Batterie-Speicherkraftwerk

Ein Batteriespeicher

Details eines Speichers

Ein Batteriespeicher ist eine Form eines elektrischen Energiespeichers, welches dazu Akkumulatoren verwendet, d. h. wiederaufladbare elektrochemische Zellen. Die installierten Leistungen von Batteriespeichern bewegen sich im Bereich von einigen Kilowatt (kW) bei Hausanlagen bis in den dreistelligen Megawatt-Bereich (MW): Das stärkste (Stand Januar 2018 in Australien) leistet bis zu 100 MW bei einer Kapazität von 129 MWh. Im Vergleich dazu weisen Pumpspeicherkraftwerke deutlich höhere Leistungen und mögliche Speichermengen auf. Weltweit werden sind etwas 97% aller Stromspeicher Pumpspeicherkraftwerke . Mit einer Lebensdauer von bis über 100 Jahren sind diese Kraftwerke sehr wirtschaftlich und somit nachhaltig. Seit 1909 ist in der Schweiz das Stromspeicherkraftwerk Engeweiher in Betrieb. Batteriespeicher müssen diese nachhaltigkeit erst unter Beweis stellen.

Mit Stand 2016 waren weltweit Batteriespeicher mit einer Leistung von 1,5 GW installiert, mit steigender Tendenz.

Wichtige Kennzahlen von Stromspeicher sind Leistung und Speicherkapazität. Letztere gibt an, welche Menge an Energie der Speicher aufnehmen kann. Die weltweit größte Anlage, mit Stand Mai 2017, erreicht eine Speicherkapazität im Bereich um 300 MWh. Weltweit sind mit Stand Mai 2017 etwa 700 Batteriespeicher in Betrieb. Davon nutzen 461, also etwa zwei Drittel der Werke, Lithiumionenbatterien, 85 Bleibatterien, 70 Natriumbatterien (Natrium-Schwefel oder Natrium-Nickelchlorid) 69 Redoxflusszellen und 6 Nickelelbatterien (2 Nickel-Cadmium, 1 Nickel-Metallhydrid, 3 Nickel-Eisen).

Beispiele von realisierten Anlagen findet sich in der Liste von Batterie-Speichern.

Geschichte

Batteriespeicher wurden bereits gegen 1900 eingesetzt, um in vielen der damaligen dezentralen Gleichstromnetze die Lastspitzen zu decken. Während Schwachlastzeiten speicherten sie elektrische Energie ein, die sie später bei hoher Nachfrage wieder abgaben. Um 1905 stellten derartige Akkumulatorstationen mit rund 100 MW rund 15 % der installierten elektrischen Gesamtleistung in Deutschland. Ihr Nutzungsgrad betrug ca. 70 bis 80 %.

Anwendung

Batteriespeicher dienen primär zur Erbringung von Systemdienstleistungen. Ein Anwendung im kleineren Rahmen ist die Netzstabilisierung in Stromnetzen mit ungenügender Regelleistung. Ein weiterer, wesentlicher Anwendungsbereich ist der Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch, insbesondere der Leistungsausgleich von nicht nachfragorientierten erneuerbaren Energiequellen wie Wind- und Solarstromkraftwerken. Stromspeicher erlauben in diesem Anwendungsbereich die Einsetzung höherer Anteile erneuerbarer Energieträger. Neben Regelleistung können Batteriespeicher aufgrund der praktisch trägheitslosen Steuerung und schnellen Reaktionsfähigkeit auch zur Spannungsregulierung in Wechselspannungsnetzen eingesetzt werden. Sie dienen dabei der Steuerung der Blindleistung und können statische Blindleistungskompensatoren in deren Funktion ergänzen. Außerdem sind Batteriespeicher grundsätzlich schwarzstartfähig.

Der Übergang von Batteriespeicher zu den kleineren Batteriespeichern mit ähnlichen Anwendungsgebiet ist fließend. Sogenannte Solarbatterien mit wenigen kWh Speicherkapazität werden zumeist im privaten Bereich im Zusammenspiel mit kleineren Photovoltaikanlagen betrieben, um Ertragsüberschüsse tagsüber in ertragsärmere bzw. ertragslose Zeiten am Abend bzw. in der Nacht mitzunehmen, den Eigenverbrauch zu stärken, die Autarkie zu erhöhen oder die Versorgungssicherheit zu erhöhen.

Eine mittelgroße Anwendung sind Energiepuffer zum Schnellladen von größeren Elektrofahrzeugen, wie etwa ÖV-Busse und Fähren.

