Was ist ein Batteriespeicher?

Batteriespeicher sind 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.

Inhalt

Definition

Welche Einsatzgebiete und Vermarktungsoptionen gibt es für Batteriespeicher?

Aus welchen Komponenten besteht ein Batteriespeichersystem?

Welche Faktoren beeinflussen die Wirtschaftlichkeit eines Batteriespeichers?

Welche verschiedenen Batteriespeichertechnologien gibt es?

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).

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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 deutschen Regelenergiemarkt), an Kapazitätsmärkten (zum Beispiel in Großbritannien) oder an Großhandels-Strommärkten wie etwa dem Spotmarkt.

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 wandeln sie den zugeführten Strom so um, dass er die Batterien laden kann. Zum anderen wandeln sie 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 Batteriemanagementsystem (BMS) steuert das Laden und Entladen der Batterie. Es 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 und einen optimierten Fahrplan für den Batteriespeicher erstellt.

Welche Faktoren beeinflussen die Wirtschaftlichkeit eines Batteriespeichers?

Die Wirtschaftlichkeit eines Batteriespeichers wird von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst.

Anschaffungs- und Installationskosten: Die Kosten für den Kauf und die Installation eines Batteriespeichersystems sind ein wichtiger Faktor, der die Wirtschaftlichkeit beeinflusst. Die Preise für Batteriespeicher sind in den letzten Jahren zwar gesunken, aber die Anfangsinvestition ist immer noch erheblich.
Lebensdauer und Degradation: Die Lebensdauer eines Batteriespeichers und die Geschwindigkeit, mit der er sich im Laufe der Zeit verschlechtert (Degradation), wirken sich direkt auf die Wirtschaftlichkeit aus. Ein Speicher mit einer längeren Lebensdauer und einer geringeren Degradation wird im Laufe der Zeit rentabler sein.
Wirkungsgrad und Verluste: Der Wirkungsgrad des Wechselrichters und die Verluste beim Laden und Entladen der Akkus beeinflussen die Menge an Energie, die tatsächlich genutzt werden kann. Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet weniger Verluste und eine höhere Wirtschaftlichkeit.
Wartungs- und Reparaturkosten: Die Kosten für die Wartung und Reparatur des Batteriespeichers müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Typische Wartungs- und Reparaturfälle sind beispielsweise die Überprüfung der Batterieanschlüsse (Korrosion oder lose Verbindungen können die Leistung des Batteriespeichers beeinträchtigen), die Überprüfung des Kühlsystems (etwa der Kühlflüssigkeit und des Lüfters), der Austausch defekter Batteriezellen oder auch Software-Updates.
Strom- und Flexibilitätspreise: Die möglichen Erlöse eines Großspeichers an den Strommärkten hängen naturgemäß von der Preisentwicklung an den verschiedenen Strom- und Flexibilitätsmärkten ab. So erhöhen beispielsweise beim Handel auf dem Spotmarkt hohe Spreads (Unterschiede zwischen Höchst- und Niedrigpreisen) im Tagesverlauf die Wirtschaftlichkeit eines Batteriespeichers.
Eigenverbrauch: Falls die Möglichkeit besteht, den Batteriespeicher zur Eigennutzung von selbst produziertem und in der Batterie zwischengespeichertem Solarstrom zu verwenden, erhöht dies - solange Kosten des Bezugs von Netzstrom höher sind als die Solarstromgestehungs- und Speicherkosten - die Wirtschaftlichkeit des Speichers.

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 eingesetzt und dominieren inzwischen auch den Markt für stationäre Stromspeicher mit großem Abstand. 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 sind auch heute noch weit verbreitet. Ein Grund dafür ist ihr niedriger Preis und der Umstand, dass die benötigten 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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