Combined Kinetic and Electrochemical Energy Storage Systems Offering Balancing Services to Electrical Grids

Energy storage technologies have a wide range of applications. Besides consumer electronics and electric vehicles, stationary energy storages are used to improve the power quality of electrical grids by offering balancing services. The investigated energy storage system for the provision of grid balancing services combines kinetic and electrochemical energy storages. The considered kinetic storage comprises high-speed flywheel storages according to the parameters of the prototypes developed at the Technical University of Darmstadt. The considered battery storage is composed of lithium-ion cells with lithium nickel manganese cobalt oxides in the cathode and graphite in the anode.

In order to estimate the operating cost of the combined energy storage system, the power losses of the lithium-ion cell, the flywheel storage and the corresponding power converters are modelled. The derived loss function of the flywheel storage predominantly depends on its speed and the current of its permanent magnet synchronous machine. Similarly, the derived loss function of the lithium-ion cell mainly depends on its state of charge and its current. To consider the effects of the lithium-ion cell degradation, an empirical degradation model is further developed and parametrized based on the manufacturer specification for the lithium-ion cells used.

The frequency containment reserve constitutes the main application of the combined energy storage and therefore determines the load profile. The probability distribution of a sampled 24-hour profile of the grid frequency of continental Europe is used to collectively size the combined energy storage. The degradation of the lithium-ion cells is thereby considered, so that the battery fulfils the requirements of the application throughout the target service life.

The energy management of the combined storage system involves not only the power split among the storage units, but also the control of the individual storages. Therefore, the stator current that minimizes the total losses of both the electric machine and the power converter of the flywheel storage is derived. To minimize the instantaneous energy conversion losses of the combined energy storage, the optimal power share of the storage technologies is analytically derived using simplified loss functions and evaluated through simulations. Subsequently, the energy management is implemented in a programmable controller and tested on a prototype combined energy storage system. Despite the high uncertainties involved in the experimental investigation, its results are in qualitative congruence with the corresponding simulations.

The cost-efficiency of combined energy storage systems is compared with that of battery-only systems for the applications of frequency containment reserve, frequency containment reserve along with wayside energy recovery in railway networks and frequency containment reserve along with electric vehicle fast charging. To optimally size the combined energy storage systems, a cost-benefit analysis is conducted, in which the total cost of ownership serves as cost and a low degradation of the lithium-ion cells serves as benefit. Optimally sized combined energy storages result in a lower total cost of ownership than optimally sized battery-only storages, which is more pronounced in use cases that involve high and frequent alternating load.

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.