Elektrische Energiespeichersysteme: Typen und Anwendungen

Elektrische Energiespeichersysteme entnehmen Energie aus einer elektrischen Versorgung, speichern sie in einem Speichermedium und liefern später Strom. Batterien sind eine Art. Andere Technologien speichern Energie in aufgestautem Wasser, Druckluft, rotierenden Massen, elektrischen oder magnetischen Feldern, Wärme oder hergestellten Brennstoffen. Ihr Nutzen hängt von der erforderlichen Leistung, Dauer und den Betriebsbedingungen ab.

Der Hauptunterschied ist die Ausgabe: Geräte, die Strom zurückspeisen, erfüllen eine andere Aufgabe als Geräte, die gespeicherte Wärme oder Kühlung liefern. Beide können zur Steuerung des Strombedarfs beitragen, aber sie sind keine austauschbaren Quellen für Notstromversorgung.

Arten von elektrischen Energiespeichersystemen

Verwenden Sie die Tabelle, um zuerst die gespeicherte Energieform zu identifizieren, und überprüfen Sie dann die Umwandlungsgeräte und Standortbeschränkungen. Es ist eine Technologieübersicht, keine Rangliste universell besserer oder schlechterer Systeme.

Technologie	Wo die Energie gespeichert wird	Wie Strom zurückgewonnen wird	Nützliche Aufgabe und einschränkende Bedingung
Batterie-Energiespeichersystem (BESS)	Elektrochemische Reaktionen in Zellen oder Durchflussbatterie-Elektrolyten	Entladung erzeugt Gleichstrom (DC); Umwandlungsgeräte liefern die erforderliche Ausgangsleistung	Gebäude, Industrie und Netzspeicher; Chemie, Wärmemanagement und nutzbare Kapazität sind wichtig
Wasserspeicherkraftwerk	Potenzielle Energie von erhöhtem Wasser	Wasser fließt durch eine Turbinen-Generator-Einheit	Große Energiespeicherprojekte; geeignete Höhenlage, Speicherbecken und Genehmigungen sind unerlässlich
Druckluftspeicher (CAES)	Druckluft, mit Wärmemanagement je nach Ausführung	Expandierende Luft treibt über geeignete Maschinen einen Generator an	Standortabhängige Energiespeicherung; einige Zyklen verbrauchen während der Entladung auch Kraftstoff
Schwungradspeicher	Kinetische Energie einer rotierenden Masse	Ein Motor-Generator entzieht Energie, während der Rotor langsamer wird	Schnelle Energieaustausche und Zyklen; Eindämmung, Verluste und nutzbarer Geschwindigkeitsbereich schränken die Leistungsfähigkeit ein
Kondensatoren und Superkondensatoren	Gespeicherte Ladung; das Verhalten von Superkondensatoren hängt von der Elektroden-Technologie ab	Leistungselektronik entzieht Energie, während die Spannung abfällt	Kurze, leistungsstarke Austauschvorgänge; Energiedichte und Selbstentladung begrenzen eine längere Abgabe
Supraleitende magnetische Energiespeicherung (SMES)	Magnetfeld, das mit dem Strom in einer supraleitenden Spule verbunden ist	Umwandlungsausrüstung überträgt Energie in das elektrische System	Spezialisierte Aufgaben mit schneller Reaktion; Kryoausrüstung ist Teil des Systems
Wärmespeicherung mit elektrischer Rückgewinnung	Wärme in einem Speichermaterial	Eine Wärmekraftmaschine oder ein anderer Umwandlungszyklus erzeugt Strom	Wärme-zu-Strom-Anwendungen; ein Tank mit heißem Material allein ist kein elektrisches Ausgangssystem
Wasserstoffbasierte elektrische Speicherung	Chemische Energie von Wasserstoff, der mittels Elektrizität erzeugt wird	Eine Brennstoffzelle oder ein geeigneter Generator wandelt den Brennstoff zurück in Elektrizität	Erweiterte Speicherung, bei der die gesamte Umwandlungskette für den Standort geeignet ist; die alleinige Wasserstoffproduktion liefert keine elektrische Entladung

Diese Gruppierung folgt den Speicherformen, die vom U.S. Department of Energy (DOE) in seinem Überblick über dezentrale Energietechnologien und den darin untersuchten Mechanismen Überprüfung der Energiespeichertechnologie. Die U.S. Energy Information Administration (EIA) Übersicht über Energiespeicher erklärt kommerzielle Stromrückführungswege und den brennstoffgestützten Druckluftbetrieb. Diese Quellen beschreiben Technologien, nicht die Zertifizierung einer bestimmten Anlage.

Die Abbildung zeigt gespeicherte Energieformen, kein Schaltplan oder relative Ausrüstungsgröße. Die thermische Speicherung benötigt einen separaten elektrischen Rückgewinnungspfad, wenn Elektrizität die erforderliche Ausgabe ist.

