Ausblick auf die Verbreitung von Lithium-Ionen-Batterien für die Speicherung im Stromnetz

Als Energieverbraucher erwarten Sie im Allgemeinen, dass die Lichter angehen, sobald Sie einen Schalter umlegen. Wenn Sie ein Gerät an eine Steckdose in Ihrem Haus anschließen, erwarten Sie, dass der Strom sofort fließt. Natürlich nur, wenn Sie Ihre Rechnungen pünktlich bezahlt haben.

Sie mögen Ihre Erwartungen auf Ihr Vertrauen in das regionale Stromnetz gründen, das auf der Prämisse beruht, dass das Netz unendlich viel Strom liefert. Doch die Wahrheit ist viel komplizierter. In diesem Artikel geht es darum, wie Ihr Stromnetz funktioniert und welche Rolle Lithium-Ionen-Batterien dabei spielen.

Das Raster: Was ist es, und wie funktioniert es?

Der Strom, den Sie zu Hause oder am Arbeitsplatz verbrauchen, wird über ein komplexes Netz von Stromübertragungsleitungen zu Ihnen geliefert. Diese Stromübertragungsleitungen und ihre elektrischen Komponenten bilden zusammen das Stromnetz.

Das Stromnetz ist so konzipiert, dass es Sie jederzeit nahtlos mit Strom versorgt, wenn Sie ihn brauchen. Die Verteilung von Strom ist jedoch viel komplizierter als das Umlegen eines Schalters. Das Netz verbindet Sie mit einer Vielzahl von Stromerzeugern an verschiedenen Standorten. Diese Kraftwerke erzeugen Strom aus einer Vielzahl von Quellen, unter anderem aus fossilen Brennstoffen, Sonnen-, Wind- und Wasserkraft. Das Stromnetz ist auf verschiedene technische Lösungen angewiesen, um seine Aufgabe effektiv zu erfüllen.

Das Stromnetz: Management von Stromnachfrage und -angebot

Elektrizität bietet die Fassade, dass sie immer in Ihren Steckdosen verfügbar ist und darauf wartet, genutzt zu werden, denn wenn Sie den Schalter umlegen, liefert das Netz sofort Strom. Doch Erzeugung und Verbrauch von Strom schwanken innerhalb eines 24-Stunden-Zyklus.

Ihre Netzbetreiber passen die Stromsysteme ständig an, um das unterschiedliche Angebot und die unterschiedliche Nachfrage nach Strom auszugleichen. Tagsüber wird der meiste Strom in städtischen Zentren in Büros und Fabriken verbraucht, wenn die Menschen zur Arbeit gehen. Nachts jedoch wird der größte Teil des Stroms in Wohngebieten verbraucht, um die Häuser zu beleuchten und zu versorgen.

Die wachsende Popularität der erneuerbaren Energien hat die Dynamik, mit der die Netzbetreiber konfrontiert sind, noch verstärkt. Die Leistung der meisten Anlagen für erneuerbare Energien schwankt je nach Verfügbarkeit der Ressource, was bei Wind- und Solarenergie offensichtlich ist. Windenergie ist nur verfügbar, wenn es windig ist, und Solarenergie nur, wenn es sonnig ist. Daher müssen die Netzbetreiber auch ihre Stromversorgung steuern, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen.

Verschiedene Länder in Europa und anderen Teilen der Welt haben der Versorgung mit erneuerbaren Energien Vorrang eingeräumt. In diesen Fällen muss der aus erneuerbaren Energiequellen erzeugte Strom sofort abgenommen werden. Allerdings produzieren die Anlagen für erneuerbare Energien oft mehr Strom, als das Netz benötigt. Die Netzbetreiber können fossile Brennstoffe und Wärmekraftwerke abschalten, um Brennstoff zu sparen, wenn der Strombedarf niedrig ist. Aber Sonne und Wind kann man nicht abschalten. Dieses Überangebot an Strom ist der Grund für die Entwicklung von Systemen zur Speicherung von Energie im Netz.

Energiespeicherung im Netz verstehen

Die Energiespeicherung im Netz wird auch als großtechnische Energiespeicherung bezeichnet. Der Verweis auf die Speicherung überschüssiger Elektrizität ist per definitionem ein Paradoxon, da Elektrizität selbst nicht gespeichert werden kann1. Man kann ihn jedoch in andere Energieformen umwandeln, die gespeichert und bei Bedarf wieder in Strom umgewandelt werden können. Diese Umwandlung von Strom in speicherbare Energieformen ist die Technologie, die hinter der Netzenergiespeicherung steht.

