Was sind elektrische Energiespeichersysteme?

Elektrische Energiespeichersysteme (EESS) sind Technologien zur Erfassung und Speicherung elektrischer Energie für die spätere Nutzung. Sie spielen eine entscheidende Rolle beim Ausgleich von Stromangebot und -nachfrage, insbesondere im Zusammenhang mit erneuerbaren Energiequellen wie Sonne und Wind.

Kredit an EIA.ORG

Was sind EESS?

Elektrische Energiespeichersysteme (EESS) sind innovative Technologien, die die Speicherung von Strom aus verschiedenen Quellen, einschließlich erneuerbarer Energien, für eine spätere Nutzung ermöglichen. Diese Systeme spielen eine wichtige Rolle bei der Bewältigung der Herausforderungen, die sich aus der intermittierenden Stromerzeugung und der schwankenden Nachfrage ergeben. Indem sie elektrische Energie in andere Formen speicherbarer Energie umwandeln und bei Bedarf wieder in Strom zurückverwandeln, tragen EESS zur Stabilisierung des Stromnetzes und zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der Stromversorgung bei. Diese Fähigkeit ist besonders wichtig für die Integration erneuerbarer Energiequellen wie Solar- und Windenergie, die von Natur aus in ihrer Leistung schwanken, in die allgemeine Energieinfrastruktur.

Schlüsselfunktionen des EESS

• Spitzenlastreduzierung und Lastausgleich: EESS speichern überschüssige Energie in Zeiten geringer Nachfrage und entladen sie in Spitzenzeiten, wodurch die Stromlastkurven geglättet und die Netzeffizienz verbessert werden.
• Stabilität des Netzes: Diese Systeme sorgen für eine schnelle Frequenzregulierung und Spannungsunterstützung, um die Stromqualität und die Zuverlässigkeit des Netzes zu erhalten.
• Integration der erneuerbaren Energien: EESS mildern die Schwankungen der erneuerbaren Energien ab, indem sie überschüssige Energie speichern, um sie in Zeiten geringer Erzeugung zu nutzen, was eine höhere Durchdringung mit sauberer Energie ermöglicht.
• Ausfallsicherheit und Backup: Bei Stromausfällen oder in Notfällen bieten EESS eine kritische Reservestromversorgung und erhöhen so die allgemeine Netzstabilität.
• Kostensenkung: Indem sie Energiearbitrage ermöglichen und die Abhängigkeit von teuren Spitzenlastkraftwerken verringern, tragen EESS zur Senkung der Gesamtenergiekosten für Verbraucher und Versorgungsunternehmen bei.

Arten von Energiespeichersystemen

Energiespeichersysteme umfassen eine Vielzahl von Technologien mit jeweils einzigartigen Eigenschaften und Anwendungen:

• Batterie-Energiespeichersysteme (BESS): Diese Systeme, bei denen hauptsächlich Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz kommen, dominieren den Markt aufgrund ihrer hohen Energiedichte und sinkenden Kosten. Andere Batterietypen sind Festkörper- und Durchflussbatterien.

• Mechanische Lagerung: Zu dieser Kategorie gehören die Pumpspeicherung, bei der überschüssiger Strom genutzt wird, um Wasser in höhere Lagen zu pumpen, und die Druckluftspeicherung (CAES), bei der Luft in unterirdischen Kavernen komprimiert wird.

Southwest Research Institute Mechanisches Speicherprojekt

• Thermische Energiespeicherung: Diese Systeme speichern Energie in Form von Wärme (z. B. geschmolzenes Salz) oder Kälte (z. B. Eis) zur späteren Verwendung in Heiz- oder Kühlanwendungen.

• Energiespeicherung im Schwungrad: Diese Technologie speichert kinetische Energie in einer rotierenden Masse und eignet sich für Kurzzeitanwendungen, die eine schnelle Energiefreisetzung erfordern.

Schwungrad-Energiespeicherprojekt in Shenzhen China

Vergleich der Speichersysteme

Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) bieten deutliche Vorteile gegenüber anderen Stromspeichersystemen, insbesondere in Bezug auf die Energiedichte und Vielseitigkeit. BESS, insbesondere solche mit Lithium-Ionen-Technologie, bieten im Vergleich zu Alternativen wie Superkondensatoren eine höhere Energiedichte und ermöglichen kompaktere und effizientere Speicherlösungen. Im Gegensatz zu mechanischen Systemen wie Pumpspeicherkraftwerken oder Druckluftspeichern können BESS leicht skaliert und in verschiedenen Umgebungen eingesetzt werden, von Wohngebäuden bis hin zu Anwendungen im Versorgungsbereich.

