In den letzten 50 Jahren ist der weltweite Stromverbrauch kontinuierlich gestiegen, mit einem geschätzten Verbrauch von rund 25.300 Terawattstunden im Jahr 2021. Mit dem Übergang zur Industrie 4.0 steigt der Energiebedarf weltweit. Diese Zahlen nehmen jedes Jahr zu, den Strombedarf der Industrie und anderer Wirtschaftszweige nicht eingerechnet. Dieser industrielle Wandel und der hohe Stromverbrauch gehen mit spürbareren Auswirkungen des Klimawandels aufgrund übermäßiger Treibhausgasemissionen einher. Derzeit sind die meisten Kraftwerke und Anlagen zur Energieerzeugung stark auf fossile Brennstoffquellen (Öl und Gas) angewiesen, um diesen Bedarf zu decken. Diese Klimabedenken verbieten eine zusätzliche Energieerzeugung mit konventionellen Methoden. Daher wird die Entwicklung effizienter und zuverlässiger Energiespeichersysteme immer wichtiger, um eine kontinuierliche und zuverlässige Versorgung mit Energie aus erneuerbaren Quellen sicherzustellen.

Der Energiesektor hat darauf mit der Umstellung auf erneuerbare Energien oder „grüne“ Lösungen reagiert. Der Übergang wurde durch verbesserte Fertigungstechniken erleichtert, die beispielsweise zu einer effizienteren Herstellung von Windkraftanlagenblättern führten. Außerdem konnten Forscher die Effizienz von Photovoltaikzellen verbessern, was zu einer besseren Energieerzeugung pro Nutzungsfläche führte. Im Jahr 2021 stieg die Stromerzeugung aus Solar-Photovoltaik (PV)-Quellen deutlich an und erreichte einen Rekordwert von 179 TWh, was einem Wachstum von 22 % im Vergleich zu 2020 entspricht. Die Solar-PV-Technologie macht mittlerweile 3,6 % der weltweiten Stromerzeugung aus und ist derzeit die drittgrößte erneuerbare Energiequelle Energiequelle nach Wasserkraft und Wind.

Diese Durchbrüche lösen jedoch nicht einige der inhärenten Nachteile erneuerbarer Energiesysteme, vor allem die Verfügbarkeit. Die meisten dieser Methoden erzeugen keine Energie nach Bedarf wie Kohle- und Ölkraftwerke. Solarenergieerträge sind beispielsweise den ganzen Tag über verfügbar, wobei sie je nach Sonneneinstrahlungswinkel und Positionierung der PV-Module variieren. Nachts kann es keine Energie produzieren, während die Leistung im Winter und an stark bewölkten Tagen deutlich reduziert ist. Auch die Windenergie unterliegt Schwankungen je nach Windgeschwindigkeit. 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 zu einem späteren Zeitpunkt zu nutzen. In manchen Fällen findet eine Form der Energieumwandlung zwischen gespeicherter und bereitgestellter Energie statt. Das häufigste Beispiel sind elektrische Batterien wie Lithium-Ionen-Batterien oder Blei-Säure-Batterien. Sie liefern elektrische Energie durch chemische Reaktionen zwischen den Elektroden und dem Elektrolyten.

Batterien oder BESS (Battery Energy Storage System) stellen die am häufigsten im täglichen Leben eingesetzte Energiespeichermethode dar. Es gibt andere Speichersysteme wie Wasserkraftwerke, die die potenzielle Energie des in einem Staudamm gespeicherten Wassers in elektrische Energie umwandeln. Das herunterfallende Wasser dreht das Schwungrad einer Turbine, die elektrische Energie erzeugt. Ein weiteres Beispiel ist komprimiertes Gas. Bei der Freisetzung dreht das Gas das Rad der Turbine und erzeugt Strom.

