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Fraunhofer IISB

Volle Energie voraus!

190117_Lastspitzenreduktion_FhG_IISB_PR_0894 © Kurt Fuchs/ Fraunhofer IISB

Stationärer elektrischer Energiespeicher: Das Fraunhofer IISB in Erlangen arbeitet an Lösungen, um Lastspitzen beim Energieverbrauch zu reduzieren.

Wasserstoff, Lastspitzen-Management und Batterietechnik: Das Erlanger Fraunhofer-Institut IISB forscht an den Energietechnologien der Zukunft.

Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB in Erlangen hat seinen Erweiterungsbau nach dreijähriger Bauzeit offiziell in Betrieb genommen. Für das Objekt haben Bund und Freistaat zu gleichen Teilen die Kosten von 15 Mio. Euro übernommen. Zusammen mit umfangreichen Außenanlagen entstanden knapp 3 000 Quadratmeter Nutzfläche für Büros und Laboranlagen. Die Erweiterung des Instituts war notwendig geworden, nachdem sich die Mitarbeiterzahl in den letzten zehn Jahren auf rund 300 mehr als verdoppelt hatte. Hinzu kommt eine dreistellige Zahl an Studierenden. Mit dem neuen Erweiterungsbau, intern B genannt, ist der Ausbau des IISB noch nicht abgeschlossen, geplant ist u. a. ein Erweiterungsbau für Forschungsprojekte in der Windenergie.

Der neue Forschungskomplex bietet neben Büros und Laboren eine Infrastruktur, in der verschiedene Energie- und Speichertechnologien hoch flexibel vernetzt sind. Im Fokus steht ein intelligentes Energie- und Lastspitzenmanagement. Regenerative Stromerzeuger, elektrische und chemische Speicher sowie Verbraucher sind über ein leistungsfähiges Gleichspannungsnetz (sogenanntes DC Microgrid) effizient miteinander gekoppelt. Ebenso integriert sind ein Blockheizkraftwerk, Kälte- und Wärmespeicher sowie die wachsende Elektrofahrzeugflotte am Institut.

Bayerns Wirtschaftsminister Hubert Aiwanger betonte beim Festakt, dass eine erfolgreiche Energiewende nicht aus der Summe einzelner Insellösungen bestehe. Sie brauche ein Gesamtkonzept, das Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien mit Speichern, Mobilitäts- und Effizienzstrategien zusammenbringe. Nun könne in Erlangen weiter mit Hochdruck an den Energiesystemen von morgen gearbeitet werden. Dabei gehe es nicht um die Frage, wer die dickste oder längste Leitung habe, sondern die beste und intelligenteste Energiesteuerung. Dass das IISB auch mit dem Speichermedium Wasserstoff arbeitet, begrüßte Aiwanger. Die Forschung auf diesem Feld müsse in Europa aber noch ausgebaut werden, sagte er mit Blick auf Forschungsaktivitäten in Asien.

Der kommissarische Leiter des IISB, Prof. Dr. Martin März, stellte drei der Forschungsfelder vor, die den Schlüssel für die Erfolgsgeschichte des IISB bildeten: Erstens die Spitzenforschung bei Leistungshalbleitern (insbesondere Halbleiter wie Siliziumkarbid), zweitens die Leistungselektronik für die Elektromobilität und drittens intelligente Energiesysteme, die am Institut bereits dezentral verwirklicht sind. Das Fraunhofer IISB fungiere als Labor für die Untersuchung energiewissenschaftlicher Fragestellungen und stehe für Partner aus Industrie und Forschung offen.

Ein Glanzstück im Erweiterungsbau ist ein großes Mittelspannungsprüffeld, das die Untersuchung von Prüflingen mit einer Leistung bis 20 Megavoltampere (MVA) und einer Spannung bis 30 Kilovolt (kV) erlaubt. Mit einem eigens entwickelten Modularen Multilevel-Umrichter ist es möglich, auch Netzanomalien und Fehlerzustände zu einem vorher definierten Zeitpunkt nachzubilden.

