Was sind Batteriespeicher?
Als Batteriespeicher werden im Allgemeinen stationäre Akkumulatoren bezeichnet, die sich durch ihre Fähigkeit auszeichnen, elektrische Energie flexibel aufzunehmen, zu speichern und abzugeben. Je nach Bauart und Größe lassen sich unterschiedliche Einsatz- und Vermarktungsmöglichkeiten ableiten.
In der Energiewirtschaft werden Batteriespeicher für verschiedene Zwecke eingesetzt, beispielsweise zum Ausgleich von Stromangebot und -nachfrage im Netz, zur Bereitstellung von Systemdienstleistungen sowie zur Integration erneuerbarer Energien in das Stromsystem.
Batteriespeicher lassen sich in drei unterschiedliche Größenordnungen einteilen: PV-Heimspeicher für Privathaushalte mit einer Kapazität von weniger als 30 kWh, Gewerbe- und Industriespeicher mit einer Kapazität zwischen 30 und 1.000 kWh sowie Großbatteriespeicher mit einer Kapazität von mehr als 1.000 kWh.
Auf welchen Märkten sind Batteriespeicher einsetzbar?
Batterien jeder Größe sind für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzbar. Je nach Einsatzgebiet müssen Batteriespeicher jedoch unterschiedliche regulatorische Anforderungen erfüllen.
Je nach Spezifikation können sie beispielsweise für Systemdienstleistungen wie Netzstabilisierung (Frequenzregelung) und Peak-Shaving (Einspeisekappung), aber auch zur Lastverschiebung und Integration fluktuierender erneuerbarer Energien (EE, Wind- und Solarenergie) eingesetzt werden.
Dementsprechend können ihre Dienstleistungen auch auf verschiedenen Märkten angeboten werden und so z.B. Wholesale-Arbitrageerlöse (Day-Ahead und Intraday) sowie Erlöse auf den Regelenergiemärkten erzielen. Der Umfang des Einsatzes an den Strommärkten hängt jedoch davon ab, ob es sich um einen Speicher mit Graustrom oder reinem Grünstrom (Speicher ohne Netzbezug, etwa in Kombination mit einer EE-Anlage) handelt. Bei Speichern mit Graustrom ist der ausschließliche Zweck die Nutzung an den Strommärkten (Wholesales- und Regelenergiemärkte). Für die Verschiebung der Einspeisung der EE-Erzeugung zur Erzielung höherer Preise sowie zur Einhaltung des Peak-Shavings bei begrenztem Netzanschluss ist der grüne Speicher jedoch ideal geeignet.
Aus welchen Komponenten besteht ein Batteriespeichersystem?
Batteriespeicher umfassen mitnichten nur die Batteriezellen selbst, in denen die Energie elektrochemisch gespeichert wird. Erst durch eine Reihe weiterer Komponenten ist ein technisch und wirtschaftlich sinnvoller Einsatz möglich:
Leistungselektronik
Diese besteht im Wesentlichen zum einen aus dem Wechselrichter, der je nach Bedarf Wechsel- oder Gleichstrom erzeugt, und zum anderen aus dem Transformator, der unterschiedliche Stromstärken und Spannungen erzeugt. Die Leistungselektronik wandelt also den ein- oder ausgespeisten Strom aus dem Netz so um, dass er in die Batterien ein- oder ausgespeichert werden kann.
Batteriemanagementsystem (BMS)
Das BMS ist für das Laden und Entladen der Batterie zuständig. Dabei sorgt es für eine optimale Energieaufnahme und -abgabe und schützt damit einerseits das Batteriesystem und andererseits das Netz.
Mess- und Zähltechnik
Die Komponente misst den ein- und ausfließenden Strom sowie erfasst den Eigenverbrauch der Batterie (etwa für Kühlung, Lüftung, Heizung, Licht). Diese Mess- und Zählerwerte werden unter anderem an den Netzbetreiber und den Vermarkter weitergeleitet.
Module zur Marktteilnahme
Sie stellen die Verbindung zwischen dem Batteriespeicher und den verschiedenen Energiemärkten her, auf denen er vermarktet werden soll. Über sie werden die Signale an das BMS übermittelt, wann es wie viel Strom speichern oder abgeben soll. Diese Signale können zum einen von einer Software des Vermarkters kommen (Day-Ahead und Intraday Arbitrage), die die Strompreise analysiert und prognostiziert. Im Falle von Systemdienstleistungen (Regelenergie) können die Signale aber auch vom Netzbetreiber (Sekundärregelleistung) oder von der Netzfrequenz selbst (Primärregelleistung) kommen.
Welche Batteriespeichertechnologien gibt es?