Die häufigste Art der Energiespeicherung im Netz wird in Wasserkraftwerken eingesetzt. Wenn Strom billig ist oder die Nachfrage gering, pumpen die Kraftwerksbetreiber Wasser in einen hohen Damm oder Stausee. Dieses Wasser wird dann während der Nachfragespitzen durch Rohre abgelassen, um Turbinen anzutreiben1. Zu den verschiedenen anderen Arten der Energiespeicherung im Netz gehören Batterien, Schienenenergie, Schwungräder, Superkondensatoren und andere.

Lithium-Ionen-Batteriespeicher Kraftwerke

Batterien funktionieren durch die Umwandlung von Elektrizität in chemische Energie, die bei Bedarf leicht Strom erzeugen kann. Die in Batterien gespeicherte Energie kann nur als Gleichstrom (DC) erzeugt werden. Das Stromnetz arbeitet jedoch in der Regel mit Wechselstrom (AC). Daher benötigen Batteriespeicherkraftwerke zusätzliche elektronische Komponenten wie Wechselrichter, um den Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln.

Die Verwendung von Batterien zur Unterstützung des Stromnetzes begann in den 1980er Jahren mit Blei-Säure-Batterien. Als die Preise für verschiedene Mineralien und Technologien sanken, wurden Nickel-Cadmium- und Natrium-Schwefel-Batterien populär. Seit 2010 sind Lithium-Ionen-Batterien (LIB) die Technologie der Wahl für kleine und große Speicheranwendungen.

Die Popularität der Lithium-Ionen-Batterie für die Speicherung im Netz

Lithium-Ionen-Batterien machen derzeit weltweit mehr als 90 % der Batteriespeichersysteme für das Stromnetz aus. Die Kosten für Lithiumbatterien sind in den letzten zehn Jahren kontinuierlich gesunken. Wie bei der Solarenergie haben die gesunkenen Preise die Lithium-Ionen-Technologie deutlich rentabler gemacht.

Daher wenden sich immer mehr Netzbetreiber von herkömmlichen Batterien ab und investieren in Lithium-Ionen-Batterien zur Stromspeicherung. In den USA sind die Versorgungsunternehmen von etwa 80,6 MWh im Jahr 2013 auf fast 650 MWh im Jahr 20172 gestiegen. Abgesehen von der Erschwinglichkeit gibt es noch weitere Gründe, warum Lithium-Ionen-Batterien immer beliebter werden.

Die hohe Energiedichte von Lithium

Die Energiedichte ist die Menge an Energie, die eine Batterie pro Masseneinheit oder Kapazität enthält. Wird die Dichte einer Batterie durch ihr Gewicht definiert, spricht man von gravimetrischer Energiedichte. Sie wird in Wattstunden pro Kilogramm (W-hr/Kg) gemessen.

Wenn man die Energiedichte durch die Kapazität der Batterie definiert, spricht man von der volumetrischen Energiedichte. Lithium-Ionen-Batterien sind so beliebt, weil Lithium die höchste Energiedichte der Welt aufweist.

Anwendungen von Lithium-Ionen-Batterien

Wenn Sie mit autonomen Solaranlagen vertraut sind, wissen Sie, dass sie Batteriespeicher verwenden, um nachts Strom zu liefern. Batterien für die Netzspeicherung haben jedoch ein breiteres Anwendungsspektrum. Sie können diese Systeme so konzipieren, dass sie die Lücken füllen, die durch Unzulänglichkeiten im Stromnetz entstehen. Dazu gehören

• Kurzzeit-Spitzenleistung
• Leistungsspitzen beim Rasieren
• Ergänzende Dienstleistungen
• Frequenzgangreserve
• Stromausfall

Kurzfristige Spitzenstromversorgung

Stromversorgungssysteme haben zwei Arten von Leistungsregimen. Dies sind die Dauerleistung und die Spitzenleistung. Die Dauerleistung ist die Strommenge, die dauerhaft ohne Unterbrechung geliefert werden kann.

