Simulationen für die Energiespeicher der Zukunft: Digitaler Zwilling schützt vor Überraschungen
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Batteriegroßspeicher enthalten zehntausende von Einzelzellen. Ein neues Computermodell erlaubt eine frühzeitige Fehlerdiagnose und verhindert so unerwartete Systemausfälle.
München, 20. Juli 2026 – Grüner Strom, immer und überall – Batteriespeicher machen es möglich. Der Markt wächst rasant, immer mehr Großspeicher gehen in Betrieb, um überschüssigen Strom, den Solarpaneele und Windräder erzeugen, zu speichern und bei Bedarf wieder ins Netz einzuspeisen. Aber auch, um Personen- und Lastkraftwagen beziehungsweise Züge oder Schiffe klimaneutral zu betreiben.
Anforderungen an dezentrale Großspeicher
Die Anforderungen an solche Batteriegroßspeicher sind hoch. Sie müssen Mega- mitunter auch Gigawatt an elektrischer Leistung aufnehmen und über tausende von Ladungs- und Entladungszyklen hinweg zuverlässig arbeiten. Die Voraussetzung hierfür ist, dass Zehntausende von Lithium-Ionen-Zellen – die zu Modulen gebündelt und zu Packs zusammengefasst werden – innerhalb bestimmter Spannungsgrenzen funktionieren.
Digitaler Zwilling erkennt Fehler und Störungen
„Übliche Batteriemanagementsysteme, die zur Steuerung und Überwachung von Batteriegroßspeichern eingesetzt werden, geben Aufschluss darüber, ob Grenzwerte, beispielsweise für Temperatur oder Spannung, verletzt werden. Wenn dies der Fall ist, muss der Speicher umgehend abgeschaltet werden“, berichtet Alexander Reiter. Der Maschinenbauer entwickelt in seiner Dissertation an der Hochschule München (HM) ein Computermodell für Batteriegroßspeicher. Mit Hilfe dieses Digitalen Zwillings lassen sich während des Betriebs Fehler an einzelnen Zellen detektieren und Störungen prognostizieren – lange bevor die absoluten Grenzwerte verletzt werden und ein Ausfall des ganzen Systems zu massiven wirtschaftlichen Einbußen führt.
„Auf der Ebene der einzelnen Zellen kündigen sich Systemausfälle schon sehr früh an“, sagt Reiter. „Allerdings ist eine tatsächliche messtechnische Überprüfung einzelner Zellen im Betrieb nur bedingt möglich, weswegen hier häufig zu Simulationsmodellen gegriffen wird. Ein solches Simulationsmodell für jede einzelne Zelle im System zu rechnen, wäre allerdings viel zu aufwändig.“
Prognostizierbare Störungen
Mit dem Digitalen Zwilling lassen sich Abweichungen vom erwarteten durchschnittlichen Verhalten der Zellen sichtbar machen. „Wir nutzen für die Fehlersuche statistische Verfahren“, erklärt der Forscher. Das Modell wird im ersten Schritt mit den technischen Parametern des Herstellers und Charakterisierungsmessungen am System kalibriert – beispielsweise der Zahl der Zellen und Module, der Kapazität und dem Innenwiderstand sowie den zu erwartenden Streuungen der Parameter. Auf Basis dieser Daten lässt sich dann eine statistische Verteilungskurve errechnen, die anzeigt, wie sich die Zellen im Betrieb verhalten müssten.
Der Digitale Zwilling durchläuft nun in Echtzeit die gleichen Lade- und Entladezyklen wie der reale Speicher und klärt dabei permanent ab, ob das tatsächliche Verhalten, zum Beispiel die Verteilung der Zellspannungen, mit der zuvor berechneten Verteilungskurve übereinstimmt. „Mit Hilfe dieser Modelle können wir die Abweichung von Einzelzellen von ihrem statistisch erwartbaren Verhalten darstellen“, betont Reiter. Ausfälle einzelner Zellen lassen sich auf diese Weise schnell erkennen – Störungen werden prognostizierbar.
