Analyse und Optimierung der Zuverlässigkeit und Effizienz von hybriden Batteriespeichern am Beispiel von M5BAT

Koltermann, Lucas; Bocklisch, Thilo; Sauer, Dirk Uwe

doi:10.18154/RWTH-2025-06200

Analyse und Optimierung der Zuverlässigkeit und Effizienz von hybriden Batteriespeichern am Beispiel von M5BAT

Koltermann, Lucas^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Lucas Koltermann, M. Sc.

ImpressumAachen : Institute for Power Electronics and Electrical Drives (ISEA), RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ReiheAachener Beiträge des ISEA ; 194

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Sauer, Dirk Uwe (Thesis advisor)^RWTH* ; Bocklisch, Thilo (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-02-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-06200
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1015017/files/1015017.pdf

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Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Batteriegroßspeicher (frei) ; Betriebsdaten (frei) ; Energiemanagement (frei) ; Leistungsaufteilung (frei) ; Lithium-Ionen-Batterien und Blei-Säure-Batterien (frei) ; energy management system (frei) ; large-scale battery storage system (frei) ; lithium-ion batteries and lead-acid batteries (frei) ; operational data (frei) ; power distribution algorithm (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Die Energiewende in Deutschland hat das Ziel, eine CO2-neutrale Zukunft zu ermöglichen. Im Bereich der elektrischen Energieversorgung bedeutet die Energiewende eine Abkehr von fossilen Brennstoffen und einen Ausbau der erneuerbaren Energien aus Windkraft- und Photovoltaikanlagen. Die volatile Erzeugungscharakteristik der erneuerbaren Energien macht Kurz- und Langzeitspeicher im Energiesystem notwendig, wobei Batteriespeicher den Platz der Kurzzeitspeicher einnehmen. In dieser Arbeit werden die Analysen aus dem Betrieb des Batteriegroßspeichers M5BAT vorgestellt, der seit 2016 von der RWTH Aachen betrieben wird. Mit ca. 6 MW / 7,5 MWh und durch den hybriden Aufbau mit zehn Batterieeinheiten und fünf unterschiedlichen Batterietechnologien ist M5BAT in der Forschungslandschaft einzigartig. Dadurch können die eingesetzten Batterietechnologien miteinander verglichen werden und technologiespezifische Vorteile genutzt werden. Zu den Themen Zustandsanalyse, Reaktionsgeschwindigkeit, Effizienz und Energiemanagement werden Forschungsfragen bzw. Thesen formuliert und durch Untersuchungen am Batteriegroßspeicher M5BAT beantwortet. Im Rahmen der Zustandsanalyse wurden die betrieblichen Batterieverfügbarkeiten, die Ausfallursachen sowie die Ausnutzungsgrade ermittelt. Dabei wurde deutlich, dass die überwiegenden Ausfallzeiten durch das jeweilige Batteriemanagementsystem oder die Verletzung von Spannungsgrenzen verursacht wurden. Bei Lithium-Ionen-Batterien der Lithium-Eisen-Phosphat Batterieeinheit des Batteriegroßspeichers M5BAT ist das Balancing für ca. 25 % der nicht nutzbaren Kapazität verantwortlich, während bei der Lithium-Mangan-Oxid Batterieeinheit des Batteriegroßspeichers M5BAT nur ca. 5 % der Kapazität aufgrund des Balancings nicht nutzbar sind. Die Reaktionsgeschwindigkeit von Batteriegroßspeichern ist hauptsächlich durch die eingesetzten Umrichter und die Steuerungs- und Messtechnik beeinflusst. Bei M5BAT sind im besten Fall Reaktionszeiten von 175 ms bis 325 ms möglich. Damit sind schnellere Anwendungen als Primärregelleistung möglich, für synthetische Trägheit müssen jedoch netzbildende Umrichter und umrichterintegrierte Regelalgorithmen eingesetzt werden. Im Rahmen der Effizienzuntersuchungen konnten Effizienzbereiche für Umrichter und Transformatoren ermittelt werden. Ein Benchmarktest und langjährige Betriebsauswertungen haben gezeigt, dass mit M5BAT eine Round-Trip-Effizienz von knapp 88 % möglich ist, im Primärregelleistungs- und Forschungsbetrieb liegt die Round-Trip-Effizienz allerdings bei ca. 75 %. Dies ist damit zu begründen, dass die Effizienzen der Umrichter und Transformatoren belastungsabhängig sind und im niedrigen Teillastbetrieb die geringsten Effizienzen auftreten. Die Effizienzauswertungen wurden bei der Entwicklung des Leistungsaufteilungsalgorithmus als Teil des Energiemanagementsystems berücksichtigt. Hier wird ein regelbasierter, stufenweiser Leistungsaufteilungsalgorithmus vorgestellt und in Testreihen im Primärregelleistungsbetrieb erprobt. Durch den Leistungsaufteilungsalgorithmus konnte gezeigt werden, dass eine Roundtrip-Effizienz des Batteriespeichers bei gleichzeitiger Reduktion der Umrichterschaltvorgänge und einer Einhaltung batteriespezifischer Ladezustandsbereiche von ca. 80 % erreicht werden kann. Auch der Energiedurchsatz pro Batterieeinheit kann gesteuert werden, wodurch die Batteriebelastung und folglich die Batteriealterung reduziert werden kann. Somit ermöglicht erst der Leistungsaufteilungsalgorithmus die Ausnutzung der technologiespezifischen Vorteile. Der vorgestellte Algorithmus kann für hybride oder modulare Batteriegroßspeicher adaptiert und eingesetzt werden, um einen effizienten und alterungsminimierenden Betrieb sicherzustellen. Die Erkenntnisse des Batteriegroßspeichers M5BAT sind auch auf andere Batteriegroßspeicher übertragbar. Die aufgezeigten Probleme des Balancings müssen jedoch von den jeweiligen Herstellern der Batteriemanagementsysteme oder Systemintegratoren gelöst werden und können im produktiven Anlagenbetrieb nur überwacht werden. Die Entwicklung eines datengetriebenen digitalen Zwillings kann in Zukunft die Vermarktung von M5BAT und anderen Batteriegroßspeichern verbessern und sollte vorangetrieben werden. Das kontinuierliche Monitoring und Datenlogging an M5BAT haben die Analysen erst ermöglicht und werden allgemein empfohlen.

