Batterie-Speicherkraftwerk

Ein Batterie-Speicherkraftwerk ist eine Form von Speicherkraftwerk, welches zur Energiespeicherung Akkumulatoren auf elektrochemischer Basis verwendet. Im Gegensatz zu üblichen Speicherkraftwerken, wie den Pumpspeicherkraftwerken mit Leistungen bis über 1000 MW, bewegen sich die Leistungen von Batterie-Speicherkraftwerken im Bereich von einigen kW bis in den unteren MW-Bereich - die größten realisierten Anlagen erreichen Leistungen bis zu 36 MW. Batterie-Speicherkraftwerke dienen, wie alle Speicherkraftwerke, primär zur Abdeckung von Spitzenlast und in Netzen mit ungenügender Regelleistung auch der Netzstabilisierung. Batterie-Speicherkraftwerke im Ausmaß von einigen kWh Arbeitsleistung werden zumeist im privaten Bereich im Zusammenspiel mit ähnlich dimensionierten Photovoltaikanlagen betrieben, um Ertragsüberschüsse tagsüber in ertragsärmere bzw. ertragslose Zeiten am Abend bzw. in der Nacht mitzunehmen (s. a. Solarbatterie u. Eigenverbrauch).

Aufbau

Batterien für die Notstromversorgung eines Rechenzentrums

Vom Aufbau sind Batterie-Speicherkraftwerke mit unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) vergleichbar, wenngleich die Ausführungen größer sind und meist ein eigenes Areal mit einigen 100 m² bis zu einigen 1000 m² Fläche umfassen. Die Akkus werden aus Sicherheitsgründen in eigenen Hallen untergebracht. Wie bei einer USV besteht das Problem, dass elektrochemische Energiespeicher grundsätzlich nur in Form von Gleichspannung Energie speichern bzw. abgeben können, während elektrische Energienetze meist mit Wechselspannung betrieben werden. Aus diesem Grund sind zusätzliche Wechselrichter nötig, welche bei Batterie-Speicherkraftwerken aufgrund der höheren Leistung und Anbindung mit Hochspannung arbeiten. Es kommt dabei Leistungselektronik mit GTO-Thyristoren zur Anwendung, wie sie auch bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen (HGÜ) üblich sind.

Als Akkumulatoren werden je nach Anlage verschiedene Systeme eingesetzt. Waren und sind es seit den ersten Batterie-Speicherkraftwerken in den 1980-Jahren bis heute überwiegend Bleiakkumulatoren, fanden in den Folgejahrzehnten auch zunehmend Nickel-Cadmium-Akkumulatoren und Akkumulatortypen wie der Natrium-Schwefel-Akkumulator Anwendung. Letztere werden primär in japanischen Anlagen eingesetzt. Die größten Anlagen basieren auf kostengünstigen und im Betrieb gegen Tiefentladung robusten Nickel-Cadmium-Akkumulatoren. In jüngster Zeit kommen durch stark fallende Preise auch Lithium-Ionen-Akkumulatoren zum Einsatz (s. Batteriepark Schwerin).

Der Vorteil von Batterie-Speicherkraftwerken sind die für energietechnische Systeme extrem kurzen Regelzeiten und Startzeiten im Bereich von 20 ms auf Volllast, da keine mechanisch zu bewegenden Massen vorhanden sind. Damit können diese Kraftwerke nicht nur zur Abdeckung von Spitzenleistung im Minutenbereich dienen, sondern auch zur Dämpfung von kurzfristigen Oszillationen im Sekundenbereich, bei an den Kapazitätsgrenzen betriebenen elektrischen Energienetzen. Diese Instabilitäten äußern sich in Spannungsschwankungen mit Perioden bis zu einigen 10 Sekunden und können sich in ungünstigen Fällen zu hohen Amplituden aufschwingen, welche zu überregionalen Stromausfällen führen können. Dem können ausreichend stark dimensionierte Batterie-Speicherkraftwerke entgegenwirken. Daher finden sich Anwendungen primär in jenen Regionen, wo elektrische Energienetze an ihrer Kapazitätsgrenze betrieben werden und in der Netzstabilität gefährdet sind. Weitere Anwendung sind Inselnetze, welche nicht mit Nachbarnetzen elektrische Energie kurzfristig austauschen können (s.a. Inselsystem, Inselanlage, Inselnetz).

