende Speichertechnologie zur Anwendung als dezentraler Mittel- und Langzeitspeicher im Bereich von 10 kWh bis 10 MWh stellt ein Hydraulik-Druckgas-Speicher dar. Diese Technologie vereint einen pneumatischen Speicher mit einem angekoppelten hydraulischen System, wodurch sich unter anderem folgende (technische) Vorteile gegenüber anderen Technologien ergeben. Durch die modulare Bauweise kann das System individuell an die jeweilige Anwendung angepasst werden und ist damit über einen weiten Einsatzbereich frei skalierbar. Die grundlegenden Systemkomponenten und Einzeltechnologien sind Stand der Technik, bereits am Markt erhältlich und vielfach erprobt. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit auf ein sicheres, zuverlässiges, flexibles und kostengünstiges Speichersystem. Prioritäres Ziel des Projekts ist die Untersuchung der wirtschaftlichen und technischen Machbarkeit des angestrebten HDS Systems. Das Vorhaben soll die notwendige Datengrundlage und Erkenntnis für die Realisierung einer Pilotanlage in einem nachfolgendem F&E- Projekt generieren und den dafür erforderlichen Entwicklungsbedarf feststellen. Basierend auf der Projektidee erfolgt der Entwurf eines Basissystems welches im Anschluss einer gründlichen Systemanalyse unterzogen wird. In weiterer Folge soll ein Simulationsmodell einer vollständigen HDS-Anlage und deren Einzelkomponenten abgeleitet werden. Als passende Simulationsumgebung wird dabei Mathworks Matlab/Simulink angesehen. Aus den gewonnenen Erkenntnissen werden die Eigenschaften, Charakteristiken, Schwachstellen und Entwicklungsnotwendigkeiten der Technologie aufgezeigt, um schließlich in die Zusammenstellung eines Speichsystems mit möglichen Musteranwendungen zu münden. Aufgrund dieser Vorgehensweise kann das Vorhaben kostengünstig und effizient durchgeführt werden.

Ausgangssituation

Ein stetiger und deutlicher Trend zur Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energie am Strommix in Europa aufgrund der zu erreichenden Klimaziele ist klar zu erkennen. Besonders die Bereiche Windkraft und Photovoltaik verzeichnen nennenswerte Zuwächse. Die Einführung und Weiterentwicklung von innovativen und nachhaltigen Speichertechnologien um eine flexible und intelligente Energieversorgung (Stichwort: Smart Grids, Load Shift, Peak Shaving, Eigenverbrauchserhöhung) zu fördern wird von der Fachwelt als Notwendigkeit zum weiteren Ausbau dezentraler, volatiler erneuerbarer Energien gesehen. Denn mit dem Einsatz von Speichertechnologien kann unter anderem der Netzbezug und die Netzeinspeisung verringert werden. Ein weiterer wichtiger Faktor stellen die, im Vergleich zu den steigenden Strombezugspreisen, sinkenden Einspeisetarife dar. Aktuell stehen nur Blei- und Li-Ionen Akkumulatoren als wirtschaftlich akzeptable und marktreife Technologie im Bereich der Kleinspeicher zur Verfügung. Bei der derzeitigen Preissituation in diesem Segment ist die Wirtschaftlichkeit für die längere Speicherung elektrischer Energie nicht gegeben.

Projektverlauf

Als Ansatz wurde eine Systemzusammenstellung aus Groß- und Kleinserienkomponenten zur Kombination von hydraulischem Verdichter und Gasfeder als Energiespeicher in adiabater sowie isothermer Betriebsweise gewählt. Dabei wurde zu Beginn des Projektes ein Simulationsmodell zum Einsatz von Stromspeichern in übergeordneten Netzen im Simulationstool Matlab-Simulink erarbeitet. Aus realen Verbrauchsdaten von Hauhalten, Bürogebäuden und Gewerbebetrieben sowie gemessenen Erzeugungsdaten von unterschiedlichen Photovoltaik Anlagen wurden Lastkollektive zur Speicherbeaufschlagung ermittelt, welche die Einsatzrandbedingungen für das Speichersystem darstellen. Darauf aufbauend wurden im Anschluss geeignete Systemkomponenten definiert, welche als Variation von Gesamtsystemen diese Einsatzanforderungen erfüllen können. In einem Verfeinerungsschritt des Simulationsmodelles wurde die Abbildung der Energiewandlung im Speicher über Wirkungsgradketten und -kennfelder sowie die Modellierung der Gasfeder über ein thermodynamisches Modell durchgeführt. Durch eine Parameterstudie zur Verbesserung von Wirkungsgrad, Energiedichte und Systemkosten erfolgte eine Identifikation und Lösungsfindung für technologische und wirtschaftliche Problemstellungen in den Gesamtsystemzusammenstellungen.

