Entwicklung eines Vanadium-Redox-Flow-Batteriehybridsystems als Speichersystem für die Integration in eine Strom- und Wärmeversorgung (BiFlow)

Abstract

Im BiFlow Projekt wurde ein Hybridspeicher für die Versorgung eines Gebäudes mit Wärme und Strom entwickelt und im Studierendenwohnheim "Stage76" in Bruchsal aufgebaut und betrieben. Der Hybridspeicher kombiniert eine Lithium-Ionen (LIB) Batterie und eine Vanadium-Flow Batterie (VFB) mit einem neuartigen thermischen Koppelmodul (TKM). Dieses Modul erlaubt die Entnahme von Abwärme aus der VFB sowie die Einspeisung überschüssiger PV-Energie als Wärme in die VFB-Tanks und deren Übertragung an die Warmwasserversorgung des Gebäudes. Das Fraunhofer ICT erforschte eine angepasste Zusammensetzung des Vanadiumelektrolyten, um dessen thermische Stabilität zu erhöhen und so mehr Wärme in der VFB speichern zu können. Der entwickelte Elektrolyt ist bei Temperaturen bis 50 °C stabil, eine Steigerung von 10 °C gegenüber Standardelektrolyten. 1st Flow Energy Solutions war für die Entwicklung und den Aufbau der VFB verantwortlich. Für die thermische Nutzung wurden u.a. das hydraulische System angepasst, Wärmetauscher und Rührwerke zur Vermeidung thermischer Schichtung in den Elektrolyttanks integriert und der Betrieb bei höheren Temperaturen ermöglicht. Das KIT verantwortete die Auslegung des Gesamtsystems, entwickelte das TKM inklusive einer dedizierten SPS-Steuerung und implementierte ein übergreifendes Energiemanagementsystem (EMS) auf Basis von OpenEMS. Das EMS nutzt Prognosen (PV, Last, Wärme) und Optimierungsalgorithmen, um den Betrieb des Hybridspeichers hinsichtlich Verlusten, Alterung und Eigenverbrauch zu optimieren und die Selbstversorgung des Gebäudes signifikant zu erhöhen. Der erfolgreiche Betrieb des Demonstrators ermöglichte eine detaillierte Charakterisierung des Hybridsystems. Untersucht wurden das Betriebsverhalten der VFB (insbesondere bei ungewöhnlich hohen Temperaturen), die Effizienz und Dynamik der LIB sowie die Leistung des thermischen Koppelmoduls im realen Einsatz. Potentielle weitere Anwendungsfelder wurden identifiziert. Datei-Upload durch TIB In the BiFlow project, a hybrid storage system for supplying a building with heat and electricity was developed, installed and operated in the “Stage76” student residence in Bruchsal. The hybrid storage system combines a lithium-ion battery (LIB) and a vanadium flow battery (VFB) with a newly developed thermal coupling module (TCM). This module allows waste heat to be extracted from the VFB and excess PV energy to be fed into the VFB tanks as heat and transferred to the building's hot water supply. Fraunhofer ICT researched an adapted composition of the vanadium electrolyte in order to increase its thermal stability and thus be able to store more heat in the VFB. The adapted electrolyte is stable at temperatures of up to 50 °C, an increase of 10 °C compared to standard electrolytes. 1st Flow Energy Solutions was responsible for the development and construction of the VFB. Among other things, the hydraulic system was adapted for thermal use, heat exchangers and mixers were integrated into the electrolyte tanks to prevent thermal layering and operation at higher temperatures was made possible. KIT was responsible for the dimensioning of the overall system, developed the TCM including a dedicated PLC controller and implemented a comprehensive energy management system (EMS) based on OpenEMS. The EMS uses forecasts (PV, load, heat) and optimization algorithms to optimize the operation of the hybrid storage system in terms of losses, aging and self-consumption and to significantly increase the building's self-sufficiency. The successful operation of the demonstrator made it possible to characterize the hybrid system in detail. The operating behavior of the VFB (especially at unusually high temperatures), the efficiency and dynamics of the LIB and the performance of the thermal coupling module in real use were investigated. Potential further fields of application were identified.