Energiespeichersystem (ESS) mit Lithium-Ionen-Batterien

Energiespeichersysteme (ESS) und ihre Bedeutung

Ein Energiespeichersystem (ESS) ist ein System, dessen Ziel darin besteht, das Gleichgewicht zwischen Stromangebot und -nachfrage aufrechtzuerhalten, indem es Strom vorübergehend speichert und bei Bedarf bereitstellt.

In den letzten Jahren hat der Trend zur Dekarbonisierung zu einer verstärkten Nutzung erneuerbarer Energien geführt, wodurch ESS zunehmend an Bedeutung gewonnen hat. Die Menge an Strom, die aus erneuerbaren Energiequellen, insbesondere den wichtigsten wie Solar- und Windenergie, erzeugt wird, schwankt je nach Wetter und Tageszeit. Daher ist ESS unerlässlich, um diese Schwankungen auszugleichen und eine stabile Stromversorgung zu gewährleisten.

Einer Prognose eines Forschungsunternehmens zufolge werden Solar- und Windenergie im Jahr 2022 knapp über 20 Prozent der weltweiten Stromproduktion ausmachen, bis 2030 dürfte ihr Anteil jedoch auf knapp 50 Prozent steigen. Mit dem steigenden Anteil erneuerbarer Energien dürfte auch der Bedarf an Stromspeicherung deutlich steigen. (Quelle: World Energy Outlook 2023 – Analyse – IEA)

Hintergrund für die zunehmende Einführung von ESS

Als Gründe für die zunehmende Verbreitung von ESS werden die folgenden vier Punkte genannt:

1. Zunehmende Nutzung erneuerbarer Energien
   Mit der zunehmenden Verbreitung erneuerbarer Energien werden ESS eine wichtige Rolle bei der Stabilisierung des Gleichgewichts zwischen Stromangebot und -nachfrage sowie bei der Verbesserung der Flexibilität des Stromsystems spielen. Insbesondere schreitet die Installation von ESS neben Solarkraftwerken voran und es wird prognostiziert, dass die Nutzung von ESS in der Stromerzeugung weiter zunehmen wird.
   
2. Fortschritte in der Energiespeichertechnologie
   Technologische Innovationen bei Lithium-Ionen-Batterien haben die Leistung von ESS in vielerlei Hinsicht verbessert. Insbesondere wurden Energiedichte, Ladegeschwindigkeit, Zyklenlebensdauer und Sicherheit verbessert. Die verbesserte Leistung von ESS ist der Grund für seine zunehmende Verbreitung.
   
3. Energiepolitische Begleitung der Einführung
   Um die Einführung erneuerbarer Energien zu unterstützen, werden vor allem in Industrieländern politische Fördermaßnahmen ergriffen. In den USA wurde beispielsweise 2022 der Inflation Reduction Act (IRA) erlassen, um die Einführung erneuerbarer Energien stark zu fördern. Bei Netzspeicherbatterien* hat sich die gespeicherte Energiemenge im vergangenen Jahr mehr als verdoppelt. Bis 2024 dürfte sie sich noch einmal verdoppeln.
   * Akkumulatoren, die direkt an Solarkraftwerke, Windkraftanlagen etc. angeschlossen sind.
   (Quelle: Das Weiße Haus gibt Fortschritte und Ergebnisse der Bemühungen zum Aufbau einer sauberen Energiewirtschaft bekannt (USA) | Business Brief - JETROs Auslandsnachrichten - JETRO)
   
4. Steigende Nachfrage nach Elektrizität
   Um den künftig steigenden Strombedarf durch die Installation neuer Solar- und Windkraftanlagen zu decken, deren Stromerzeugung je nach Wetter und Tageszeit stark variiert, wird es notwendig sein, das Gleichgewicht von Angebot und Nachfrage mithilfe von ESS anzupassen.

Unternehmen, die die Einführung von ESS fördern

Solar- und Windenergie werden als „variable erneuerbare Energie (VRE)“ bezeichnet, da die von ihnen erzeugte Strommenge je nach Wetter und Tageszeit variiert.
Andererseits schwankt der Strombedarf auch je nach Jahreszeit und Tageszeit. In Japan beispielsweise steigt der Bedarf im Sommer und im Winter, wenn geheizt und gekühlt wird. Zudem schwankt der Bedarf zwischen Tag und Nacht.
Darüber hinaus ist es schwierig, Strom in großen Mengen zu speichern. Deshalb müssen die erzeugte Strommenge und die verbrauchte Strommenge stets aufeinander abgestimmt sein (Prinzip der gleichzeitigen Gleichmengen).
Vor diesem Hintergrund führen folgende Betriebe und Einrichtungen ESS ein: Durch die Einführung von ESS können Unternehmen und Einrichtungen von Vorteilen wie einer stabilisierten Stromversorgung, geringeren Stromkosten und einer geringeren Umweltbelastung profitieren und gleichzeitig das Gleichgewicht zwischen Stromversorgungsangebot und -nachfrage anpassen.