Für die Einzelkomponenten der Systemvarianten wurden mögliche Technologvarianten gesammelt und in Bewertungsmatrizen gegenüber gestellt. Dadurch war es möglich, für spezifische Einsatzbedingungen die notwendigen Eigenschaften der Baugruppen gezielt auszuwählen.

Der Antriebstrang des Speichers wurde aus einem elektrischen und einem hydraulischen Teilsystem aufgebaut. Für den elektrischen Bereich besteht vor allem bei der E-Maschine eine umfangreiche Auswahlmöglichkeit in Bauweise, Eigenschaften und Kosten. Umrichteroptimierte, synchrone Reluktanzmaschinen oder Kurzschlussläufer- Asynchronmaschinen sind für ein HDS-System sinnvoll einsetzbar, wobei im Konzeptentwurf aus Kostengründen eine Asynchronmaschine eingesetzt wurde. Frequenzumrichter sind ebenfalls in unterschiedlichen Bauweisen verfügbar, rückspeisefähige Frequenzumrichter werden aktuell jedoch erst ab 5,5 kW Leistung angeboten. Daraus folgt die Vorgabe der minimalen Antriebsleistung des Speichers.

Im Bereich der hydraulischen Maschine sind unterschiedliche Bauarten verfügbar, wobei ein für eine ausreichende Speicherdichte notwendiges Druckniveau durch Axialkolbenpumpen aus der Großserie erreicht werden kann. Als Gasfeder zur Speicherung der potentiellen Energie dienen Standard-Druckgasflaschen bis 350 bar Einsatzdruck. Eine bedeutende Komponente des Speichersystems stellt das Interface zwischen Hydraulik- und Gasbereich dar. Dazu können unterschiedliche Verfahren zur Verdichtung des Gases angewandt werden, wobei im vorliegenden System eine Kolbenspeicherlösung als zielführend erachtet wurde. Als Ergebnis aus der Betrachtung der Komponenten in Kombination mit den definierten Einsatzrandbedingungen wurden mehrere Gesamtsystemvarianten erarbeitet. Über die Speichereinsatzsimulation konnten deren technologische sowie wirtschaftliche Eigenschaften beschrieben und verglichen werden. Eine Parameterstudie der Systemkosten brachte Aufschlüsse über die optimale Systemauslegung sowie die bedeutendsten wirtschaftlichen Einflussgrößen in der Systemzusammenstellung.

Ergebnisse

Es konnte gezeigt werden, dass eine Zusammenstellung eines HDS-Systems aus Serienbauteilen grundsätzlich möglich ist. Einige der Komponenten sind technologisch ausgereift und in einem wirtschaftlich sinnvollen Preisbereich am Markt verfügbar. Jedoch wird ein weiterer Forschungs- und Entwicklungsbedarf in der Speicherstation des HDS-Systems gesehen. Die aktuell sehr hohen Kosten für Kolbenspeicher machen einen wirtschaftlichen Einsatz von im Handel verfügbaren Bauteilen nicht möglich. Auch das Kostenniveau der Standard-Druckgasflaschen befindet sich in unwirtschaftlichen Bereichen. In der Recherche konnten neue Ansätze zur kostengünstigen Serienfertigung dieser Komponenten aus Faserverbundwerkstoff gefunden werden. Entsprechende Produkte sind jedoch noch nicht im Handel verfügbar und müssen erst zur Serienreife gebracht werden.

Der grundsätzliche Nachteil der geringen Speicherdichte von Druckgasspeichern wird in stationären Anwendungen im Gegensatz zu mobilen Einsatzgebieten als weniger kritisch angesehen. HDS-Systeme mit adäquaten Speicherkapazitäten für den Einsatz als Tagesspeicher in Gebäuden haben trotz alledem einen nicht zu vernachlässigenden Platzbedarf. Es wurden daher auch unterschiedlichen Möglichkeiten zur Verbesserung der Speicherdichte diskutiert, jedoch befinden sich alle gefundenen Technologievarianten außerhalb der Serienreife. Der Einsatz dieser Technologieoptionen bringt daher weiteren F&E Bedarf mit sich. Um das in diesem Projekt zusammen gestellte HDS-System zur Umsetzung zu bringen, wird eine konkrete Nischenanwendung, nämlich die USV-Systeme, als ein mögliches Einsatzgebiet erachtet. Hydraulische Druckgasspeicher weisen spezifischen Eigenschaften auf, die in dieser Anwendung deutliche Vorteile gegenüber chemischen Speichern aufweisen können. Die in diesem Projekt ermittelten Grundlagen zu einem HDS-System bieten eine solide Basis für ein weiterführendes Forschungsprojekt zur Entwicklung eines entsprechenden Speichersystems zur Anwendung in USV- Systemen. Die Weiterentwicklung der Hochdruckkomponenten über Faserverbundwerkstoffe kann ebenfalls als Forschungsfeld empfohlen werden.