Direkt zum Inhalt

Für einen regnerischen Tag speichern, Teil 1
Die Technologie hinter Batteriespeichern

 

Vor 200 Jahren gelang dem italienischen Physiker Alessandro Volta der Nachweis, dass Elektrizität chemisch erzeugt werden kann. Dies veranlasste andere dazu, ähnliche Experimente durchzuführen, was schließlich zur Entwicklung des Bereichs der Elektrochemie und elektrochemischen Speicherung führte. Heutzutage kommen wir durch alle Arten von tragbarer Elektronik, wie Laptops, Mobiltelefone und der guten alten TV-Fernbedienung, ständig mit Batterien in Kontakt.

 

Die Installation eines 5MW/1,25MWh-Batteriesystems in Portland, USA, wird oft als die erste Utility-Scale-Installation (im Netzmaßstab) der Welt angesehen. In den letzten zehn Jahren hat der Einsatz großer Batteriespeichersysteme zur Unterstützung des Stromnetzes weltweit stark zugenommen. Die derzeit größte installierte und in Betrieb genommene Batterie mit einer Leistung von 300MW/1200 MWh befindet sich in Kalifornien und verlagert überschüssige Solarleistung vom Tag in die Nacht. Großbritannien folgt mit dem Bau eines Batteriespeicherprojekts mit einer 320MW/640 MWh Lithium-Ionen-Batterie, und China plant, bis zum Ende des Jahrzehnts 21 % oder 153 GWh der weltweiten kumulativen Batteriespeicherkapazität zu liefern.

 

Die Dinge ändern sich

Allerdings stammt nur ein kleiner Teil der gespeicherten Energie aus Batterien. Energie kann auch in Form von Wasser in Wasserkraftwerken gespeichert werden, was immer noch den Großteil der gesamten globalen Speicherkapazität von 170 GW ausmacht. Doch das wird sich bald ändern, denn erneuerbare Energiequellen benötigen die Flexibilität, die Batteriespeicher bieten, um den Bedarf effizienter zu decken. Aufgrund erhöhter Produktionsmengen und technischer Innovationen sind die Preise für Batteriespeicher in letzter Zeit stark gefallen und werden wirtschaftlich rentabel.

Cumulative global energy storage deployments, source: Wood Mackensie
Der jüngste Bericht von Wood Mackenzie zeigt, dass die weltweite Energiespeicherkapazität bis 2030 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 31 % auf 741 Gigawattstunden (GWh) kumulierte Kapazität ansteigen könnte.

 

Es vergeht kaum ein Tag, an dem nicht eine weitere Ankündigung für die Planung eines noch größeren Batteriesystems gemacht wird. Wir gehen in dem Artikel also darauf ein, warum diese Technologie in Zukunft eine wichtige Rolle spielen wird.

 

Ladezyklus der Batterie

Batterien sind extrem flexibel, wenn es um den Ladezyklus geht. Ein Ladezyklus ist der Prozess des Aufladens einer wiederaufladbaren Batterie und des Entladens, um eine Last zu betreiben. Die Anzahl der Zyklen wird in der Regel verwendet, um die erwartete Lebensdauer eines Akkus anzugeben, da sie die Lebensdauer stärker beeinflusst als der bloße Zeitablauf. Ein Lithium-Ionen-Akku kann zwischen 5.000 und 7.000 vollständige Ladezyklen erreichen, was in den meisten Anwendungen einer Betriebsdauer von mehreren Jahren entspricht. Jede Batterie wird von den Ladezyklen unterschiedlich beeinflusst, aber als Faustregel gilt, dass die Anzahl der Zyklen für eine wiederaufladbare Batterie angibt, wie oft sie vollständig geladen und entladen werden kann, bis sie versagt oder ihre Kapazität schneller nachlässt.

Akkus können eine gewisse Zeit lang Energie speichern, ohne dass es zu nennenswerten Kapazitätsverlusten kommt, aber sie verlieren an Kapazität, wenn sie ein- oder mehrmals täglich aufgeladen werden, wie man es oft von Smartphones kennt. Mehr noch als die Initialkosten ist die Degradation der Batterien der Schlüsselfaktor, der die wirtschaftliche Rentabilität von Batterieanlagen bestimmt, wobei einige Batterietechnologien stärker vom Zyklusprofil abhängig sind als andere. Lithium-Ionen-Batterien dominieren den Markt, obwohl ihre Lebensdauer stark vom Zyklusprofil abhängt. Dies muss bei der Ausarbeitung des Geschäftsmodells und der Projektkalkulation sorgfältig berücksichtigt werden. Schon eine geringfügige Abweichung vom geplanten Zyklusprofil kann zu einer früheren Degradation führen und das gesamte Geschäftsmodell unrentabel machen. Um böse Überraschungen zu vermeiden, ist eine gründliche Erörterung der Garantiebedingungen notwendig, und es empfiehlt sich eine anspruchsvolle Modellvalidierung.