EES, EESS, ESS und BESS: Was die Begriffe bedeuten

ESS bedeutet Energiespeichersystem und ist ein weiter Überbegriff. EES bedeutet elektrische Energiespeicherung; EESS wird auch für Systeme zur elektrischen Energiespeicherung verwendet. BESS (Batteriespeichersystem) identifiziert die batteriebasierte Teilmenge. Ein Batteriesystem ist ein ESS, aber ein ESS muss keine Batterien enthalten.

Die Internationale elektrotechnische Kommission IEC 62933-1:2024 stellt Vokabular für netzgekoppelte EES-Systeme bereit, die Strom aus einem Energiesystem beziehen, Energie intern speichern und Strom zurückspeisen. Das Laden und Entladen kann eine Umwandlung beinhalten. Dieser Geltungsbereich ist enger als bei jedem Produkt, das beiläufig als “Energiespeichersystem” vermarktet wird, einschließlich Systemen, deren Endausgabe Wärme oder ein für andere Zwecke verkaufter Brennstoff ist.

Für Batterieracks, Batteriemanagement und Stromwandlung im Detail siehe das Leitfaden für Batteriespeichersysteme. Die obige Technologieübersicht ist weiterhin nützlich, wenn entschieden wird, ob die Aufgabe überhaupt Batteriespeicher ist.

Ist thermische Speicherung ein elektrisches Energiespeichersystem?

Nicht automatisch. Eine Eispeicheranlage kann den Kaltwassersatzverbrauch aus einer Spitzenlastzeit verlagern und später Kühlung liefern. Sie erzeugt nicht notwendigerweise Strom während der Entladung. Ebenso kann ein Warmwasserspeicher nützliche Wärme speichern, ohne dass ein Generator vorhanden ist.

Thermische Speicherung kann die Stromerzeugung unterstützen, wenn die gespeicherte Wärme einen Stromumwandlungszyklus speist. Solarthermische Anlagen können diesen Speicher direkt aus Sonnenlicht anstatt aus Strom aufladen, daher ist auch die Ladequelle wichtig. Erklärung von DOE zu Solar- und Speichertechnologie unterscheidet direkte Heizung oder Kühlung von thermischer Speicherung zur Stromerzeugung.

Stellen Sie zwei Fragen beim Lesen einer Spezifikation: Was lädt den Speicher und was verlässt ihn während der Entladung? Dies verhindert, dass eine Energiesparmaßnahme mit einer Quelle verwechselt wird, die elektrische Verbraucher versorgen kann.

Wie ein elektrisches Speichersystem funktioniert

Es gibt drei Funktionsstufen: Aufladen des Speichermediums, Speichern der Energie und Entladen über die vom Verbraucher oder Netz geforderte Ausrüstung. Umwandlungsverluste und Hilfsverbrauch bedeuten, dass die zurückgewonnene elektrische Energie nicht mit der Ladeenergie identisch ist.

Die physikalische Ausrüstung variiert. Pumpspeicherkraftwerke nutzen hydraulische Maschinen; ein Schwungrad nutzt einen Motor-Generator; ein Batteriesystem, das an Wechselstrom (AC) angeschlossen ist, nutzt üblicherweise bidirektionale Stromwandlung. Sie teilen die Energieübertragungssequenz, nicht eine identische Schrankanordnung.

Dies ist ein AC-angeschlossenes Batteriebeispiel, keine universelle ESS-Anordnung. Durchgezogene Pfeile stellen den funktionalen Energieaustausch dar; gestrichelte Linien stellen die Steuerung dar. Schutz, Isolierung, Erdung und Anschlussverdrahtung sind absichtlich weggelassen und müssen separat ausgelegt werden.

Leistung, Energie und Dauer sind unterschiedliche Nennwerte

Leistung, in Kilowatt (kW) oder Megawatt (MW), beschreibt die Rate der elektrischen Abgabe oder Aufnahme. Energie, in Kilowattstunden (kWh) oder Megawattstunden (MWh), beschreibt eine über die Zeit akkumulierte Menge. Eine große Energiereserve beweist nicht, dass der Umrichter einen großen Motor starten kann, und eine hohe Nennleistung beweist keine stundenlange Autonomie.

Für eine konstante Last ist eine erste Schätzung der Dauer:

Dauer (h) = nutzbare Ausgangsenergie (kWh) / Lastleistung (kW)

Beispielhafte Eingaben an der AC-Ausgangsgrenze:
Nutzbare abgegebene Energie = 100 kWh
Konstante AC-Last = 25 kW
Dauer = 100 / 25 = 4 h

Hier berücksichtigt die “nutzbare abgegebene Energie” bereits die angenommene Betriebsrücklage, Umwandlungsverluste und den Hilfsverbrauch an der angegebenen Grenze. Ziehen Sie dieselben Abzüge nicht ein zweites Mal ab. Dies ist eine arithmetische Veranschaulichung, keine gemessene VIOX-Laufzeit oder ein vollständiges Backup-Design.

