Batterie-Speicherkraftwerk

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Ein Batterie-Speicherkraftwerk ist eine Form des Speicherkraftwerks, 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 installierten Leistungen von Batterie-Speicherkraftwerken im Bereich von einigen kW bis in den zweistelligen MW-Bereich. Mit Stand 2016 waren weltweit Batteriespeicher mit einer Leistung von 1,5 GW installiert, mit steigender Tendenz.[1]

Abseits der Leistung, als wichtige Kennzahl, ist bei Speicherkraftwerken die Speicherkapazität wesentlich. Sie gibt an, welche Menge an Energie der Speicher aufnehmen kann. Die weltweit größten Anlagen, mit Stand Jänner 2017, erreichen eine Speicherkapazität im Bereich um 300 MWh.[2]

Eine Auflistung von realisierten Anlagen findet sich in der Liste von Batterie-Speicherkraftwerken.

Anwendung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Batterie-Speicherkraftwerke 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. Speicherkraftwerke erlauben in diesem Anwendungsbereich die Einsetzung höherer Anteile erneuerbarer Energieträger.[3] 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 Batterie-Speicherkraftwerke grundsätzlich Schwarzstartfähig.[4]

Der Übergang von Batterie-Speicherkraftwerken 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.[5]

Aufbau[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Batterien für die Notstromversorgung eines Rechenzentrums

Vom Aufbau sind Batterie-Speicherkraftwerke 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 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 es seit den ersten Batterie-Speicherkraftwerken in den 1980er-Jahren überwiegend Bleiakkumulatoren, fanden in den Folgejahrzehnten auch zunehmend Nickel-Cadmium-Akkumulatoren und Akkumulatortypen wie der Natrium-Schwefel-Akkumulator Anwendung.[6] Durch fallende Preise in den 2010er Jahren kommen auch Lithium-Ionen-Akkumulatoren wie beispielsweise bei dem Batteriepark Schwerin, Batterie-Großspeicher Dresden oder dem Speicher von BYD in Hongkong zum Einsatz. Seit 2015 sind es auch Lithium-Ionen-Akkumulatoren, vereinzelt Redox-Flow-Batterien.[7]

Betriebsverhalten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 zur Stabilisierung nicht mit Nachbarnetzen elektrische Energie kurzfristig austauschen können.

Der Nachteil sind die 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 im Fallen, so dass diese Systeme wirtschaftlicher betrieben werden können als noch einige Jahrzehnte zuvor.

Marktentwicklung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

2016 schrieb der britische Netzbetreiber National Grid technologieoffen 200 MW an Regelleistung aus, um die Systemstabilität zu erhöhen. Hierbei setzten sich ausschließlich Batterie-Speicherkraftwerke durch.[8] In den USA ist der Markt für Speicherkraftwerke 2015 um 243 Prozent gegenüber 2014 gestiegen. [9]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Michael Sterner, Ingo Stadler Energiespeicher. Bedarf, Technologien, Integration, Berlin – Heidelberg 2014, ISBN 978-3-642-37379-4.
  • Lucien F. Trueb, Paul Rüetschi: Batterien und Akkumulatoren. Mobile Energiequellen für heute und morgen. Springer, Heidelberg u.a. 1998, ISBN 3-540-62997-1.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Studie: Speichermarkt wächst rasant. In: IWR, 25. August 2016. Abgerufen am 25. August 2016.
  2. Mitsubishi Installs 50MW Energy Storage System to Japanese Power Company In: globalspec.com. 11. März 2016, abgerufen am 28. Januar 2017.
  3. Michael Sterner, Ingo Stadler: Energiespeicher – Bedarf, Technologien, Integration. Berlin - Heidelberg 2014, S. 649f.
  4. Peter Stenzel, Johannes Fleer,Jochen Linssen, Elektrochemische Speicher, in: Martin Wietschel, Sandra Ullrich, Peter Markewitz, Friedrich Schulte, Fabio Genoese (Hrsg.), Energietechnologien der Zukunft. Erzeugung, Speicherung, Effizienz und Netze, Wiesbaden 2015, S. 157–214, S. 193.
  5. Michael Sterner, Ingo Stadler: Energiespeicher – Bedarf, Technologien, Integration. Berlin - Heidelberg 2014, S. 652.
  6. Batteries for Large-Scale Stationary Electrical Energy Storage (PDF; 826 kB), The Electrochemical Society Interface, 2010, (engl.)
  7. Große Batteriespeicher erobern die Stromnetze. pv-magazine.de. Abgerufen am 11. März 2016.
  8. Vattenfall meldet Zuschlag für Batterie-Großprojekt. In: IWR, 1. September 2016. Abgerufen am 1. September 2016.
  9. USA: Speichermarkt wächst um 243 Prozent im Jahr 2015. pv-magazine.de. Abgerufen am 11. März 2016.