Was ist ein Batteriespeicher?

Batteriespeicher sind große Stromspeicher. Sie können einer ganzen Reihe von Aufgaben im Stromnetz oder bei der Integration erneuerbarer Energien übernehmen. Wir erklären, wie Batteriespeicher aufgebaut sind, welche Technologien es gibt und welche Aufgaben sie übernehmen können.

Definition

Als Batteriespeicher werden gemeinhin stationäre Akkumulatoren bezeichnet, die sehr flexibel Strom aufnehmen, speichern und abgeben können. Je nach Bauarten und Größenordnung lassen sie sich sehr unterschiedlich einsetzen und vermarkten. 

In der Energiewirtschaft werden Batteriespeicher für eine Vielzahl von Zwecken eingesetzt, zum Beispiel zum Ausgleich von Stromangebot und -nachfrage im Netz, zur Bereitstellung von Systemdienstleistungen und zur Integration erneuerbarer Energiequellen ins Stromsystem.

Batteriespeicher gibt es in sehr verschiedenen Größenordnungen – von kühlschrankgroßen Systemen für Haushalte bis hin zu so genannten Speicherkraftwerken, die ganze Straßenzüge oder Industrieareale einnehmen. Entsprechend unterschiedlich sind auch ihre Speicherkapazität (Menge der speicherbaren Energie) und die Leistung (Geschwindigkeit, mit der die Energie abgegeben werden kann).

Welche Einsatzgebiete und Vermarktungsoptionen gibt es für Batteriespeicher?

Technisch können Batterien jeder Größenordnung für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Allerdings müssen Batteriespeicher je nach Einsatzgebiet unterschiedliche regulatorische Anforderungen erfüllen.

Je nach Spezifikationen können sie zum Beispiel für Systemdienstleistungen wie Netzstabilisierung (Frequenzregelung) und Peak Shaving (Lastabwurf), aber auch zur Lastverschiebung und zur Integration fluktuierender Erneuerbaren Energien (Wind- und Solarkraft) genutzt werden.

Dementsprechend können ihre Dienste auch an verschiedenen Märkten angeboten werden, zum Beispiel an Märkten für Systemdienstleistungen (z. B. dem Regelenergiemarkt), an Kapazitätsmärkten oder an Großhandels-Strommärkten.

Aus welchen Komponenten besteht ein Batteriespeichersystem?

Wenn von Batteriespeichern die Rede ist, denken die meisten Menschen an die Batteriezellen selbst, in denen die Energie elektrochemisch gespeichert wird. Diese sind auch die zentralen Bauteile. Ein technisch und wirtschaftlich sinnvoller Einsatz ist jedoch nur mit einer Reihe weiterer Komponenten möglich: 

  • Leistungselektronik: Sie besteht vor allem aus Stromrichtern, die je nach Bedarf Wechsel- oder Gleichstrom in verschiedener Stärke und Spannung erzeugen. Zum einen wandelt er den zugeführten Strom so um, dass er die Batterien laden kann. Zum anderen wandelt er die gespeicherte Energie in Strom um, der vom jeweiligen Netz oder auch anderen Verbrauchern wie Maschinen, Kühlhäusern oder Ladestationen für E-Autos direkt genutzt werden kann.
  • Batteriemanagementsystem: Das BMS steuert das Laden und Entladen der Batterie. Sie stellt die optimale Leistungsaufnahme und -abgabe sicher und schützt dadurch einerseits das Batteriesystem und andererseits das Netz beziehungsweise den Stromverbraucher. 
  • Mess- und Kommunikationstechnik, auch Smart-Meter-Gateway (SMGW) genannt: Das SMGW misst den ein- und ausfließenden Strom und übermittelt diese Informationen an den Netzbetreiber, die Datenbanken der Betreiber oder andere Stellen.
  • Module zur Marktteilnahme: Diese Komponente verknüpft den Batteriespeicher mit den verschiedenen Energiemärkten, an denen er vermarktet werden soll. Hierüber laufen die Signale, die dem BMS sagen, wann es wie viel Strom einspeichern oder abgeben soll. Diese Signale können von einer Software kommen, im Fall von Systemdienstleistungen vom Netzbetreiber. Wenn der Batteriespeicher für Arbitragegeschäfte am Großhandelsmarkt genutzt wird, kommen sie von einer Software, die Strompreise analysiert und prognostiziert.

Welche verschiedenen Batteriespeichertechnologien gibt es?

Auf dem Markt sind diverse Speichertechnologien verfügbar. Gemeint ist hier die Technologie der Batterien oder Akkus selbst. Gemein ist ihnen allen, dass sie Energie elektrochemisch speichern. Die technologischen Unterschiede bringen jedoch unterschiedliche Stärken und Schwächen mit sich. Die Wahl der Batterietechnologien hängt daher von der spezifischen Anwendung und den Marktbedingungen ab.

