Wie kann man Strom außerhalb des Netzes speichern?

In den letzten 50 Jahren ist der weltweite Stromverbrauch kontinuierlich gestiegen. Im Jahr 2021 wird er auf rund 25.300 Terawattstunden geschätzt. Mit dem Übergang zur Industrie 4.0 steigt auch der weltweite Energiebedarf. Diese Zahlen steigen jährlich, wobei der Strombedarf der Industrie und anderer Wirtschaftssektoren nicht berücksichtigt ist. Dieser industrielle Wandel und der hohe Stromverbrauch gehen mit spürbaren Auswirkungen auf den Klimawandel aufgrund übermäßiger Treibhausgasemissionen einher. Derzeit sind die meisten Kraftwerke und -anlagen stark auf fossile Brennstoffe (Öl und Gas) angewiesen, um diesen Bedarf zu decken. Diese Klimabedenken verhindern eine zusätzliche Energieerzeugung mit konventionellen Methoden. Daher gewinnt die Entwicklung effizienter und zuverlässiger Energiespeichersysteme zunehmend an Bedeutung, um eine kontinuierliche und zuverlässige Versorgung mit Energie aus erneuerbaren Quellen zu gewährleisten.

Der Energiesektor reagierte darauf mit der Umstellung auf erneuerbare Energien bzw. „grüne“ Lösungen. Verbesserte Fertigungsverfahren trugen zu dieser Umstellung bei, beispielsweise durch eine effizientere Herstellung von Windturbinenrotoren. Forscher konnten zudem die Effizienz von Photovoltaikzellen steigern, was zu einer höheren Energieerzeugung pro Nutzfläche führte. Im Jahr 2021 stieg die Stromerzeugung aus Photovoltaik (PV) deutlich an und erreichte mit 179 TWh einen Rekordwert, was einem Wachstum von 22 % gegenüber 2020 entspricht. Die Photovoltaiktechnologie trägt mittlerweile 3,6 % zur weltweiten Stromerzeugung bei und ist nach Wasserkraft und Windkraft die drittgrößte erneuerbare Energiequelle.

Diese Durchbrüche lösen jedoch nicht einige der inhärenten Nachteile erneuerbarer Energiesysteme, vor allem die Verfügbarkeit. Die meisten dieser Verfahren produzieren Energie nicht bedarfsgerecht wie Kohle- und Ölkraftwerke. Solarenergie ist beispielsweise tagsüber verfügbar, schwankt jedoch je nach Sonneneinstrahlungswinkel und Positionierung der PV-Module. Nachts kann keine Energie erzeugt werden, und im Winter und an stark bewölkten Tagen ist die Leistung deutlich reduziert. Auch Windkraft unterliegt je nach Windgeschwindigkeit Schwankungen. Daher müssen diese Lösungen mit Energiespeichersystemen gekoppelt werden, um die Energieversorgung in Zeiten geringer Leistung aufrechtzuerhalten.

Was sind Energiespeichersysteme?

Energiespeichersysteme können Energie speichern, um sie später zu nutzen. In manchen Fällen findet eine Energieumwandlung zwischen gespeicherter und bereitgestellter Energie statt. Das bekannteste Beispiel sind Elektrobatterien wie Lithium-Ionen-Batterien oder Blei-Säure-Batterien. Sie liefern elektrische Energie durch chemische Reaktionen zwischen den Elektroden und dem Elektrolyten.

Batterien, auch bekannt als BESS (Batterie-Energiespeichersystem), sind die gängigste Energiespeichermethode im Alltag. Es gibt aber auch andere Speichersysteme, wie beispielsweise Wasserkraftwerke, die die potenzielle Energie von in einem Staudamm gespeichertem Wasser in elektrische Energie umwandeln. Das herabfallende Wasser treibt das Schwungrad einer Turbine an, die wiederum Strom erzeugt. Ein weiteres Beispiel ist komprimiertes Gas. Beim Austreten des Gases dreht es das Rad der Turbine und erzeugt so Strom.

