Leistungselekronik für Redox-Flow-Batterien - Bidirektionale Wechselrichter von TRUMPF Hüttinger

Erneuerbare Energien ersetzen zunehmend konventionelle Kraftwerke. Durch die Verteilung der Energiegewinnung auf sehr viel mehr (kleinere) Anlagen wird diese auch schwerer steuer- und verteilbar. Speichertechnologien sind dabei der Schlüssel für eine stabilere Versorgung, doch insbesondere batteriegestützte Speichertechniken sind auf eine besondere Leistungselektronik angewiesen. TRUMPF Hüttinger entwickelt in einem Pionierprojekt bidirektionale Wechselrichter für den kommenden Einsatz von Redox-Flow-Batterien.

Unter den bekannten Speichertechnologien zeichnen sich Redox-Flow-Batterien dadurch aus, dass Leistung und Speicherkapazität unabhängig voneinander skaliert werden können. Die Zahl der Stacks, die elektrische in chemische Energie umwandeln und umgekehrt, kann leicht an die erforderliche Kapazität angepasst werden; das gleiche gilt für die Menge des Elektrolyts, das die Energie chemisch speichert. Der gesamte Prozess der Speicherung und Entnahme der Energie ist praktisch verschleißfrei. Zudem können Redox-Flow-Batterien zu einem sehr großen Teil gut recyled werden (das Elektrolyt zu 100 Prozent) und verursachen deshalb eine geringe Umweltbelastung.

Das Prinzip wird schon seit Jahrzehnten erprobt, inzwischen sind kleinere Redox-Flow-Batterien am Markt erhältlich, größere werden international in Forschungs- und Pilotprojekten erprobt. Zugleich gibt es erste Analysen zu einer technisch sinnvollen Standortverteilung solcher Batterien und der damit verbundenen Entlastung der Verteilungsnetze.

Kooperationspartner Fraunhofer ISE und TRUMPF Hüttinger

Obwohl Redox-Flow-Batterien schon seit längerem entwickelt und erprobt werden, lag der Schwerpunkt der Projekte in Forschung und Industrie bisher sehr stark auf der Speichertechnologie selber, weniger auf der notwendigen Leistungselektronik. In enger Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) hat TRUMPF Hüttinger einen bidirektionalen Wechselrichter entwickelt, der genau auf die besonderen Anforderungen der Speichertechnik ausgelegt ist.

In bisherigen Lösungen werden in der Leistungselektronik meist Standardkomponenten eingesetzt, die für Photovoltaik-Anlagen ausgelegt sind, oft einfach aus Gründen der Verfügbarkeit. Die Charakteristik dieser Wechselrichter ist für Redox-Flow-Batterien mit ihrem typischen hohen Energiefluss in einem niedrigen Spannungsbereich aber nur eingeschränkt geeignet.

Wechselrichter für Funktionsblöcke

Der Start des Projektes bei Hüttinger liegt zwei Jahre zurück. Das Design des Wechselrichters hat mehrere Stufen durchlaufen, gleich geblieben ist allerdings die grundsätzliche Entscheidung, Wechselrichter für Redox-Flow-Funktionsblöcke auf Stack-Ebene zu konstruieren und zu bauen, die quasi „schlüsselfertige“, aber skalierbare Gesamtanlagen möglich machen. Diese Funktionsblöcke erfordern nur einen sehr reduzierten Installationsaufwand, und sie erzeugen ein redundantes Gesamtsystem, das auch nachträglich leicht in seiner Kapazität verändert werden kann.

Der Wechselrichter soll zunächst in drei Modellen mit Leistungen von 6, 20 und 33 kW angeboten werden. Er ist für den Anschluss an Niederspannungsnetze von 400 bis 480 V vorgesehen, die Toleranz beträgt minus 15 Prozent bei der Minimal- und plus 10 Prozent bei der Maximal-Netzspannung. Die zulässige Netzfrequenz liegt im Bereich von 45 bis 65 Hz, so dass der Wechselrichter weltweit ohne Anpassungsaufwand eingesetzt werden kann. Auf der DC-Seite gibt Hüttinger den Spannungsbereich mit 0 bis 70 V und eine Stromstärke bis 1350 A an.

Die kontinuierliche Leistung ist mit 20 kVA beziffert, die Überlastkapazität liegt bei 120-150 Prozent. Damit sind auch die grundlegenden Leistungsdaten pro Funktionsblock vorgegeben. Diese Daten lassen eine Verbesserung der Netzqualität erwarten, die insbesondere in kleineren Netzen und Mico-Grids die Stabilität entscheidend beeinflussen kann. Peaks können in einem weiten Bereich aufgefangen werden, was die angeschlossenen Verbraucher entlastet. Gerade bei Micro-Grids sieht Hüttinger einen vielversprechenden Anwendungsbereich: Für den Inselbetrieb ist die Konstruktion mit einer hohen Schieflast- und Blindleistungsfähigkeit ausgestattet.

Die Anlagenüberwachung realisiert Hüttinger mit Hilfe von Modbus TCP/UDP-Interfaces. Damit ist ein kontinuierliches Monitoring der AC- und DC-Seite der Batteriesysteme möglich.

Markteinführung im Frühjahr 2017 geplant

Die Laborphase haben die Hüttinger-Wechselrichter weitgehend abgeschlossen, Tests in realen Anlagen sind gestartet. Parallel arbeitet Hüttinger an Vorseriengeräten und Labormustern für interessierte Anwender. Das schon jetzt große Interesse an den Geräten gibt einen Ausblick darauf, wie dynamisch sich der Markt in den nächsten Jahren entwickeln kann. Der Serienstart mit verfügbaren Geräten für den Markt ist für das Frühjahr 2017 vorgesehen.

Für das neue Geschäftsfeld hat Hüttinger eine eigene Business-Unit ins Leben gerufen, die sich um die Entwicklung und Konstruktion kümmert und nach der Markteinführung um Vertrieb und Support ergänzt wird. Die Fertigungslinie im Freiburger Werk ist bereits aufgebaut und die Vorbereitungen für die Markteinführung weit fortgeschritten. Die Weichen für eine sehr konkrete Zukunftstechnologie sind also gestellt.