Aufbau

Batterien für die Notstromversorgung eines Rechenzentrums

Vom Aufbau sind Batteriespeicher mit unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) vergleichbar, wenngleich die Ausführungen größer sind. Die Akkus werden aus Sicherheitsgründen in eigenen Hallen, oder bei provisorischen Anlagen in Containern, 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 im Regelfall mit Wechselspannung betrieben werden. Aus diesem Grund sind zusätzliche Wechselrichter nötig, welche bei Batteriespeicher 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 es seit den ersten Batteriespeicher in den 1980er-Jahren überwiegend Bleiakkumulatoren, fanden in den Folgejahrzehnten auch zunehmend Nickel-Cadmium-Akkumulatoren und Akkumulatortypen wie der Natrium-Schwefel-Akkumulator Anwendung. Durch fallende Preise in den 2010er Jahren sind Lithium-Ionen-Akkumulatoren die mittlerweile am häufigsten eingesetzten Akkumulatoren, wie beispielsweise bei dem Batteriepark Schwerin, Batterie-Großspeicher Dresden oder dem Speicher von BYD in Hongkong der Fall. Allerdings kommen auch weitere Technologien wie Redox-Flow-Batterien zum Einsatz.

Betriebsverhalten

Der Vorteil von Batteriespeicher 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 Batteriespeicher 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 zur Stabilisierung nicht mit Nachbarnetzen elektrische Energie kurzfristig austauschen können. Allerdings stellen Kraftwerke mit rotierenden Massen (Generatoren) wie Pumpspeicherkraftwerke damit eine Trägheit dem Netz zur Verfügung welche ohne Verzögerung zur Stabilität des Stromnetzes beiträgt.

Ein Nachteil, insbesondere bei der Verwendung von Bleiakkumulatoren, ist die begrenzte Lebensdauer der als Verschleißteil ausgelegten Akkumulatoren und die damit verbundenen Kosten, welche diese Systeme oft unwirtschaftlich werden lassen. 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, die Lade/Entladezyklen sind in diesem Anwendungsbereich auf einige 100 bis zu 1000 Zyklen limitiert. Durch mechanische Schäden an den Gehäusen kann weiters Säure oder Elektrolyt aus dem Inneren der Akkuzellen austreten. Bei der elektrischen Ladung bilden sich je nach Akkutyp mit Luft explosive Gase wie Knallgas, welches aus den Hallen permanent abgesaugt werden muss. Lithium-Ionen-Akkumulatoren mit einer geeigneten Steuerelektronik haben diese Probleme nicht, auch die Zyklenfestigkeit ist gegenüber Bleiakkumulatoren verbessert. Die Preise von Lithium-Ionen-Akkus sind mit Stand 2016 sinkend, so dass diese Systeme wirtschaftlicher betrieben werden können als noch einige Jahrzehnte zuvor.

Marktentwicklung

2016 schrieb der britische Netzbetreiber National Grid technologieoffen 200 MW an Regelleistung aus, um die Systemstabilität zu erhöhen. Hierbei setzten sich ausschließlich Batteriespeicher durch. In den USA ist der Markt für Speicherkraftwerke 2015 um 243 Prozent gegenüber 2014 gestiegen.

Kombination mit Gasturbine

Die Technischen Werke Ludwigshafen haben ein Patent angemeldet auf ein Regelkraftwerk, das auf Batterie (mit 8 MW Leistung) für Kurzzeitbedarf plus Gasturbine (5 MW) für beliebig lange Leistungslieferung basieren wird. Der Bau, Teil des bundesdeutschen Forschungsprojekt SINTEG, startete 2017.

Literatur

• Speicher oder Netzausbau: Batteriespeicher im Verteilnetz. In: netzpraxis Nr. 10/2018, S. 80–83
• E. Schoop: Stationäre Batterie-Anlagen: Auslegung, Installation und Wartung, Huss, Berlin, 2. Auflage von 2018, ISBN 978-3-341-01633-6
• B. Riegel, W. Giller: Bleibatterien als stationäre Anwendung im Wettbewerb zu stationär eingesetzten Lithium-Ionen-Batterien. In: E. Fahlbusch (Hrsg.): Batterien als Energiespeicher: Beispiele, Strategien, Lösungen, Beuth, Berlin/Wien/Zürich 2015, ISBN 978-3-410-24478-3, S. 353–374
• Jörg Böttcher, Peter Nagel (Hrsg.): Batterie-Speicher: Rechtliche, technische und wirtschaftliche Rahmenbedingungen, De Gruyter Oldenbourg, Berlin/Boston 2018, ISBN 978-3-11-045577-9
• Chapter 30: Abbas A. Akhil, John D. Boyes, Paul C. Butler, Daniel H. Doughty: Batteries for Electrical Storage Applications. In: Thomas B. Reddy (Hrsg.): Linden's Handbook of Batteries. 4. Auflage. McGraw-Hill, New York 2011, ISBN 978-0-07-162421-3
• Michael Sterner, Ingo Stadler (Hrsg.): Energiespeicher. Bedarf, Technologien, Integration. 2. Auflage, Berlin Heidelberg 2017, ISBN 978-3-662-48893-5.
• Lucien F. Trueb, Paul Rüetschi: Batterien und Akkumulatoren. Mobile Energiequellen für heute und morgen. Springer, Heidelberg u. a. 1998, ISBN 3-540-62997-1. 
• Produktdatenbank Batteriespeicher 2018