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.