 

Lithium-Ionen-Batterie

Der überwiegende Teil der heutigen Batterieanlagen basiert auf der Lithium-Ionen-Technologie, ohne dass ein echter Konkurrent in Sicht wäre. Diese Batterien unterscheiden sich von anderen Typen dadurch, dass sie oft geladen und entladen werden können und eine relativ hohe Entladetiefe haben. Außerdem sind sie aufgrund ihrer hohen Energiedichte relativ leicht und haben ein kleines Packmaß. Der hohe Wirkungsgrad macht die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien zwar teurer, doch wird dies durch ihre längere Lebensdauer ausgeglichen. Trotz der Gefahr der Überhitzung bei Überladung sind Lithium-Ionen-Batterien heute in den meisten Speichersystemen zu finden, da sie langlebiger und effizienter sind als alternative Bleigel-Batterien.

Da sie aufgrund ihrer hohen Energiedichte bis zu 75 Prozent an Gewicht und Platz einsparen, werden Lithium-Ionen-Batterien schon seit vielen Jahren in der Elektromobilität, in Mobiltelefonen und Laptops eingesetzt. Dank ihrer Langlebigkeit sind sie auch die ideale Ergänzung für Photovoltaikanlagen, um eine lange Nutzungsdauer des Gesamtsystems zu erreichen. 

Der technische Fortschritt und die Steigerung der Produktionskapazitäten haben zu sinkenden Herstellungskosten geführt, was wiederum weitere Anwendungsgebiete in der stationären und mobilen Stromversorgung erschlossen hat. Im Bereich der E-Mobilität hat die Lithium-Ionen-Batterie entscheidende Sprünge gemacht und ist bereits unverzichtbar geworden. Mit einer stetig steigenden Recyclingquote steht sie kurz davor, zu einer nachhaltigen und umweltfreundlichen Technologie zu werden. Da die Zukunft der Energieversorgung eng mit der Entwicklung neuer Batterietechnologien verknüpft ist, sind in den kommenden Jahren noch weitere bahnbrechende Entwicklungen zu erwarten, die mit einem neuen Trend zu Langzeitspeichern das Fenster für alternative Technologien wie Flow-Batterien öffnen. 

 

Batteriespeichersysteme

Je nachdem, ob sie in der Nähe eines Kraftwerks, einer Übertragungsstation, eines Geschäfts- oder Wohngebäudes installiert sind, können Batteriespeichersysteme eine Reihe von Funktionen bieten. Im Allgemeinen tragen die technischen Eigenschaften aller Batteriespeichersysteme jedoch zu einem stabileren Zustand des gesamten Netzes bei. Die kleinsten Batteriespeichersysteme kommen in Wohnhäusern zum Einsatz, wo sie wiederum zusammen mit einer PV-Anlage eingesetzt werden. Systeme von bis zu 1 MW finden sich in industriellen und gewerblichen Anlagen. 

Batteriespeichersysteme mit mehr als 2 MW werden in der Regel an die Verteilernetze (Front-of-the-Meter) angeschlossen, und Systeme mit mehr als 10 MW werden direkt an das Übertragungsnetz angeschlossen. Die größten Batteriesysteme mit über 50 MW werden in der Nähe von Kraftwerken eingesetzt, wo sie nicht nur für die Frequenz- und Spannungsregelung wichtig sind, sondern auch die größten wirtschaftlichen Vorteile erzielen können, wenn sie auf die Energieerzeugung der Kraftwerke abgestimmt sind und für den Stromhandel genutzt werden.

Wie wir sehen, werden Batteriespeichersysteme für viele verschiedene Anwendungen eingesetzt, die in den Stromnetzen weit verbreitet sind. Basierend auf der Lithium-Ionen-Technologie tragen diese Systeme zu einem stabileren Zustand des Netzes bei. Dies ist besonders wichtig, wenn es darum geht, erneuerbare Energiequellen in unsere Netze zu integrieren. Wie dies erreicht werden kann und wie Sie sogar davon profitieren können, werden wir in "Teil II" behandeln.

 

Dr. Ilja Pawel and Jürgen Mayerhofer

Dr. Ilja Pawel arbeitet als Consultant in der Energiespeicherbranche mit Schwerpunkt auf der technischen Beratung für gewerbliche und industrielle Projekte sowie Projekte im Versorgungsbereich. Er hat einen Abschluss in Wirtschaftsingenieurwesen und einen Doktortitel in Elektronik (Leistungshalbleiter), beide von der Technischen Universität Ilmenau, Deutschland. Er lebt in Österreich.

 

Abonnieren Sie unseren Newsletter um über die neuesten Entwicklungen der Energiewende auf dem Laufenden zu bleiben.