Forschende der FH Dortmund drehen die Spannung hoch
Für die Energiewende ist Deutschland auf Hochleistungsbatteriespeicher
angewiesen, um auch bei Windstille und Dunkelheit Strom bereitzustellen.
Doch mit der immensen Zahl einzelner Batteriezellen, die in diesen Anlagen
verkabelt werden, steigen die Energieverluste. Am Fachbereich
Elektrotechnik der Fachhochschule Dortmund wollen Forschende im Projekt
KV-BATT diese Verluste reduzieren und erhöhen dazu die Spannung um das
Zehn- bis Zwanzigfache.
Ein kleiner Exkurs zurück in die Schulzeit: Die elektrische Leistung
beschreibt, wie viel Energie in einer bestimmten Zeitspanne benötigt wird.
Sie steht als Watt-Angabe auf jedem Gerät. Die Spannung wird durch die
Steckdose vorgegeben, hierzulande sind das 230 Volt. Daraus lässt sich nun
die Stärke des Stroms errechnen, der durchs Kabel fließt. Stromstärke ist
Leistung geteilt durch Spannung. Beim 900-Watt-Staubsauger an einer
Steckdose fließen somit knapp 4 Ampere Strom.
„Würde aus der Steckdose die doppelte Spannung kommen – also 460 Volt –,
läge die Stromstärke für den Staubsauger bei nur noch 2 Ampere“, rechnet
Prof. Dr. Stefan Kempen vor. Er lehrt elektrische Energietechnik an der FH
Dortmund und bringt noch einen entscheidenden Faktor ins Spiel: den
Widerstand. „Den bekomme ich nie ganz weg. Selbst das gut leitende
Kupferkabel hat einen kleinen Widerstand“, erklärt Prof. Kempen. Und je
höher die Stromstärke, desto höher sind die Verluste durch den Widerstand.
Beim Staubsauger ist das alles kein Problem. Doch
Hochleistungsbatteriespeicher haben heute Leistungen bis zu 100 Megawatt –
also 100 Millionen Watt. Ihre Spannung liegt etwa bei 1000 Volt.
Entsprechend der Formel (Leistung geteilt durch Spannung = Stromstärke)
entstehen also Ströme von vielen Tausend Ampere. „Selbst kleinste
Widerstände erzeugen dann enorme Verluste – und zwar doppelt“, so Prof.
Kempen. Denn es geht Strom verloren, der in Form von Wärme abgegeben wird.
Die Folge: Die Batteriespeicher müssen gekühlt werden. „Dafür wird
wiederum neue Energie benötigt“, erklärt Prof. Kempen.
Je höher die Spannung, desto niedriger der Strom, desto geringer der
Verlust
Die Lösung klingt leicht: „Wir müssen mit der Spannung hoch, um die
Verluste zu minimieren – denn je höher die Spannung, desto niedriger der
Strom, desto geringer der Verlust“, sagt Prof. Dr. Martin Kiel. Auch er
lehrt am Fachbereich Elektrotechnik und hat das Projekt KV-BATT mit Prof.
Kempen vorangetrieben. Gemeinsam wollen sie die Spannung im
Batteriespeicher nun mindestens um den Faktor 10, vielleicht auch um den
Faktor 20 erhöhen.
Dafür entsteht derzeit in der sauerländischen Gemeinde Ense in
Zusammenarbeit mit den örtlichen Stadtwerken ein Reallabor. Zwei
Batteriespeicher – einer mit der klassischen Spannung von 1000 Volt, einer
mit 10.000 bis 20.000 Volt Spannung. „Wir werden dann nicht nur geringere
Verluste sehen, sondern können unter realen Bedingungen prüfen, wie sich
die Hochspannung auf die Lebensdauer der Batterien auswirkt und wie wir
mit einem guten Batterie-Monitoring das Gleichgewicht der einzelnen
Batteriezellen verbessern können“, sagt Prof. Kiel.
Gleichzeitig sollen Normen und Regeln für die Isolierabstände zwischen
spannungsführenden Teilen definiert werden. Während diese bis etwa 1500
Volt sowohl für Gleichstrom als auch für Wechselstrom seit Langem geklärt
sind und auch bei den Überlandkabeln mit mehr als 100.000 Volt erprobt
wurden, fehlen Normen für Gleichspannung im mittleren Spannungsniveau.
„Bei 10.000 und 20.000 Volt sind Regeln zur Isolierung in weiten Teilen
nicht bekannt“, sagt Prof. Kempen. Auch der Aufbau passender Gleichstrom-
Schalter sei noch nicht hinreichend definiert.
In den vergangenen Jahren haben die Forschenden an der FH Dortmund bereits
eine Vielzahl an Berechnungen durchgeführt, eine eigene modulare
Batteriespeicher-Baugruppe entwickelt und diese im FH-eigenen
Hochspannungslabor unter diversen Umweltbedingungen von Temperatur bis
Luftfeuchtigkeit erfolgreich getestet. „Jetzt wollen wir dieses System im
Reallabor final prüfen“, sagt Prof. Kiel. Ende dieses Jahres sollen die
Fundamente in einem Gewerbegebiet in Ense-Höingen stehen. 2026 nimmt das
Reallabor dann für zwei Jahre den Betrieb auf.
Die FH-Forschenden sind zuversichtlich, mit ihrem Ansatz eine kleine
Revolution in den Batteriespeicheranlagen einzuläuten. Denn ihre modulare
Baugruppe ist dank höherer Spannung und dadurch geringerem Widerstand
deutlich kompakter als herkömmliche Systeme, kommt dank geringerem
Wärmeverlust ohne aktive Kühlung aus und soll einen nahezu wartungsfreien
Betrieb ermöglichen. Die Module lassen sich einfach zu Reihen verbinden,
um an den jeweiligen Strombedarf angepasst zu werden. Parallel zum
Reallabor läuft das europäische Patentverfahren.
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Hintergrund:
Das Projekt „KV-BATT-SYST“ ist das Folgeprojekt zu „KV-BATT-TECH“, in dem
die FH Dortmund die Grundlagen der Hochleistungsbatteriespeicher
entwickelt hat. Im Forschenden-Team der FH Dortmund arbeiten neben Prof.
Kempen und Prof. Kiel auch die wissenschaftlichen Mitarbeiter*innen
Vanessa Steinkötter, Florian Leßmann und Marvin Sommer. Am Praxistest im
Reallabor sind zudem die Ense Werke GmbH, die AEG Power Solutions aus
Warstein und WEISSGERBER Engineering aus Dortmund beteiligt. Gefördert
wird das Projekt vom Ministerium für Wirtschaft, Industrie, Klimaschutz
und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen.