Der Nachteil sind die als Verschleißteil ausgelegten Akkumulatoren und die damit verbundenen Kosten, welche diese Systeme oft unwirtschaftlich werden lassen, was sich jedoch in letzter Zeit durch fallende Preise geändert hat. Die Lade/Entladezyklen sind auf einige 100 bis zu 1000 Zyklen limitiert, wobei neuste Akkumulatoren bereits mehr als 10000 Zyklen bei 90 Prozent Entladetiefe erreichen (s. LiFePO4-Akku). Durch Überbeanspruchung wie Tiefentladung und vergleichsweise sehr hohe Lade- und Entladeströme (Ströme über 700 A sind üblich) können Defekte wie Überhitzung an den Akkumulatoren auftreten. Durch mechanische Schäden an den Gehäusen kann Säure austreten. Bei der elektrischen Ladung bilden sich je nach Akkutyp mit Luft explosive Gase wie Knallgas, welches aus den Hallen permanent abgesaugt werden muss.

Anlagenbeispiele

Im folgenden sind beispielhaft einige der größten Batterie-Speicherkraftwerke angeführt.

Berliner Kraft- und Licht

Vor der Wiedervereinigung Deutschlands wurde das Stromnetz in West-Berlin als Inselsystem von der Bewag betrieben. 1986 wurde in West-Berlin das bis heute in Deutschland größte Batterie-Speicherkraftwerk als Energiereserve und zur Frequenzstabilisierung in Betrieb genommen. Die Anlage hatte eine Spitzenleistung von 17 MW, welche nach Vollladung 20 Minuten lang abgegeben werden konnte, und konnte im optimalen Fall in Summe 14,4 MWh an elektrischer Energie speichern. Die Batterie bestand aus 7080 Bleiakkumulatoren in 12 parallelen Strängen zu je 590 Zellen.

Nach der Wende und dem Synchronschluss ging die Anlage Ende 1994 wegen Unwirtschaftlichkeit außer Betrieb.

Chino Battery Storage Project

Das von 1988 bis 1997 von der Southern California Edison im kalifornischen Ort Chino betriebene Batterie-Speicherkraftwerk diente primär zur Netzstabilisierung und konnte auch als statischer Blindleistungskompensator und zum Schwarzstart von nicht schwarzstartfähigen Kraftwerken nach häufig auftretenden Stromausfällen in der Region verwendet werden. Die Anlage hatte eine Spitzenleistung von 14 MW, welche für eine wirksame Stabilisierung im Netz der Southern California Edison allerdings viel zu wenig war, und eine Speicherfähigkeit von 40 MWh. Die Anlage bestand aus 8.256 Bleiakkumulatoren in acht Strängen, welche auf zwei Hallen aufgeteilt waren.

Golden Valley Electric - Fairbanks

Eine der größten und mit Stand 2010 in Betrieb befindliche Anlage wird von der Golden Valley Electric in Fairbanks betrieben. Das Stromnetz in Alaska wird aufgrund der großen Entfernungen als Inselnetz ohne direkte Verbindung zu benachbarten nordamerikanischen Verbundnetzen im Rahmen der North American Electric Reliability Corporation betrieben. Das Batterie-Speicherkraftwerk mit einer Maximalleistung von 27 MW dient der Netzstabilisierung, Abdeckung von Spitzenlast und zur Blindleistungskompensation. Die Anlage wurde 2003 in Betrieb genommen und besteht aus 13.760 Nickel-Cadmium-Akkumulatoren in vier Strängen. Die NiCd-Zellen sind von der Firma Saft, die Wechselrichter von Asea Brown Boveri (ABB).

Lithium-Ionen-Batteriepark Schwerin

In Schwerin baut der Stromversorger WEMAG einen Lithium-Ionen-Batteriepark zum Ausgleich kurzfristiger Netzschwankungen. Lieferant ist das koreanische Unternehmen Samsung, Projektpartner die Berliner Fa. Younicos. Der Großspeicher mit einer Kapazität von 5 Megawattstunden und einer Leistung von 5 Megawatt soll Mitte 2014 in Betrieb gehen.

Photovoltaik- und Hybrid-Kraftwerk

Das bestehende Photovoltaik-Kraftwerk Alt Daber bei Wittstock in Brandenburg erhält einen Batteriespeicher von 2 MWh. Das Besondere ist, dass dies eine Fertiglösung ist, die in Containern geliefert und installiert wird und ohne aufwendige Fertigungsarbeiten vor Ort sofort einsatzbereit ist. Zum Einsatz kommen jedoch noch Blei-Säure-Batterien und keine Lithium-Ionen-Batterien.

Literatur

• Lucien F. Trueb, Paul Rüetschi: Batterien und Akkumulatoren. Springer, 1998, ISBN 3-540-62997-1.