Batterien: eine wichtige Energiespeicherlösung
So funktioniert's
Batterien sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Sie stecken in unseren Smartphones und Notebooks oder sorgen dafür, dass unser Elektroauto von A nach B kommt. Sie tragen aber auch zusehends zur Stabilisierung unserer Stromnetze bei.
Batterie-Grossspeicher helfen, Schwankungen im Stromnetz auszugleichen. Sie können Strom schnell speichern und rasch zur Verfügung stellen, sodass sich Produktion und Verbrauch im Stromnetz stets die Waage halten.
Ob im Smartphone, im Elektroauto oder als Batterie-Grossspeicher: Die Batterien verwenden elektrochemische Zellen, die Energie chemisch speichern und in elektrische Energie umwandlen.
Zu den am häufigsten verwendeten elektrochemischen Batterien gehören Lithium-Ionen-Batterien. Ihr Vorteil: die hohe Energiedichte. Es lässt sich also viel Energie auf minimalem Raum speichern.
Wie der Name verrät, gehört Lithium zu den wichtigsten Bestandteilen der Batterie. Lithium kommt gemäss den weltweit bekannten Reserven am häufigsten in Chile vor, gefolgt von Australien, Argentinien und China.
Eine Lithium-Ionen-Batteriezelle besteht aus zwei Elektroden, der Kathode und der Anode. Beide trennt der Elektrolyt, einem leitfähigen Träger. Während die Kathode aus Speichermaterialien wie etwa Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide besteht, besteht die Anode in der Regel aus Graphit.
Entlädt sich die Batterie, wandern Lithiumionen – Ionen sind positiv geladene Ladungsträger – von der Anode durch den Elektrolyten zur Kathode. Gleichzeitig setzt die Anode Elektronen frei, die über einen externen Stromkreis zur Kathode fliessen und dabei beispielsweise unser Smartphone mit Strom versorgen. Als Ausgleich wandern die Lithiumionen aus der Anode durch den Elektrolyten zur Kathode, wo sie sich anlagern. Beim Laden hingegen, wenn also die Batterie von aussen mit Strom versorgt wird, wird die elektrische Energie wieder in chemische umgewandelt. Die Lithiumionen und Elektronen fliessen nun in die umgekehrte Richtung.
Werden die Zellen in Reihen zusammengeschaltet, auch Serienschaltung genannt, erhöht sich die Betriebsspannung. Ist eine höhere Kapazität des Stromspeichers gefragt, werden die Zellen parallelgeschaltet. Die beiden Systeme werden auch kombiniert.
Die wichtigsten Kennzahlen einer Batterie sind die Leistung (gemessen in Kilowatt, kW, oder Megawatt, MW) sowie die Energie, die gespeichert werden kann (gemessen in Kilowattstunde, kWh, oder Megawattstunde, MWh).
Axpo arbeitet mit Batterie-Grossspeichern. Die Leistung und Speicherkapazität dieser Batterien liegt im Megawatt- bzw. Megawattstunden-Bereich.
Batterien von A bis Z
Grosse Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) sind für eine hohe Leistung und eine grosse Speicherkapazität ausgelegt. Eine Anlage besteht einerseits aus einem Batteriesystem, das Batteriezellen, Kühlung und ein Energiemanagementsystem (EMS) integriert und andererseits aus einem Energieumwandlungssystem, das aus Wechselrichtern und Transformatoren besteht.
Die wichtigsten Antworten zum Thema Batterien
BESS können in rund einem Jahr fertiggestellt und in der Regel 20 Jahre betrieben werden. Beim Bau ist der Einfluss auf die Umwelt minimal und der Betrieb umweltfreundlich.
Der grosse Teil der Batterien wird in Asien produziert. Hier werden auch die Hauptbestandteile der Batterien, Lithium und Graphit, vornehmlich abgebaut und veredelt.
Mit der Zeit und Nutzung nimmt die Speicherkapazität der Batterien ab. Bei der Nutzung von einem Zyklus pro Tag rechnet man mit ca. 2% Reduktion der Kapazität pro Jahr.
Nachdem die Batterien ihr maximale Betriebsdauer erreicht haben, können Lithium, Aluminium und Kobalt zurückgewonnen und wiederverwendet werden.
