Sassen, Simon

Verschiedene Maßnahmen zum angestrebten Klimaschutz gehen mit einer verstärkten Verwendung elektrischer Energie einher. Dabei stellt sich bei der Nutzung volatiler regenerativer Energiequellen wie Sonne und Wind die Herausforderung einer räumlichen und zeitlichen Abstimmung von Erzeugung und Verbrauch elektrischer Energie. Batteriespeicher können hier einen effektiven Beitrag leisten (z.B. in Haushalten, im Verkehrssektor und in der Industrie). Im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit erfordert dies eine zielgerichtete Dimensionierung und Betriebsführung entsprechender Batterie-Energie-Speichersysteme (BESS) unter Berücksichtigung der für den Verschleiß und die Alterung von (Lithiumionen-)Batterien relevanten Faktoren. Hierbei wird zwischen der nutzungsabhängigen (zyklischen) und der altersabhängigen (kalendarischen) Degradation unterschieden, welche die noch verfügbare Kapazität (gemäß State of Health, SoH) und damit die Lebensdauer und entsprechende Kosten von Batterien nicht-linear beeinflussen. In der Literatur finden sich hierzu unterschiedliche Annahmen und Ansätze, wie sich die Verwendung von Batterien auf den SoH auswirkt und wie ein wirtschaftlicher Einsatz von Batterien unter Berücksichtigung der Degradationseffekte gestaltet werden kann. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über diese Problematik unter Berücksichtigung neuerer Arbeiten aus der Literatur und dort noch nicht ausreichend adressierter Aspekte. Es wird ein integratives Modell für die Auslegung und den Betrieb von BESS entwickelt, welches die Auswirkungen beider Degradationsarten auf die Dimensionierung und Nutzung eines BESS einbezieht. Dabei wird berücksichtigt, dass ein abnehmender SoH bei gleichbleibendem Energiebedarf zu einer höheren Degradation führt, da dann die Zyklenanzahl zunimmt und das BESS schneller degeneriert. Darüber hinaus ist zu beachten, dass die Betriebsführung von BESS mit verschiedenerlei Unsicherheiten behaftet ist (sowohl bei der Erzeugung als auch beim Verbrauch, was sich auch in dynamischen Preisen im Stromnetz zeigt). Das formulierte Basiskonzept zur wirtschaftlichen Auslegung des Batteriebetriebs soll die Grundlage für weiterführende stochastische sequenzielle Entscheidungsverfahren und zugehörige Analysen bilden, die zu einer kosteneffizienten Dimensionierung und Betriebsführung von BESS beitragen.

The dtec.bw project CoupleIT! – IT-based sector coupling: Digitally controlled fuel cell and electrolyzer technologies for stationary and mobile applications is an interdisciplinary approach to combine a wide range of competencies from disciplines as varied as electrical power systems, economic and social sciences, computer sciences and networks as well as sustainable development and social acceptance research. As such, this article is composed of individual contributions, constituting the main chapters that showcase general approaches and motivations but also concrete results. This compendium article starts in with a delineation of the motivation behind research in so-called microgrids composed of fuel cell and electrolyzer components and a presentation of the microgrid architecture opted for in this project. Chapter two goes into more detail on the side of electrical engineering and the feasibility of a parallel operation of inverters in microgrids to achieve the ability for an upscaling. Chapter three highlights economic and technological factors for an economically viable and grid-maintaining deployment of a hydrogen-based energy system. In addition, degradation of Li-ion batteries is discussed against the background of their flexible operation in a microgrid and other scenarios. Chapter four grants a glimpse into the field of computer science and the possibility to use artificial intelligence and neural networks for a new way to simulate the behaviour of matter on atomic and molecular scales. This approach holds potential to increase the efficiency of fuel cells by improving the molecular design of fuel cell membranes used within this project. Chapter five elucidates the intricacies of secure communication within one but also between multiple microgrids, an important aspect for achieving a resilient system. Chapter six concludes this compendium by highlighting the human perspective seen from the field of psychological acceptance research nested in the broader context of sustainable development. Among other things, areas of potential barriers to a public acceptance of hydrogen technology are identified and ways to overcome those barriers proposed. This interdisciplinary round trip starts with electrical engineering (chapters one and two), economic and social sciences (chapter three), followed by computer sciences (chapter four) and computer networks (chapter five) whence the baton is passed for one last time to the field of sustainable development and psychological acceptance research (chapter six).