Was Batterien von anderen Speichermethoden unterscheidet, sind ihre potenziellen Einsatzgebiete. Von Kleingeräten und der Fahrzeugstromversorgung über Haushaltsanwendungen bis hin zu großen Solarparks lassen sich Batterien nahtlos in jede netzunabhängige Speicheranwendung integrieren. Wasserkraft- und Druckluftverfahren hingegen erfordern sehr große und komplexe Infrastrukturen zur Speicherung. Dies führt zu sehr hohen Kosten, die nur durch sehr große Anwendungen gerechtfertigt sind.

Anwendungsfälle für netzunabhängige Speichersysteme.

Wie bereits erwähnt, können netzunabhängige Speichersysteme die Nutzung erneuerbarer Energien wie Solar- und Windkraft erleichtern. Dennoch gibt es auch andere Anwendungen, die von solchen Systemen stark profitieren können.

Städtische Stromnetze zielen darauf ab, je nach Angebot und Nachfrage der jeweiligen Stadt die richtige Strommenge bereitzustellen. Der Strombedarf kann im Tagesverlauf schwanken. Netzunabhängige Speichersysteme werden eingesetzt, um Schwankungen abzumildern und bei Spitzenlast für mehr Stabilität zu sorgen. Aus einer anderen Perspektive können netzunabhängige Speichersysteme äußerst nützlich sein, um unvorhergesehene technische Störungen im Hauptstromnetz oder während geplanter Wartungszeiten zu kompensieren. Sie können den Strombedarf decken, ohne nach alternativen Energiequellen suchen zu müssen. Ein Beispiel hierfür ist der Eissturm in Texas Anfang Februar 2023, der rund 262.000 Menschen ohne Strom ließ, während sich die Reparaturen aufgrund der schwierigen Wetterbedingungen verzögerten.

Elektrofahrzeuge sind ein weiteres Anwendungsgebiet. Forscher haben große Anstrengungen unternommen, um die Batterieherstellung sowie Lade- und Entladestrategien zu optimieren und so die Lebensdauer und Leistungsdichte der Batterien zu verlängern. Lithium-Ionen-Batterien stehen an der Spitze dieser kleinen Revolution und werden bereits häufig in neuen Elektroautos, aber auch in Elektrobussen eingesetzt. Bessere Batterien können hier mit den richtigen Technologien zu einer höheren Reichweite und gleichzeitig zu kürzeren Ladezeiten führen.

Andere technologische Fortschritte wie Drohnen und mobile Roboter haben stark von der Batterieentwicklung profitiert. Ihre Bewegungs- und Steuerungsstrategien hängen stark von der Batteriekapazität und der bereitgestellten Leistung ab.

Was ist ein BESS

Ein BESS (Batteriespeichersystem) ist ein Energiespeichersystem, das zur Speicherung von Energie genutzt werden kann. Diese Energie kann aus dem öffentlichen Stromnetz oder aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind- und Solarenergie stammen. Es besteht aus mehreren Batterien, die in unterschiedlichen Konfigurationen (seriell/parallel) angeordnet und je nach Bedarf dimensioniert sind. Sie sind an einen Wechselrichter angeschlossen, der den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt. EinBatteriemanagementsystem (BMS)dient zur Überwachung des Batteriezustands und des Lade-/Entladevorgangs.

Im Vergleich zu anderen Energiespeichersystemen sind sie besonders flexibel in Platzierung und Anschluss und erfordern keine sehr teure Infrastruktur. Allerdings sind sie dennoch mit erheblichen Kosten verbunden und erfordern je nach Nutzung einen regelmäßigeren Wartungsaufwand.

BESS-Größen- und Nutzungsgewohnheiten

Ein entscheidender Punkt bei der Installation eines Batteriespeichersystems ist die Dimensionierung. Wie viele Batterien werden benötigt? In welcher Konfiguration? In manchen Fällen kann der Batterietyp langfristig eine entscheidende Rolle hinsichtlich Kosteneinsparungen und Effizienz spielen.

Dies geschieht von Fall zu Fall, da die Anwendungen vom kleinen Haushalt bis hin zu großen Industrieanlagen reichen können.

Die häufigste erneuerbare Energiequelle für kleine Haushalte, insbesondere in städtischen Gebieten, ist die Solarenergie mittels Photovoltaik. Der Ingenieur berücksichtigt in der Regel den durchschnittlichen Stromverbrauch des Haushalts und ermittelt die Sonneneinstrahlung über das Jahr für den jeweiligen Standort. Die Anzahl der Batterien und ihre Netzkonfiguration werden so gewählt, dass sie dem Bedarf des Haushalts während der schwächsten Solarstromversorgung des Jahres entsprechen, ohne die Batterien vollständig zu entladen. Dies setzt eine Lösung voraus, die eine vollständige Unabhängigkeit vom öffentlichen Stromnetz gewährleistet.