Alternativ dazu ist die Spitzenleistung die maximale Leistung, die ein Netzgerät aufrechterhalten kann. Sie kann nur für kurze Zeiträume im Bereich von Millisekunden bis Sekunden aufrechterhalten werden. Wird sie länger als ein paar Sekunden aufrechterhalten, kann sie die Stromversorgung oder die Geräte beschädigen.

Einige motorisierte elektromechanische Geräte verbrauchen beim Starten mehr Strom als im normalen Betrieb. Diese Geräte können bis zu dreimal mehr Strom zum Starten benötigen. Beispiele für solche Geräte sind Ventilatoren, Stellantriebe, Pumpen und andere.

Lithium-Ionen-Batteriespeicher können die bei Stromspitzen benötigte zusätzliche Sofortleistung bereitstellen. Auf diese Weise muss der Netzbetreiber nicht auf teure Stromquellen und Spitzenkraftwerke zurückgreifen, um die Stromversorgungslücke zu schließen.

Peak-Shaving-Anwendungen

Die Strommärkte werden nicht nur durch das Stromangebot, sondern auch durch die Entwicklung der Stromnachfrage bestimmt. Gewerbliche Stromverbraucher wissen, dass die Stromtarife im Laufe des Tages variieren. Wenn die Nachfrage gering ist, werden die Tarife in der Schwachlastzeit berechnet. Wenn die Nachfrage jedoch hoch ist, wird die Energie zu Spitzenpreisen geliefert.

Unter Peak Shaving versteht man die Nutzung alternativer Stromquellen zur Deckung des Strombedarfs während der Spitzenlastzeiten, um Ihre Stromkosten niedrig zu halten, ohne dass Sie Ihre Zeitpläne oder Leistungen ändern müssen.

Lithium-Ionen-Netzspeichersysteme eignen sich hervorragend für Anwendungen zur Spitzenlastreduzierung. In Schwachlastzeiten können Batteriespeicherkraftwerke billigen Strom nutzen, um die Lithium-Ionen-Batteriebänke aufzuladen. Diesen können sie dann während der Spitzenlastzeiten gewinnbringend verkaufen.

Peak Shaving wird auch bei privaten Nutzern im Rahmen von Anwendungen zur Nachfragesteuerung immer beliebter. Hausbesitzer laden ihre Lithium-Ionen-Batterien tagsüber mit kostenloser Sonnenenergie auf. Diese verbrauchen sie dann in der Nacht, wenn die Strompreise hoch sind.

Intelligente Technologien sind bei der Einrichtung von Peak-Shaving-Anwendungen von großem Nutzen. Sie können Ihr System so konfigurieren, dass es in Spitzenzeiten automatisch zwischen Netzstrom und Batteriestrom umschaltet, um Geld zu sparen.

Lithium-Ionen-Batterien für Hilfsdienste

Wie jedes komplexe System weist auch das Stromnetz häufig Unzulänglichkeiten oder Versorgungslücken auf. Dies sind Umstände, die zu einer Unterbrechung der Stromversorgung der Kunden führen.

Die regelmäßige Erzeugung und Übertragung von Strom spielt eine Schlüsselrolle bei der Aufrechterhaltung der Netzstabilität und -sicherheit. Dennoch gibt es immer wieder Fälle, in denen dies ineffizient ist. Hilfsdienste erhalten die Stabilität und Sicherheit des Netzes aufrecht, wenn die reguläre Erzeugung und Übertragung nicht ausreicht.

Bisher wurden die Hilfsdienste mit Hilfe von Stromerzeugern erbracht. Die Fortschritte in der Energiespeichertechnologie haben jedoch die Möglichkeiten der Netzbetreiber erweitert. Hilfsdienste werden jetzt von Lithium-Ionen-Batteriespeicherkraftwerken, Elektrofahrzeugen und Anlagen für erneuerbare Energien erbracht. Die folgende Liste enthält einige der gängigsten Hilfsdienste, die vom Stromnetz bereitgestellt werden.

• Betriebs- und Spinnereireserven
• Spannungssteuerung
• Planung und Versand von Strom
• Verlustausgleich

Roundup

Die Energiespeicherung im Netz ist ein ständig wachsender Markt mit einem immensen Potenzial. Die ständige Weiterentwicklung der Stromversorgungsbranche erfordert ständige Innovation und Neuerfindung der Technologie. Lithium-Ionen-Batterien bieten eine wettbewerbsfähige, zuverlässige und kostengünstige Lösung im Bereich der Energiespeicherung.