  • Lithium-Ionen-Batterien: Li-Ion-Akkus haben eine lange Lebensdauer und einen hohen Wirkungsgrad (ca. 95 %). Sie geben also die eingespeicherte Energie fast vollständig wieder ab. Ihre vielleicht herausragendste Eigenschaft ist aber wohl ihre hohe volumetrische Energiedichte: Keine verfügbare Batterietechnologie speichert mehr Energie in so kleinen Zellen. Deshalb sind sie in Elektrofahrzeugen und Handys zurzeit praktisch unersetzlich. Sie werden aber auch in Energiespeicherprojekten im Netzbereich immer häufiger eingesetzt. Zu den Nachteilen gehört, dass die knappen Rohstoffe teilweise unter humanitär und ökologisch schwierigen Umständen abgebaut werden.
  • Natrium-Ionen-Batterien: Der Aufbau ist analog zu Li-Ion-Akkus, allerdings kommen Natrium-Ionen-Akkus mit deutlich weniger kritischen Rohstoffe oder sogar ganz ohne sie aus und sind im Betrieb noch sicherer. Die Energiedichte - volumetrisch und gravimetrisch - ist etwas niedriger als bei Lithium-Ionen-Batterien. Deshalb eignen sie sich stärker für stationäre Anwendungen, als in der E-Mobilität. Da Natrium-Ionen-Batterien jedoch bereits billiger sind als ihre Lithium-Konkurrenten, setzen chinesische Autohersteller diese Technologie bereits in Elektroautos ein, wenn die Reichweite weniger wichtig ist als der Preis. Da die Massenproduktion erst am Anfang steht, dürften die Kosten für Natrium-Ionen-Batterien weiter sinken.
  • Bleiakkumulatoren: Diese Stromspeicher haben sich seit Jahrzehnten in einer Vielzahl von Anwendungen bewährt und isind auch heute noch weit verbreitet. Ein Grund dafür ist ihr niedriger Preis und, dass die Rohstoffe unkritisch und sehr gut verfügbar sind. Blei-Akkus sind allerdings deutlich schwerer und größer als vergleichbare Li-Ion-Akkus. Außerdem haben sie eine kürzere Lebensdauer (gemessen an den Lade- und Entladezyklen) als moderne Li-Ion-Batterien und einen niedrigeren Wirkungsgrad (ca. 80 %).
  • Natrium-Schwefel-Batterien: NaS-Akkus gelten als sehr zuverlässig, betriebssicher sowie langlebig und sie haben eine hohe Energiedichte. Da sie vergleichsweise teuer sind und spezielle Betriebsbedingungen erfordern, eignen sie sich vor allem zur Energiespeicherung in großem Maßstab.
  • Redox-Flow-Batterien: Anders als Lithium-Ionen-Batterien verwenden Flussbatterien flüssige Elektrolyte, um Energie zu speichern. Eine weitere Besonderheit: Die Elektrolyte befinden sich in Tanks außerhalb der eigentlichen Zelle, in der Strom in chemische Energie umgewandelt wird. Dadurch können Leistung und Kapazität nahezu frei und unabhängig voneinander gewählt werden. Deshalb lassen sich Redox-Flow-Batterien nahezu perfekt für den jeweiligen Anwendungszwecks konfigurieren. Zudem haben sie eine noch längere Lebensdauer als Lithium-Ionen-Batterien. Allerdings ist diese Technologie weit weniger ausgereift und verbreitet wie die zuvor genannten. Derzeit werden verschiedene Elektrolyte erforscht: Als besonders nachhaltig werden organische Elektrolyte auf Lignin-Basis gehandelt. Als wirtschaftlich besonders vielversprechend gilt der Vanadium-Redox-Akkumulator. Auch Redox-Flow-Batterien haben einen sehr langen Lebenszyklus. Da sie sich sowohl zur kurz- als auch zur langfristigen Speicherung eignen, können sie entsprechend flexibel eingesetzt werden.

Weltweit arbeiten viele Forschungszentren und Unternehmen daran, die bestehenden Batteriespeichertechnologien zu perfektionieren und neue zu entwickeln. Feststoffbatterien etwa könnten die Elektromobilität mit noch höheren Energiedichten und kürzeren Ladezeiten als Li-Ion-Akkus revolutionieren.

Klar ist, dass all diese Technologien verschiedene Vor- und Nachteile haben – in Bezug auf ökologische, wirtschaftliche und technische Parameter wie Rohstoffe, Investitions- und Wartungskosten sowie Kapazität, Leistung und Lebensdauer eine Rolle. Die spezifischen Anforderungen des jeweiligen Anwendungsfalls sind der Schlüssel zur richtigen Wahl.

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