Energiespeichertechnologien weisen ein breites Anwendungsbereich auf. Neben Unterhaltungselektronik und Elektrofahrzeugen werden stationäre Energiespeicher eingesetzt um die Qualität von Stromnetzen durch das Gebot von Regelleistung zu erhöhen. Das untersuchte Energiespeichersystem zur Bereitstellung von Regelleistung in Stromnetzen kombiniert kinetische und elektrochemische Energiespeicher. Der berücksichtigte kinetische Energiespeicher umfasst Hochgeschwindigkeits-Schwungradspeicher nach den Parametern von Prototypen, die an der Technischen Universität Darmstadt entwickelt wurden. Der berücksichtigte Batteriespeicher umfasst Lithium-Ionen-Zellen mit Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid in der Kathode und Grafit in der Anode.

Um die Betriebskosten des kombinierten Energiespeichersystems einzuschätzen, werden die Leistungsverluste der Lithium-Ionen-Zelle, des Schwungradspeichers sowie der entsprechenden Stromrichter modelliert. Die abgeleitete Verlustfunktion des Schwungradspeichers hängt überwiegend von seiner Drehzahl und vom Strom seiner permanenterregten Synchronmaschine ab. Ebenso hängt die abgeleitete Verlustfunktion der Lithium-Ionen-Zelle großenteils von ihrem Ladezustand und von ihrem Strom ab. Um die Auswirkung der Degradierung der Lithium-Ion-Zellen zu berücksichtigen, wird ein empirisches Degradierungsmodell weiterentwickelt und auf Basis der Herstellerspezifikation für die eingesetzte Lithium-Ionen-Zellen parametrisiert.

Die Frequenzhaltungsreserve entspricht der Hauptanwendung des kombinierten Energiespeichers und bestimmt daher das Lastprofil. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung eines abgetasteten Tagesgangs der Netzfrequenz von Kontinentaleuropa wird verwendet, um gemeinschaftlich den kombinierten Energiespeicher zu dimensionieren. Dabei wird die Degradierung der Lithium-Ionen-Zellen berücksichtigt, sodass die Batterie die Anforderungen der Anwendung über die geplante Nutzungsdauer erfüllt.

Das Energiemanagement des kombinierten Energiespeichersystems bezieht nicht nur die Leistungsaufteilung unter den Speichereinheiten ein, sondern auch die Steuerung der Einzelspeicher. Daher wird der Statorstrom, der die Gesamtverlusten der elektrischen Maschine und des Stromrichters des Schwungradspeichers minimiert, abgeleitet. Um die momentanen Energiewandlungsverluste des kombinierten Energiespeichers zu minimieren, wird die optimale Leistungsaufteilung unter den Energiespeichertechnologien anhand vereinfachter Verlustfunktionen analytisch abgeleitet und simulativ bewertet. Anschließend wird das Energiemanagement in einem programmierbaren Steuergerät implementiert und anhand eines kombinierten Energiespeicherprototyps getestet. Trotz der hohen Unsicherheiten, die die experimentelle Untersuchung einbezieht, stimmen deren Ergebnisse qualitativ mit den entsprechenden Simulationen überein.

Die Wirtschaftlichkeit von kombinierten Energiespeichersystemen wird mit der von reinen Batteriesystemen verglichen für die Anwendungen Frequenzhaltungsreserve, Frequenzhaltungsreserve gemeinsam mit der Energierückgewinnung am Wegesrand in Bahnstromnetzen und Frequenzhaltungsreserve gemeinsam mit dem Schnelladen von Elektrofahrzeugen. Um die kombinierten Energiespeichersysteme optimal zu dimensionieren, wird eine Kosten-Nutzen-Analyse durchgeführt. Dabei werden die Gesamtbetriebskosten als Kosten und eine niedrige Degradierung der Lithium-Ionen-Zellen als Nutzen berücksichtigt. Optimal dimensionierte kombinierte Energiespeicher weisen niedrigere Gesamtbetriebskosten als optimal dimensionierte reine Batteriespeicher auf, was deutlicher in Anwendungsfällen mit hoher und häufig wechselnder Last ist.