Ziele

Das OptiCharge Vorhaben umfasst die Entwicklung und Realisierung einer Ladeinfrastruktur in Form eines Funktionsmusters bzw. einer Testanlage für Elektrofahrzeuge mit quasi autarker und gleichzeitig regenerativer Versorgung mittels einer Photovoltaikanlage und einer effizienten Speicherunterstützung durch eine Vanadium-Redox-Flussbatterie. Die Schwerpunkte von OptiCharge sind die Entwicklung von Methoden zur Konzeption und Dimensionierung einer derartigen Ladeinfrastruktur, die Methodenentwicklung für das Energiemanagement beim Einsatz dieser Ladeinfrastruktur, die Optimierung und Modifikation von Einzelkomponenten und der Systemtechnik von Vanadium-Redox-Flussbatterien zur Anwendung in einer solchen Ladeinfrastruktur, sowie der Evaluierung der entwickelten Methoden und Komponenten in der Testanlage. Dabei stehen insbesondere die Komponenten- und Systementwicklung für die Vanadium-Redox-Flussbatterie sowie die Verknüpfung von Energie- und Batteriemanagementsystem im Fokus von OptiCharge.

Motiviert ist OptiCharge dadurch, dass die regenerative Versorgung von Elektrofahrzeugen für eine klimaneutrale Mobilität von entscheidender Wichtigkeit ist, eine autarke Versorgung von Elektrofahrzeugen maßgeblich zur Entlastung von lokalen Stromnetzen beitragen kann, eine regenerative und autarke Versorgung allerdings nur durch ein intelligentes Energiemanagementsystem verbunden mit einer optimierten und effizienten Speicherunterstützung realisiert werden kann und eine Vanadium-Redox-Flussbatterie für eine stationäre Stromspeicherung die derzeit beste Alternative darstellt, jedoch hierfür noch umfassend technisch und wirtschaftlich optimiert werden muss.

Im ersten Schritt wird mit Hilfe eines Modells sowie der zugehörigen Simulation die optimale Systemauslegung für die Testanlage, insbesondere aufgrund der am Standort vorhandenen peripheren Randbedingungen wie beispielsweise Anzahl der Parkplätze, Art und Anzahl der Ladungen pro Zeitintervall, Peakleistung der Erzeuger, maximale Lade- und Entladeleistung des Energiespeichers etc., bestimmt. Wichtig hierbei ist eine optimale Abstimmung zwischen dem Energiebedarf der Ladestationen bzw. der zu erwartenden volatilen und temporären Verbraucher, der Generatorgröße der oder des Erzeuger(s), der Speichergröße und der Speicherleistung. Basierend auf den über die Simulationen gewonnenen Erkenntnissen soll ein quasi autarker Solarcarport für vier Fahrzeuge mit integrierter Photovoltaikanlage und passend dimensioniertem Stromspeicher am Standort der IZES gGmbH im IT-Park in Saarbrücken als Test- und Forschungsanlage entstehen. Die Energiespeicherung wird dabei von einer entsprechend dimensionierten Vanadium-Redox-Flussbatterie übernommen. Diese Technologie besitzt insbesondere für stationäre Anwendungen geeignete technische Voraussetzungen – Leistung und Speicherkapazität sind voneinander entkoppelt – und besitzt darüber hinaus perspektivisch gegenüber Lithium-Ionen Batterien ein attraktives Preis-/Leistungsverhältnis. Weiterhin ist der Einsatz einer Vanadium-Redox-Flussbatterie als Energiespeicher im OptiCharge Vorhaben in der theoretisch unendlichen Ladezyklenfestigkeit der Technologie begründet. Für einen effizienten Betrieb der Ladeinfrastruktur, der Photovoltaikanlage und der Vanadium-Redox-Flussbatterie wird ein intelligentes Energiemanagementsystem entwickelt. Grundlage des Energiemanagementsystems sind neuartige stochastische Prognosealgorithmen für den Verbrauch der Elektrofahrzeuge und die Erzeugung der Photovoltaikanlage sowie neuartige stochastische modellprädiktive Regelungsalgorithmen für die Eigenverbrauchsoptimierung mit einer sehr hohen Robustheit gegenüber Prognoseabweichungen. Die als Stromspeicher eingesetzte Vanadium-Redox-Flussbatterie wird im Laufe von OptiCharge hinsichtlich der verwendeten Membran- und Elektrodenmaterialien optimiert. Die dazu notwendigen Materialmodifikationen bzw. -verbesserungen werden zuerst im Labor entwickelt, anschließend in den Technikumsmaßstab überführt und im letzten Drittel von OptiCharge in der Praxis getestet bzw. umgesetzt. Zwischen dem Batterie- und dem übergeordneten Energiemanagementsystem wird eine Kommunikationsschnittstelle geschaffen, um eine verbesserte Anpassung des Speichers an die Anwendungsumgebung zu erreichen und damit die Gesamtsystemeffizienz des Testaufbaus zu steigern. Mittels eines Monitoringkonzepts bzw. dessen Umsetzung werden die Betriebsdaten der Gesamtanlage erfasst, archiviert und ausgewertet. Dadurch können die Wirkung der ausgeführten soft- und hardwareseitigen Modifikationen und Verbesserungen und zugleich ggf. Betriebsauffälligkeiten zeitnah detektiert werden.

Zusammenfassend ist das Gesamtziel des Verbundvorhabens OptiCharge die Planung, der Aufbau und die Demonstration der Machbarkeit von autarken, regenerativ  betriebenen Stromparkplätzen für Elektrofahrzeuge und deren optimale Auslegung hinsichtlich Erzeugung, Bedarf und Speichergröße mittels Modellbildung und Simulation. Dabei steht insbesondere die Entwicklung verbesserter bzw. modifizierter Einzelkomponenten für  die eingesetzte Vanadium-Redox-Flussbatterie sowie deren Testbetrieb unter Alltagsbedingungen bei gleichzeitigem Einsatz neuartiger stochastischer Prognose- und Regelungsalgorithmen und erweiterter Kommunikationsschnittstellen, insbesondere zwischen dem Batterie- und dem Gesamtenergiemanagementsystem der Testanlage, im Vordergrund. Die intelligenten Prognose- und Energiemanagementalgorithmen und die optimierte Vanadium-Redox-Flussbatterie sind in elektrischen Energiesystemen sehr vielfältig für  Systemdienstleistungen nutzbar und somit weit über das Vorhaben OptiCharge hinaus von signifikanter technischer und wirtschaftlicher Relevanz.