Was Batterien von den anderen Speichermethoden unterscheidet, sind ihre potenziellen Einsatzgebiete. Von kleinen Geräten und der Stromversorgung von Kraftfahrzeugen bis hin zu Haushaltsanwendungen und großen Solarparks können Batterien nahtlos in jede netzunabhängige Speicheranwendung integriert werden. Andererseits erfordern Wasserkraft- und Druckluftmethoden sehr große und komplexe Infrastrukturen zur Speicherung. Dies führt zu sehr hohen Kosten, die sehr große Anwendungen erfordern, um sich zu rechtfertigen.

Anwendungsfälle für netzunabhängige Speichersysteme.

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

Städtische Stromnetze zielen darauf ab, die richtige Strommenge basierend auf Angebot und Nachfrage jeder Stadt bereitzustellen. Der Leistungsbedarf kann im Laufe des Tages schwanken. Um Schwankungen zu dämpfen und bei Bedarfsspitzen für mehr Stabilität zu sorgen, werden netzunabhängige Speichersysteme eingesetzt. Aus einer anderen Perspektive können netzunabhängige Speichersysteme äußerst nützlich sein, um unvorhergesehene technische Störungen im Hauptstromnetz oder während geplanter Wartungsperioden auszugleichen. Sie können den Strombedarf decken, ohne nach alternativen Energiequellen suchen zu müssen. Als Beispiel kann man den Eissturm in Texas Anfang Februar 2023 nennen, der etwa 262.000 Menschen ohne Strom zurückließ, während sich Reparaturen aufgrund der schwierigen Wetterbedingungen verzögerten.

Elektrofahrzeuge sind eine weitere Anwendung. Forscher haben große Anstrengungen unternommen, um die Batterieherstellung und Lade-/Entladestrategien zu optimieren, um die Lebensdauer und Leistungsdichte von Batterien zu verlängern. Lithium-Ionen-Batterien standen an der Spitze dieser kleinen Revolution und wurden in großem Umfang in neuen Elektroautos, aber auch in Elektrobussen eingesetzt. Bessere Batterien können in diesem Fall zu einer höheren Kilometerleistung, aber auch zu kürzeren Ladezeiten mit den richtigen Technologien führen.

Andere technologische Fortschritte wie UAVs und mobile Roboter haben stark von der Batterieentwicklung profitiert. Dort hängen Bewegungsstrategien und Steuerungsstrategien stark von der Batteriekapazität und der bereitgestellten Leistung ab.

Was ist ein BESS

BESS oder Batterie-Energiespeichersystem ist ein Energiespeichersystem, das zur Speicherung von Energie verwendet werden kann. Diese Energie kann aus dem Hauptnetz oder aus erneuerbaren Energiequellen wie Windenergie und Solarenergie stammen. Es besteht aus mehreren Batterien, die in unterschiedlichen Konfigurationen (Reihen/Parallel) angeordnet und je nach Bedarf dimensioniert sind. Sie sind an einen Wechselrichter angeschlossen, der den Gleichstrom zur Nutzung in Wechselstrom umwandelt. Ein Batteriemanagementsystem (BMS) dient zur Überwachung des Batteriezustands und des Lade-/Entladevorgangs.

Im Vergleich zu anderen Energiespeichersystemen sind sie besonders flexibel platzierbar/anschließbar und benötigen keine sehr teure Infrastruktur, sind aber dennoch mit erheblichen Kosten verbunden und erfordern je nach Nutzung eine regelmäßigere Wartung.

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 auf lange Sicht eine entscheidende Rolle für Kosteneinsparungen und Effizienz spielen

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

Die häufigste erneuerbare Energiequelle für kleine Haushalte, insbesondere in städtischen Gebieten, ist Solarenergie mithilfe von Photovoltaikmodulen. Der Ingenieur würde im Allgemeinen den durchschnittlichen Stromverbrauch des Haushalts berücksichtigen und die Sonneneinstrahlung über das Jahr hinweg für den spezifischen Standort bewerten. Die Anzahl der Batterien und ihre Netzkonfiguration werden so gewählt, dass sie dem Haushaltsbedarf während der niedrigsten Solarenergieversorgung des Jahres entsprechen, ohne die Batterien vollständig zu entladen. Dies setzt eine Lösung voraus, die eine völlige Energieunabhängigkeit vom Hauptnetz ermöglicht.