The energy transition in Germany aims to enable a CO2-neutral future. In the field of electrical energy supply, the energy transition requires a shift away from fossil fuel power plants and an expansion of renewable energy such as wind and photovoltaic power plants. The volatile generation characteristics of renewable energies make short-term and long-term storage necessary in the energy system, with battery storage taking the place of short-term storage. This dissertation presents the analysis from the operation of the M5BAT large-scale battery storage system, which has been operated by RWTH Aachen University since 2016. With around 6 MW / 7.5 MWh and the hybrid design with ten battery units and five different battery technologies, M5BAT is unique in the research landscape. This allows the battery technologies used to be compared with each other and technology-specific advantages to be exploited. Research questions and theses are formulated on the topics of status analysis, reaction speed, efficiency and energy management and are answered by investigations on the M5BAT large-scale battery storage system. As part of the status analysis, the operational battery availability, the causes of failure and the degree of capacity utilization were determined. It became clear that the predominant failure times were caused by the respective battery management system or the violation of voltage limits. In case of lithium-ion batteries of the lithium-iron-phosphate battery unit of the M5BAT large-scale battery storage system, balancing is responsible for about 25 % of the unusable capacity, while in case of the lithium-manganese-oxide battery unit of the M5BAT large-scale battery storage system, only about 5 % of the capacity is unusable due to balancing. The reaction speed of large battery storage systems is mainly influenced by the inverters used and the control and measurement technology. With M5BAT, response times of 175 ms to 325 ms are possible in the best case. This means that faster applications than frequency containment reserve are possible, but grid-connected inverters and inverter-integrated control algorithms must be used for synthetic inertia. Efficiency ranges for inverters and transformers were determined as part of the efficiency studies. A benchmark test and long-term operational evaluations have shown that a round-trip efficiency of just under 88 % is possible with M5BAT; in frequency containment reserve and research operation, however, the round-trip efficiency is around 75 %. This is attributable to the fact that the efficiencies of the converters and transformers are loaddependent, with the lowest efficiencies occurring in low partial load operation. The efficiency evaluations were taken into account when developing the power distribution algorithm as part of the energy management system. A modular, rule-based power distribution algorithm is presented and tested in frequency containment reserve operation. The power distribution algorithm has shown that a round-trip-efficiency of around 80 % of the battery storage system can be reached while reducing the number of inverter switching operations and maintaining battery-specific state of charge ranges. The energy throughput per battery unit can also be controlled and used to reduce battery stress and consequently battery aging. This means that the power distribution algorithm is what makes it possible to exploit the technology-specific advantages. The algorithm presented can be adapted and used for hybrid or modular large-scale battery storage systems to ensure an efficient and aging-aware operation. The insights gained from the M5BAT large-scale battery storage system can also be transferred to other large-scale battery storage systems. However, the balancing problems identified must be solved by the respective manufacturers of the battery management systems or system integrators and can only be monitored in productive system operation. The development of a data-driven digital twin can improve the marketing and operation of M5BAT and other large-scale battery storage systems in the future and should be pursued. Continuous monitoring and datalogging on M5BAT made the analyses possible in the first place and are strongly recommended.

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