Allerdings haben BESS im Vergleich zu einigen Alternativen Probleme mit der Zyklusdauer und der Langzeitspeicherung. So bieten beispielsweise Durchflussbatterien eine längere Lebensdauer und die Fähigkeit, sich tief zu entladen, ohne Schaden zu nehmen, wodurch sie sich für längerfristige Dienste eignen. Superkondensatoren haben zwar eine geringere Energiedichte, zeichnen sich aber durch eine schnelle Lade- und Entladefähigkeit aus, was sie ideal für Anwendungen mit hoher Leistung und kurzer Laufzeit macht. Die Wahl zwischen BESS und anderen Speichersystemen hängt letztendlich von den spezifischen Anwendungsanforderungen ab, einschließlich Energiekapazität, Leistungsabgabe, Reaktionszeit und Kostenüberlegungen.

Erfahren Sie mehr über BESS

Energiespeichermedien

Speichermedien für elektrische Energie umfassen eine Vielzahl von Technologien zur Speicherung elektrischer Energie für eine spätere Verwendung. Zu den gängigsten Typen gehören:

• Elektrochemische Batterien: Dazu gehören Lithium-Ionen-, Bleisäure- und Durchflussbatterien. Lithium-Ionen-Batterien dominieren den Markt aufgrund ihrer hohen Energiedichte und sinkenden Kosten.
• Kondensatoren und Superkondensatoren: Diese Geräte speichern Energie in einem elektrischen Feld und eignen sich für schnelle Lade- und Entladeanwendungen.
• Supraleitende magnetische Energiespeicher (SMES): Bei dieser Technologie wird Energie in einem Magnetfeld gespeichert, das durch den Gleichstromfluss in einer supraleitenden Spule erzeugt wird.
• Thermische Speicherung: Systeme wie Salzschmelzen oder Eisspeicher wandeln elektrische Energie in Wärmeenergie zur späteren Nutzung um.

Anwendungen des EESS

Elektrische Energiespeichersysteme finden in verschiedenen Sektoren vielfältige Anwendung. Im Stromnetz spielen sie eine entscheidende Rolle bei der Stabilisierung von Angebot und Nachfrage, insbesondere bei der Integration von intermittierenden erneuerbaren Energiequellen. EESS ermöglichen eine zeitliche Verschiebung des Energieverbrauchs, indem sie den Nutzern die Möglichkeit geben, Strom in Schwachlastzeiten zu speichern, um ihn in Spitzenlastzeiten zu nutzen. Diese Systeme sind auch wichtige Komponenten in Mikronetzen, die bei Stromausfällen eine Notstromversorgung bieten und die allgemeine Netzstabilität erhöhen. Im Verkehrssektor sind EESS-Technologien, insbesondere Batteriesysteme, von grundlegender Bedeutung für den Betrieb von Elektrofahrzeugen. Darüber hinaus unterstützen EESS industrielle und gewerbliche Anwendungen, indem sie helfen, Lastspitzen zu bewältigen und die Energiekosten zu senken.

Vorteile des EESS

Die Einführung von elektrischen Energiespeichersystemen bietet zahlreiche Vorteile für das Energiemanagement und die Nachhaltigkeit. Diese Systeme tragen zur Netzstabilität bei, indem sie Angebot und Nachfrage ausgleichen und den Bedarf an kostspieligen Spitzenlastkraftwerken verringern. EESS erleichtern die stärkere Integration erneuerbarer Energiequellen und tragen dazu bei, die mit Solar- und Windenergie verbundenen Probleme der Unterbrechung zu mildern. Indem sie es den Nutzern ermöglichen, Energie in Zeiten niedriger Kosten zu speichern und sie in Zeiten hoher Nachfrage zu nutzen, können EESS zu erheblichen Kosteneinsparungen führen. Darüber hinaus verbessern diese Systeme die Zuverlässigkeit der Stromversorgung, indem sie bei Stromausfällen als Backup dienen, und tragen zur ökologischen Nachhaltigkeit bei, indem sie die Nutzung erneuerbarer Energien optimieren und die Treibhausgasemissionen verringern.