1. Elektrizitätsunternehmen
   Denn es bedarf einer stabilen Energiequelle, die den Strombedarf sofort decken kann
   
2. Unternehmen zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien (Solar-, Windenergie usw.)
   Denn als Unternehmer stehen wir in der Pflicht, Schwankungen in der Stromerzeugung aufzufangen und eine stabile Versorgung mit Elektrizität sicherzustellen.
   
3. Großanlagen (Fabriken, Gewerbe- und Medizinanlagen, Kommunalverwaltungen, Regierungsstellen und öffentliche Einrichtungen)
   Zur Stabilisierung der Stromversorgung und Sicherung einer Stromquelle im Notfall
   
4. Unternehmen, die eine Dekarbonisierung anstreben
   Ziel ist die Reduzierung des CO2-Ausstoßes durch die effektive Nutzung von Stromüberschüssen und die Einführung erneuerbarer Energien.

Stromspeicherung im großen Maßstab mit Lithium-Ionen-Batterien

Herkömmlicherweise wird bei der Stromspeicherung im großen Maßstab hauptsächlich auf Pumpspeicherung als Stromerzeugung zurückgegriffen, was jedoch Herausforderungen mit sich bringt, wie beispielsweise lange Bauzeiten und Einschränkungen bei der Installationsumgebung. Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen sind die Batteriepreise gesunken und die Nachfrage nach Stromspeichern gestiegen, sodass die Stromspeicherung mithilfe von Speicherbatterien in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen hat.

Zu den Vorteilen von Akkumulatoren zählen eine hohe Reaktionsfähigkeit, eine lange Entladezeit, keine Einschränkungen hinsichtlich der Installationsumgebung und eine kurze Installationszeit. Insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, die eine hohe Energiedichte und lange Lebensdauer aufweisen und schnell aufgeladen werden können, werden häufig für Anwendungen zur sofortigen Anpassung von Angebot und Nachfrage sowie zur Verschiebung von Lastspitzen verwendet.

Es gibt drei Haupttypen von Batterien: Lithium-Ionen-Batterien (LiB), Natrium-Schwefel-Batterien (NAS-Batterien) und Redox-Flow-Batterien (RF-Batterien). Von diesen werden Lithium-Ionen-Batterien voraussichtlich als wiederverwendete Batterien für Elektrofahrzeuge verwendet.

Die Gesamtkapazität der weltweiten Energiespeichersysteme betrug im Jahr 2022 etwa 223 GW und soll bis 2030 etwa 512 GW erreichen. Im Vergleich zur gesamten Stromerzeugungskapazität der Welt ist dies jedoch immer noch gering. Die Leistung der Pumpspeicher-Stromerzeugung wird im Jahr 2030 voraussichtlich bei rund 240 GW liegen und die Einführung weiterer Speicherbatterien und anderer Anlagen ist für den Ausbau der erneuerbaren Energien von entscheidender Bedeutung.
(Quelle: Bericht zur Marktgröße und zum Marktanteil von Energiespeichersystemen, 2030)

Da die Stromerzeugung durch Pumpspeicherung topografischen Einschränkungen unterliegt und Bedenken hinsichtlich der Umweltzerstörung bestehen, steigen die Erwartungen an die großtechnische Speicherung von Elektrizität mithilfe von Batterien. Da sich Akkumulatoren jedoch durch Auf- und Entladen abnutzen, ist die Stromerzeugung durch Pumpspeicherung im Hinblick auf die langfristigen Kosten vorteilhaft. Der Schlüssel zu einer breiten Einführung dieser Batterien liegt daher in der Senkung der mit ihnen verbundenen Kosten und ihres Austauschs.

Bedeutung von Sekundärschutzsicherungen

In den vorherigen Abschnitten wurden Akkumulatorensysteme mit Lithium-Ionen-Batterien untersucht. Um die Sicherheit dieser Batterien zu gewährleisten, sind Schutzsysteme unerlässlich. Eine Lösung hierfür ist der Einsatz von Sekundärsicherungen. Diese Sicherungen schalten bei Überstrom oder Kurzschluss automatisch den Strom ab und verhindern so Schäden am System. Dieser Schutz mindert Risiken wie das thermische Durchgehen von Lithium-Ionen-Batterien, das durch Überladung oder Tiefentladung verursacht werden kann, und erhöht so die Gesamtsicherheit.

Bei der Auswahl der Sicherung müssen der maximale Dauerstrom, das Abschaltvermögen und der Betriebstemperaturbereich berücksichtigt werden. Durch die richtige Anpassung dieser Parameter kann die Sicherung ihre Schutzfunktion maximieren und zur langfristigen Zuverlässigkeit und Leistung des Lithium-Ionen-Batteriesystems beitragen.

Bei infrastrukturbezogenen Anwendungen ist eine geringere Wartungshäufigkeit direkt mit Kostensenkungen verbunden. Daher ermöglicht die Installation geeigneter sekundärer Schutzvorrichtungen nicht nur einen sicheren Systemausfall, sondern senkt auch die Wartungskosten.

Für die Entwicklung und Marktdurchdringung von Energiespeichersystemen spielen die Auswahl und das Design von Sicherungen eine Schlüsselrolle, um deren Sicherheit und Zuverlässigkeit zu verbessern. Zukünftig wird das effiziente Management von Sekundärschutzsicherungen in der Energieversorgung immer wichtiger.