Einen relativ moderaten Ladezustand beizubehalten oder die Batterien nicht vollständig zu entladen, könnte zunächst kontraintuitiv sein. Warum also ein Speichersystem nutzen, wenn wir dessen Potenzial nicht voll ausschöpfen können? 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 Kosten für Batterien. Daher ist die Wahl einer Nutzungsgewohnheit oder einer Lade-/Entladestrategie, die die Batterielebensdauer maximiert, von entscheidender Bedeutung. Beispielsweise können Blei-Säure-Batterien nicht unter 50 % ihrer Kapazität entladen werden, ohne irreversible Schäden zu erleiden. Lithium-Ionen-Batterien haben eine höhere Energiedichte und eine lange Lebensdauer. Sie können auch mit größeren Reichweiten entladen werden, allerdings ist dies mit einem höheren Preis verbunden. Es gibt große Kostenunterschiede zwischen den verschiedenen chemischen Zusammensetzungen. Blei-Säure-Batterien können Hunderte bis Tausende von Dollar günstiger sein als eine Lithium-Ionen-Batterie derselben Größe. Aus diesem Grund werden Blei-Säure-Batterien in Ländern der Dritten Welt und in armen Gemeinden am häufigsten in Solaranwendungen eingesetzt.

Die Leistung des Akkus wird im Laufe seiner Lebensdauer stark beeinträchtigt, es gibt keine konstante Leistung, die mit einem plötzlichen Ausfall endet. Stattdessen können die Kapazität und die bereitgestellte Leistung zunehmend nachlassen. In der Praxis gilt die Lebensdauer einer Batterie als erschöpft, wenn ihre Kapazität 80 % ihrer ursprünglichen Kapazität erreicht. Mit anderen Worten, wenn die Kapazität um 20 % nachlässt. In der Praxis bedeutet dies, dass eine geringere Energiemenge bereitgestellt werden kann. Dies kann sich auf die Nutzungsdauer völlig unabhängiger Systeme und auf die Kilometerleistung auswirken, die ein Elektrofahrzeug zurücklegen kann.

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

Aus diesem Grund haben Unternehmen eine bessere Batterieüberwachungssoftware (BMS) entwickelt, um den Batterieverbrauch zu kontrollieren, aber auch den Gesundheitszustand zu überwachen, um eine rechtzeitige Wartung zu gewährleisten und schlimmere Folgen zu vermeiden.

Abschluss

Netz-Energiespeichersysteme bieten eine großartige Möglichkeit, Stromunabhängigkeit vom Hauptnetz zu erreichen, bieten aber auch eine Notstromquelle bei Ausfallzeiten und Spitzenlastzeiten. Diese Entwicklung würde den Übergang zu umweltfreundlicheren Energiequellen erleichtern und so die Auswirkungen der Energieerzeugung auf den Klimawandel begrenzen und gleichzeitig den Energiebedarf bei stetig steigendem Verbrauch decken.

Batterie-Energiespeichersysteme sind die am häufigsten verwendeten und am einfachsten zu konfigurierenden Systeme für verschiedene Alltagsanwendungen. Ihrer hohen Flexibilität stehen relativ hohe Kosten gegenüber, was zur Entwicklung von Überwachungsstrategien führt, um die jeweilige Lebensdauer möglichst zu verlängern. Derzeit unternehmen Industrie und Wissenschaft große Anstrengungen, um die Batterieverschlechterung unter verschiedenen Bedingungen zu untersuchen und zu verstehen.