EESS in Microgrid-Unterstützung

Energiespeichersysteme (ESS) spielen eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Leistung und Zuverlässigkeit von Microgrids. Sie bieten wichtige Dienste wie die Verbesserung der Stromqualität, die Frequenzregulierung und die Spannungsunterstützung, die das Netz bei Störungen stabilisieren und verhindern, dass Ausfälle kaskadenartig auftreten. ESS ermöglichen es Mikrogrids auch, erneuerbare Energiequellen effizient zu integrieren, indem sie überschüssige Energie speichern, wenn die Produktion hoch ist, und sie entladen, wenn sie gebraucht wird, und so Probleme mit Unterbrechungen überwinden.

In Mikronetzanwendungen bieten ESS mehrere entscheidende Vorteile:

• Verbesserte Widerstandsfähigkeit: ESS fungiert als Puffer, der bei Stromausfällen eine Notstromversorgung bietet und Insellösungen ermöglicht.
• Verbessertes Energiemanagement: Es ermöglicht Spitzenlastverschiebung, Lastausgleich und Energiearbitrage und optimiert so die Energiekosten.
• Verstärkte Integration erneuerbarer Energien: ESS ermöglicht eine höhere Marktdurchdringung von variablen erneuerbaren Energiequellen wie Sonne und Wind.
• Stabilität des Netzes: Es ermöglicht eine schnelle Reaktion bei der Frequenzregulierung und Spannungsunterstützung, um die Netzqualität zu erhalten.
• Operative Flexibilität: Mit ESS können Mikronetze unabhängig oder in Verbindung mit dem Hauptnetz betrieben werden, was die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems verbessert.

Herausforderungen bei der Skalierung des EESS für den globalen Einsatz

Der Ausbau von elektrischen Energiespeichersystemen (EESS) für den weltweiten Einsatz steht vor mehreren großen Herausforderungen:

• Hohe Implementierungskosten: Trotz sinkender Batteriepreise sind die Anfangsinvestitionen für groß angelegte EESS nach wie vor erheblich. Dies ist insbesondere für Entwicklungsländer und kleinere Versorgungsunternehmen eine Herausforderung.
• Technische Einschränkungen: Die derzeitigen Speichertechnologien haben Kapazitätsbeschränkungen, die ihre Skalierbarkeit behindern. Auch die Integration großer Speichersysteme in bestehende Stromnetze ist mit technischen Hürden verbunden.
• Materialknappheit: Die Herstellung von Batterien für die Energiespeicherung ist auf Seltene Erden angewiesen, was Bedenken hinsichtlich der Verfügbarkeit der Ressourcen und der Umweltauswirkungen weckt.
• Regulatorische Hindernisse: Uneinheitliche politische Maßnahmen und Marktstrukturen in den verschiedenen Regionen erschweren die Einführung von EESS und schaffen Unsicherheit für Investoren und Entwickler.

Die Bewältigung dieser Herausforderungen erfordert kontinuierliche technologische Innovation, unterstützende politische Maßnahmen und verstärkte Investitionen in Forschung und Entwicklung, um die EESS auf globaler Ebene zugänglicher und effizienter zu machen.

EESS-Bereitstellungskosten

Die Kosten für den Einsatz von elektrischen Energiespeichersystemen (EESS) variieren je nach Technologie, Umfang und Anwendung erheblich. Für Batteriespeichersysteme im Netzmaßstab lagen die installierten Gesamtkosten im Jahr 2021 zwischen $356/kWh und $449/kWh für 100 MW, 10-Stunden-Systeme, je nach Batteriechemie. Die Prognosen für 2030 zeigen potenzielle Kostensenkungen, wobei Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien (LFP) voraussichtlich $291/kWh für ein 100-MW-System mit 4 Stunden Laufzeit erreichen werden.

Zu den wichtigsten Faktoren, die die Kosten der EESS-Einführung beeinflussen, gehören:

• Hardwarekosten (Batterien, Wechselrichter, übrige Systemkomponenten)
• Kosten für Installation und Inbetriebnahme
• Laufende Betriebs- und Wartungskosten
• End-of-Life-Kosten, die auf 5-10% der ursprünglichen Systemkosten geschätzt werden.

Im Zuge des technologischen Fortschritts und der Ausweitung der Produktion dürften die EESS-Kosten weiter sinken und möglicherweise den Bereich von $200-$500/MWh für die Gesamtkosten der Speicherung erreichen. Diese Kosten sind jedoch nach wie vor höher als die typischen Kosten für die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen, was die anhaltende Herausforderung verdeutlicht, die Energiespeicherung in großem Maßstab wirtschaftlich wettbewerbsfähig zu machen.