Zu den Leuchtturmprojekten am IISB gehört das praxisnahe Thema Lastspitzenreduktion (sogenanntes Peak Shaving), das für Industriebetriebe und gewerbliche Stromverbraucher von großer betriebswirtschaftlicher Bedeutung ist. Die dabei angestrebte Glättung der Lastprofile erfordert aber oft unerwünschte Eingriffe in die Produktion und aufwendige Veränderungen an der Infrastruktur. Alternativ ermöglichen technologische Fortschritte und sinkende Preise mittlerweile den rentablen Einsatz elektrischer Batteriespeicher. So können elektrische Lastspitzen auf Verbraucherseite verringert werden, ohne in Fertigungsabläufe einzugreifen.

Batteriesysteme integrieren

Im Rahmen des bayerischen Energieforschungsprojekts SEEDs zeigt das Fraunhofer IISB, wie sich stationäre Batteriesysteme in bestehende Infrastrukturen integrieren lassen. Der Energiebedarf einer Hochtechnologie-Infrastruktur wie am IISB ist vergleichbar mit dem eines kleinen Industrieunternehmens. Für die Erzeugung von Kälte und Wärme, von Druckluft, Vakuum und Reinstwasser, aber auch für die Herstellung von Halbleiterkristallen werden große Mengen Energie benötigt. Dabei treten im Betrieb sehr hohe Lastspitzen auf. Mehrere hundert Messparameter werden ständig erfasst und speisen eine mächtige Realdatenbank. Ein umfassendes Energiemonitoring, die Einbeziehung von Wetterdaten und hoch entwickelte Algorithmen unter Einsatz künstlicher Intelligenz erlauben einen optimalen Betrieb der Gesamtinfrastruktur. Allein durch Optimierung der Kältetechnik konnte der Strombedarf des Instituts um 20 Prozent gesenkt werden. Aktuell reduziert ein skalierbares Batteriesystem mit 60 Kilowattstunden (kWh) Speicherkapazität die Lastspitzen im Institutsnetz. Prinzipiell wird der Batteriespeicher bei niedrigen Leistungsbezügen beladen und zu Zeiten hoher Leistungen entladen.

Der positive wirtschaftliche Effekt: Der Leistungspreis wird reduziert, die Stromkosten sinken. Für die Reduktion der jährlichen Lastspitze lasse sich in der Praxis je nach Leistungspreis in der Regel eine Kosteneinsparung von 70 bis 90 Euro je Kilowatt erreichen, ohne dass die gewohnten Betriebsabläufe beeinflusst werden.

Mit den Algorithmen des IISB können nicht nur Batteriesysteme bedarfsgerecht ausgelegt und optimal für die Lastspitzenreduktion genutzt werden. Ebenso lassen sich nachträglich zusätzliche Komponenten integrieren, beispielsweise ein Blockheizkraftwerk mit Wärmespeicher. Oft ist es auch interessant, Wärme- und Kälteanlagen mittels thermischer Speicher flexibler zu machen und sie damit in die Lastspitzenreduktion einzubeziehen.

Aus Sicht der IHK Nürnberg für Mittelfranken werden die Kompetenzen der Wirtschaftsregion in der Energietechnik durch die Institutserweiterung nachhaltig gestärkt. Von Anfang an hatte die IHK das SEEDs-Projekt unterstützt. Dr.-Ing. Robert Schmidt, Leiter des IHK-Geschäftsbereichs Innovation | Umwelt, fungierte während der Projektlaufzeit als Vorsitzender des SEEDs-Beirats, in dem außerdem Vertreter des Bayerischen Wirtschaftsministeriums, der Regierung von Mittelfranken sowie von Unternehmen der Region beratend mitwirkten. Die IHK hat nach Worten Schmidts weiterhin großes Interesse an einer engen Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut IISB, beispielsweise über den IHK-Anwender-Club Energie und das Netzwerk der IHK-Energiemanager.

Autor: 

(tt.)

 

WiM – Wirtschaft in Mittelfranken, Ausgabe 09|2019, Seite 20

 
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