Wenn die angegebene 100 kWh stattdessen die Nennkapazität der Batterie ist, können vier Stunden nicht angenommen werden. Legen Sie das zulässige Ladezustandsfenster, Temperatur- und Alterungsbedingungen, Umwandlungsverluste, Hilfsgeräte und das tatsächliche Lastprofil fest. Überprüfen Sie kontinuierliche und Spitzenleistung separat. Erweiterte Batteriebewertungsterme gehören in das Handbuch für kWh-, MWh- und MW-Speicher.

Die Reaktionszeit ist ein weiterer Parameter. Wie schnell ein System Leistung ändert, unterscheidet sich davon, wie lange es diese Leistung aufrechterhalten kann. DOE's Superkondensatorbewertung illustriert diesen Kompromiss: Schnelles Laden und hohe spezifische Leistung bedeuten keine hohe Energiedichte für eine längere Entladung.

Passen Sie die Speichertechnologie an die Aufgabe an

Beginnen Sie mit der erforderlichen elektrischen Versorgung, nicht mit einem bevorzugten Speichermaterial.

Erforderliche Aufgabe	Zu ermittelnde Eigenschaft	Was eine ansonsten vielversprechende Technologie ausschließen kann
Verschiebung der erneuerbaren Stromerzeugung in eine spätere Periode	Nutzbare Energie, Ladegelegenheit und Dauerleistung	Unzureichendes Ladefenster, Rückhalteverluste oder ein unpassendes Entladungsprofil
Reduzieren Sie den Spitzenleistungsbedarf einer Anlage	Ausgangsleistung in kW und die Dauer des gesamten Spitzenwerts	Umrichterleistung unter dem Spitzenwert, unzureichende nutzbare Energie oder ungünstige Tarif- und Zykluskosten
Schnelle Leistungsunterstützung bereitstellen	Reaktionszeit, wiederholtes Schalten und erforderliche Pulsenergie	Ein schnelles Gerät, dem die Energie ausgeht, bevor das Ereignis endet
Lasten während eines Stromausfalls versorgen	Unterstützter Betriebsmodus, Lastleistung und Autonomie	Ein netzgekoppeltes System, das keine sichere Inselversorgung herstellen kann
Energie über längere Zeiträume speichern	Rückhaltung, Standorttauglichkeit und vollständige Wiederherstellungskette	Selbstentladung, ungeeignete Geografie, Einschränkungen bei der Kraftstoffhandhabung oder übermäßiger Hilfsbedarf

Zum Beispiel sind die Fähigkeit, Energie über mehrere Stunden zu transportieren, und die Fähigkeit, auf eine kurze Störung zu reagieren, unterschiedliche Designziele. EIA beschreibt die Speichernutzung auf diesen verschiedenen Zeitskalen; die Leistungsfähigkeit eines bestimmten Projekts hängt immer noch von seiner Ausrüstung und Steuerung ab.

Backup erfordert mehr als gespeicherte Energie. Die Anlage muss bewusstes Inselnetzbetrieb oder eine andere genehmigte Backup-Architektur unterstützen, sicher vom Netz getrennt sein, wo erforderlich, und die vorgesehenen Verbraucher versorgen. Leitfaden des DOE für Mikronetze erläutert sowohl den autonomen Betrieb als auch die Gefahren eines unkontrollierten Inselnetzbetriebs. Gehen Sie nicht davon aus, dass eine netzgekoppelte Batterie ein Gebäude während eines Stromausfalls mit Strom versorgt.

Wo der elektrische Schutz seinen Platz findet

Bei einer Batterieinstallation haben das Speichermedium, die Umwandlungsausrüstung und die elektrische Verteilung unterschiedliche Schutzanforderungen. Das Batteriemanagement überwacht und steuert die Batteriezustände; der Schutz und die Trennung von Stromkreisen müssen auch Leiter, Fehlerquellen und den vollständigen Leistungspfad berücksichtigen.

Ein geeignetes DC-Schutzgerät benötigt die richtige DC-Spannungsfestigkeit, Ausschaltvermögen, Strombelastbarkeit und Eignung der Verdrahtung für diesen Stromkreis. Das Fehlerverhalten von Batterien und Umrichtern muss aus der Systemdokumentation ermittelt werden. Das Leitfaden zu DC-Leistungsschaltern erläutert, warum eine reine AC-Bewertung kein ausreichender Nachweis für eine DC-Anwendung ist.

Diese Komponentenprüfungen beweisen nicht, dass das vollständige Speichersystem die Anforderungen an Brandschutz, Netzanschluss, Installation oder Montage erfüllt. Noch gelten Batteriedetails automatisch für Pumpspeicher-, thermische oder Wasserstoffanlagen.

Sobald die Systemarchitektur festgelegt ist, VIOX's Schutzkomponenten für Solar-PV und Energiespeicher bieten einen relevanten Ausgangspunkt für die Komponentenbewertung. Wählen Sie anhand der tatsächlichen Systemdokumentation und der Anforderungen des Zielmarktes aus, nicht nur anhand des Akronyms ESS.