Generell gibt es viele verschiedene Speichertechnologien auf dem Markt, das heißt die Technologie der Batterien selbst, die die Energie elektrochemisch speichern. Jede Technologie hat ihre Vor- und Nachteile. Die Wahl der Batterietechnologie hängt daher vom spezifischen Anwendungsfall und den Marktbedingungen ab. Zu den Batteriespeichertechnologien zählen:
Lithium-Ionen-Batterien
Li-Ion-Batterien sind derzeit der Standard, da sie am weitesten entwickelt sind und bereits in Massenproduktion hergestellt werden. Sie besitzen eine lange Lebensdauer und einen hohen Wirkungsgrad (ca. 95 %). Das heißt, sie geben die gespeicherte Energie fast vollständig wieder ab. Ihr größter Vorteil ist jedoch die hohe volumetrische Energiedichte, denn keine andere Batterietechnologie speichert so viel Energie in so kleinen Zellen wie die Li-Ion-Batterie. Zu den Nachteilen gehört, dass die knappen Rohstoffe zum Teil unter humanitär und ökologisch schwierigen Bedingungen abgebaut werden. Außerdem sind die Zellen nicht überladungs- oder tiefentladungsfest, weshalb für einen sicheren Betrieb ein Balancer (Ausgleichsregler) oder ein BMS erforderlich ist.
Lithium-Batterie ist nicht gleich Lithium-Batterie. Innerhalb dieser Speicherklasse gibt es erhebliche Unterschiede in der inneren Zusammensetzung der Speicherzellen (Zell-Chemie). Die gebräuchlichsten Zell-Chemien in Lithium-Ionen-Batterien sind unter anderem:
Nickel-Mangan-Cobalt-Akkumulator (NMC)
Diese Batterie besteht aus Schwermetallen, die den herkömmlichen Li-Ion-Batterien “beigemischt” werden. Dadurch wird die Energiedichte erhöht. Die Technologie steht jedoch in der Kritik, was die Nachhaltigkeit betrifft, da Kobalt und Nickel giftige Schwermetalle sind.
Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator (LFP)
Die LFP-Batterie ist langlebig, feuerfest und zudem kostengünstiger als die NMC-Batterie, da sie ohne teure Schwermetalle auskommt. Damit ist diese Batterietechnologie auch deutlich umweltfreundlicher. Ein großer Nachteil ist jedoch die geringere Energiedichte im Vergleich etwa zu NMC-Batterien. Dies führt bei gleicher Leistung zu einer Zunahme von Größe und Gewicht.
Natrium-Ionen-Batterien
Natrium-Ionen-Batterien sind ähnlich aufgebaut wie Lithium-Ionen-Batterien, kommen aber mit deutlich weniger oder gar keinen kritischen Rohstoffen aus, sind noch sicherer im Betrieb und zudem günstiger im Preis. Sie sind damit insgesamt umwelt- und sozialverträglicher als lithiumbasierte Batterietechnologien. Die Energiedichte ist allerdings etwas geringer als bei Li-Ionen-Batterien. Da die Massenproduktion erst am Anfang steht, werden die Kosten für Natrium-Ionen-Batterien voraussichtlich weiter sinken.
Bleiakkumulatoren
Diese Stromspeicher haben sich seit Jahrzehnten in einer Vielzahl von Anwendungen bewährt und sind auch heute noch weit verbreitet. Dies liegt daran, dass sie sowohl aus wirtschaftlicher als auch aus technischer Sicht eine Reihe von Vorteilen bieten: Aufgrund der sehr guten Verfügbarkeit und des günstigen Rohstoffeinsatzes ist die Batterie besonders günstig in der Anschaffung, zudem sehr robust und wartungsarm. Allerdings sind Bleibatterien deutlich schwerer und größer als vergleichbare Lithium-Ionen-Batterien. Außerdem haben sie eine relativ kurze Lebensdauer (gemessen an den Lade- und Entladezyklen) und einen geringeren Wirkungsgrad (ca. 80 %). Herkömmliche Bleiakkumulatoren sind z.B. für Solaranlagen ungeeignet, daher wurden Blei-Säure-Akkumulatoren entwickelt, die für die Speicherung von Solarstrom geeignet sind.
Natrium-Schwefel-Batterien
NAS-Batterien galten lange Zeit als eine Revolution in der modernen Batterietechnologie. Auch heute noch gelten sie als sehr zuverlässig, betriebssicher und langlebig. Im Vergleich zu anderen Batterietechnologien haben sie eine höhere Energiedichte, eine höhere Kapazität und eine längere Lebensdauer. Da sie vergleichsweise teuer sind und spezielle Betriebsbedingungen erfordern, eignen sie sich vor allem für die stationäre Energiespeicherung im großen Maßstab und werden vor allem als Langzeit-Batteriespeicher eingesetzt.
Redox-Flow-Batterien
Im Gegensatz zu Li-Ionen-Batterien basieren Redox-Flow-Batterien auf einem flüssigen elektrochemischen Speicher. Die flüssigen Elektrolyte werden außerhalb der eigentlichen Zelle, in der der Strom in chemische Energie umgewandelt wird, in Tanks unterschiedlicher Oxidationsstufen gelagert. Dadurch können Leistung und Kapazität nahezu unabhängig voneinander skaliert und so für die jeweilige Anwendung konfiguriert werden. Zudem haben sie eine noch längere Lebensdauer als Lithium-Ionen-Batterien. Außerdem verwenden sie keine seltenen Rohstoffe, sind daher weniger toxisch und ein Recycling ist möglich. Diese Technologie ist allerdings derzeit noch weniger ausgereift und verbreitet als die anderen. Auch die Herstellung ist derzeit noch sehr aufwändig.