Einen relativ moderaten Ladezustand beizubehalten oder die Batterien nicht vollständig zu entladen, mag zunächst kontraintuitiv erscheinen. Denn warum sollte man ein Speichersystem nutzen, wenn man sein volles Potenzial nicht ausschöpfen kann? Theoretisch ist es möglich, aber es ist möglicherweise nicht die Strategie, die den Return on Investment maximiert.

Einer der Hauptnachteile von BESS sind die relativ hohen Batteriekosten. Daher ist es wichtig, Nutzungsgewohnheiten oder Lade-/Entladestrategien zu wählen, die die Batterielebensdauer maximieren. Beispielsweise können Blei-Säure-Batterien nicht unter 50 % ihrer Kapazität entladen werden, ohne irreversibel geschädigt zu werden. Lithium-Ionen-Batterien haben eine höhere Energiedichte und eine lange Lebensdauer. Sie können zudem über größere Entfernungen entladen werden, was jedoch zu einem höheren Preis führt. Die Kostenunterschiede zwischen verschiedenen chemischen Zusammensetzungen sind groß; Blei-Säure-Batterien können Hunderte bis Tausende von Dollar günstiger sein als eine Lithium-Ionen-Batterie gleicher Größe. Deshalb werden Blei-Säure-Batterien am häufigsten in Solaranlagen in Entwicklungsländern und armen Gemeinden eingesetzt.

Die Leistung der Batterie wird während ihrer Lebensdauer stark beeinträchtigt. Sie weist keine gleichbleibende Leistung auf, die mit einem plötzlichen Ausfall endet. Stattdessen können Kapazität und bereitgestellte Leistung schrittweise abnehmen. In der Praxis gilt eine Batterie als erschöpft, wenn ihre Kapazität 80 % ihrer ursprünglichen Kapazität erreicht. Anders ausgedrückt: wenn die Kapazität um 20 % abnimmt. In der Praxis bedeutet dies, dass weniger Energie bereitgestellt werden kann. Dies kann sich auf die Nutzungsdauer vollständig unabhängiger Systeme und die Reichweite eines Elektrofahrzeugs auswirken.

Ein weiterer zu berücksichtigender Punkt ist die Sicherheit. Dank Fortschritten in Fertigung und Technologie sind neuere Batterien im Allgemeinen chemisch stabiler. Aufgrund von Alterung und Missbrauch kann es jedoch zu einem thermischen Durchgehen der Zellen kommen, was katastrophale Folgen haben und in manchen Fällen das Leben des Verbrauchers gefährden kann.

Aus diesem Grund haben Unternehmen bessere Batterieüberwachungssoftware (BMS) entwickelt, um die Batterienutzung zu kontrollieren, aber auch den Zustand der Batterie zu überwachen, um rechtzeitige Wartungsarbeiten durchzuführen und schwerwiegende Folgen zu vermeiden.

Abschluss

Netzspeichersysteme bieten eine hervorragende Möglichkeit, Energieunabhängigkeit vom Hauptnetz zu erreichen und gleichzeitig eine Notstromversorgung in Ausfallzeiten und Spitzenlastzeiten zu gewährleisten. Ihre Entwicklung würde die Umstellung auf umweltfreundlichere Energiequellen erleichtern und so die Auswirkungen der Energieerzeugung auf den Klimawandel begrenzen und gleichzeitig den Energiebedarf bei stetig steigendem Verbrauch decken.

Batteriespeichersysteme sind die am weitesten verbreiteten und am einfachsten für verschiedene Alltagsanwendungen konfigurierbaren Systeme. Ihrer hohen Flexibilität stehen jedoch relativ hohe Kosten gegenüber. Daher werden Überwachungsstrategien entwickelt, um die jeweilige Lebensdauer so weit wie möglich zu verlängern. Industrie und Wissenschaft investieren derzeit große Anstrengungen, um die Degradation von Batterien unter verschiedenen Bedingungen zu untersuchen und zu verstehen.