Schutz vor Systemausfällen in der Schifffahrtsbranche
„Die Methode ist einfach und direkt umsetzbar“, betont HM-Professor Oliver Bohlen, Leiter des Forschungsbereichs Elektrische Energiespeicher an der Hochschule München. Der Forschungspartner Everllence der unter anderem Speichersysteme in der hybriden Schifffahrt einsetzt, profitiere unmittelbar von den Forschungsergebnissen: „Das Unternehmen kann auf der Basis dieser Methoden bestehende Verfahren zur frühzeitigen Erkennung von Fehlern weiter verbessern, um Systemausfällen im Betrieb vorzubeugen.
Alexander Reiter
Reiter arbeitet bei seiner Promotion beim Industriepartner Everllence am Institut für Nachhaltige Energiesysteme (ISES) der HM. Er promoviert an der HM und der RWTH Aachen. Im Rahmen seiner Dissertation hat er ein Computermodell für Batteriegroßspeicher entwickelt.
Prof. Dr. Oliver Bohlen
Bohlen leitet den Forschungsbereich „Elektrische Energiespeicher“ am Institut für Nachhaltige Energiesysteme (ISES) an der HM. Dieser Forschungsbereich befasst sich mit Systemen zur Speicherung elektrischer Energie, vorrangig Batterien, und deren Anwendungen wie Elektrofahrzeuge, Heimspeicher oder E-Bikes.
Gerne vermitteln wir einen Interviewtermin mit Alexander Reiter und HM-Professor Oliver Bohlen.
Kontakt: Christiane Taddigs-Hirsch unter T 089 1265-1911 oder per Mail.
Publikationen
Alexander Reiter, Susanne Lehner, Oliver Bohlen, Dirk Uwe Sauer
Model-Based Fault Diagnosis for Large-Scale Marine Battery Systems
doi.org/10.1109/ESARS-ITEC60450.2024.10819841
Alexander Reiter, Susanne Lehner, Oliver Bohlen, Dirk Uwe Sauer
Electrical cell-to-cell variations within large-scale battery systems — A novel characterization and modeling approach
doi.org/10.1016/j.est.2022.106152
Hochschule München Die Hochschule München ist mit über 500 Professorinnen und Professoren, 820 Lehrbeauftragten und über 18.500 Studierenden eine der größten Hochschulen für angewandte Wissenschaften Deutschlands. In den Bereichen Technik, Wirtschaft, Soziales und Design bietet sie rund 100 Bachelor- und Masterstudiengänge an. Exzellent vernetzt am Wirtschaftsstandort München, arbeitet sie eng mit Unternehmen und Institutionen zusammen und engagiert sich in praxisnaher Lehre und anwendungsorientierter Forschung. Die HM belegt im Gründungsradar des Stifterverbands deutschlandweit erneut den ersten Platz unter den großen Hochschulen und Universitäten. Neben Fachkompetenzen vermittelt sie ihren Studierenden unternehmerisches und nachhaltiges Denken und Handeln. Ausgebildet im interdisziplinären Arbeiten und interkulturellen Denken gestalten ihre Absolventinnen und Absolventen eine digital und international vernetzte Arbeitswelt mit. In Rankings zählen sie bei Arbeitgeberinnen und Arbeitgebern zu den Gefragtesten in ganz Deutschland. hm.edu
Forschungsinstitut ISES Das Institut für Nachhaltige Energiesysteme (ISES) an der Hochschule München forscht, berät und lehrt im Bereich effizienter, nachhaltiger Energieversorgung und ressourcenschonender Energienutzung. ISES engagiert sich mit seinen interdisziplinären Projekten und Kooperationen aktiv für die Umsetzung globaler Klima‑, Energie‑ und Nachhaltigkeitsziele. Dabei verbindet das Institut angewandte Forschung mit Wissenstransfer in Lehre und Beratung – mit starkem Praxisbezug durch Kooperationen mit Industrie, Politik und gesellschaftlichen Akteuren. https://ises.hm.edu/index.de.html