Kosten
Es ist davon auszugehen, dass die Investitionskosten für Batterien langfristig sinken werden, weil die Effizienz zur Umsetzung der Projekte zunehmen wird und vermehrt Skaleneffekte generiert werden können. Dennoch kann es zu Engpässen bei der Lithium-Beschaffung kommen, die die Kosten vorübergehend nach oben treiben können, wie beispielsweise Anfang 2022 geschehen.
Regulatorische Rahmenbedingungen
Batteriespeichersysteme werden auf mehreren Märkten eingesetzt und sind sowohl Stromverbraucher als auch -erzeuger. Es ist daher wichtig, dass die Regulierungsbehörden einen klaren Rahmen für den Bau und den Betrieb der Anlage vorgeben.
Beschaffenheit der Netze
In den meisten Ländern wurden die Übertragungs- und Verteilungsnetze historisch gesehen für eine zentralisierte Produktion entwickelt. Die Möglichkeiten der Höhe der zu installierenden Batteriekapazitäten sind abhänging vom Einspeisepunkt und der Netztopologie an der spezifischen Stelle.
- Die Speicherkapazität einer Batterie gibt die Energiemenge an, die sie speichern kann (gemessen in Megawattstunden, MWh).
- Die Leistung ist die Energie pro Zeiteinheit, die eine Batterie laden oder entladen kann (gemessen in Megawatt, MW).
- Die C-Rate misst, wie schnell eine Batterie geladen und entladen werden kann. Sie errechnet sich aus der Leistung dividiert durch die Speicherkapazität.
- Der State-of-Health (SoH) einer Batterie beschreibt das Verhältnis zwischen der Speicherkapazität einer gebrauchten und einer neuen Batterie: Zu Beginn beträgt der SoH 100%.
- Der Ladezustand (State of Charge, SoC) gibt den Ladezustand einer Batterie an: bei 0% ist die Batterie leer und bei 100% SoC voll.
- Die Anzahl der Zyklen gibt an, wie viele gleichwertige, volle Lade- und Entladezyklen eine Batterie in einem bestimmten Zeitraum macht. Batterien führen in der Regel 1 bis 2 äquivalente Vollladezyklen pro Tag durch.
- Die Roundtrip-Effizienz misst die Energie, die zurückgewonnen werden kann, im Vergleich zu der in den Speicher eingebrachten Energie (Output dividiert durch Input). Der Roundtrip-Wirkungsgrad liegt in der Regel bei 85 % oder höher.
- Die Lebensdauer einer Batterie hängt von ihrem Betrieb ab. Häufiges Laden und Entladen sowie extreme Ladezustände verringern die Lebensdauer einer Batterie.
Anwendungen
Grosse Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) können folgende Leistungen erbringen:
- Energy shifting: Beispielsweise kann der am Tag erzeugte Strom aus Photovoltaik gespeichert und in der Nacht ins Netz eingespeist werden
- Peak shaving: Senken und Glätten von Lastspitzen im Stromnetz, um Netzkosten zu sparen
- Imbalance: Unterschied zwischen effektiv erzeugter Energie zu gehandelter Energie
- Day-Ahead- und Intraday-Handel
- Systemdienstleistungen: Primär- und Sekundär- Regelleistung
- Reserveenergie
- Freisetzung von Engpässen im Netz und Verschiebung von Netzinvestitionen durch das Management von Spitzenenergieflüssen
Darüber hinaus tragen Batterien zur Sicherung der Energieversorgung bei. Allenfalls wird das Bereitstellen von Kapazitäten vergütet.
BESS können entweder vor dem Zähler (front-of-the-meter, FTM) angeschlossen werden oder dahinter (behind-the-meter, BTM). Grossbatterien zur Unterstützung des Stromnetzes werden in der Regel vor dem Zähler (FTM) angeschlossen.
Eine Batterie kann eigenständig oder zusammen mit Photovoltaik- oder Windenergieanlagen betrieben werden. Der Vorteil der letzteren Variante ist, dass die Infrastruktur zusammen genutzt werde kann (Land, Netzanschluss). Der Nachteil sind Einschränkungen im Betrieb
