Was ist Energiespeicherung?

In den folgenden Abbildungen werden Batterien im großen Maßstab zur Ergänzung der Energiegewinnung durch Photovoltaik (PV) mit der Art von Komponenten auf Leiterplattenebene verglichen, die als kleinere, temporäre Energiespeicher für Filterung, Bootstrap, (nahezu) verlustfreie Energieumwandlung, Resonanz und andere Anwendungen auf Schaltungsebene dienen.

Die meisten Diskussionen über Energiespeicherung konzentrieren sich auf Batteriespeicherlösungen, aber man sollte auch nicht vergessen, dass es zahlreiche Formen der Energiespeicherung gibt, auch wenn wir in diesem Format nicht auf alle eingehen können. Aus elektronischer Sicht kann Energie in Form von elektrochemischem Potenzial in wiederaufladbaren Batterien, als Spannung in Kondensator- und Superkondensatorgeräten sowie als Strom in magnetischen Geräten (d.h. Induktoren Spulen und Transformatoren) gespeichert werden.

Dynamische Energie kann sowohl in kinetischer (z.B. Schwungräder) als auch in potenzieller Form (z.B. Wasserreservoir auf dem Gipfel eines Berges) gespeichert werden. Energie wird entweder aus Gründen der Bequemlichkeit, der Effizienz oder der Kosten in einer Form gespeichert, auch wenn sie letztendlich in elektrische Energie umgewandelt wird. Ein Beispiel hierfür ist thermische Energie, die in erhitzten Salzen gespeichert wird, um sie später zu extrahieren, oder das Sieden von Wasser, um eine Turbine anzutreiben, was auch als eine Form der Energiespeicherung in Phasenwechselmaterialien bekannt ist. Es ist nicht unüblich, Druckluft als Energiespeicher zu verwenden, sogar für Anwendungen im industriellen Maßstab [2].

Auch wenn die Definition nicht ganz so eindeutig ist, kann es auch direktere Formen der Energiespeicherung und -nutzung geben, wie z.B. die Wiederverwendung der „Abwärme“ eines großen Rechenzentrums, die direkt in nahegelegene Haushalte gepumpt wird, die im Winter großer Kälte ausgesetzt sind. Da die Energiespeicherung ein breites Spektrum an Komponenten und Anwendungen umfasst, ist es wichtig, die zu erwartende Leistung und die konstruktiven Feinheiten bestimmter Lösungen aufzuschlüsseln, damit sie optimal genutzt und sicher ausgeführt werden können. In dieser Diskussion werden wir eine Reihe von Lösungen vergleichen, aber erst nachdem wir einige Schlüsselbegriffe definiert und die wichtigen Faktoren verstanden haben, die bei der Betrachtung der verschiedenen Energiespeicherkomponenten und -lösungen zu berücksichtigen sind.

Es gibt einige Aspekte der Energiespeicherung, die universell gelten, und einige, die sehr komponenten- und/oder anwendungsspezifisch sind. So gibt es zum Beispiel kein Mooresches Gesetz für die Energiespeicherung, da sie größtenteils der Laune der Chemie und Physik unterliegt. Der Punkt ist, dass sich die Energiespeicherdichte nur etwa alle zehn Jahre verdoppelt, während man in der Halbleiterwelt eher daran gewöhnt ist, dass sich die Dichte alle 18 bis 24 Monate verdoppelt.

Aus der Designperspektive bedeutet dies, dass man mit extrem disaggregierten Entwicklungsplänen und Fahrplänen für die Energiespeicherung rechnen muss, bei denen die Elemente auf der Lastseite (z. B. Systemleistungsbudgets/-dichten) in einem Zeitplan fortschreiten, der eher mit dem Mooreschen Gesetz übereinstimmt. Aus der universellen Perspektive betrachtet, steigt die Lastnachfrage nur mit der Zeit. Damit steigen auch die Anforderungen an die Energiedichte der Energiespeicherlösung(en), obwohl die Gesamtauswirkungen stark von der jeweiligen Anwendung abhängen. Selbst wenn der Trend universeller Natur ist, können die Methoden zum Umgang mit dem Trend sehr unterschiedlich sein.

So wird beispielsweise die kritische Notstromversorgung für ein Rechenzentrum oder ein Gebäude ganz anders aufgebaut und verteilt sein als Sicherheitskondensatoren, die zum Filtern und Ableiten von Energie in einem EMI-Filter (elektromagnetische Gleichtaktstörung) verwendet werden. Wenn man das Betrachtungsfenster auf die Energiespeicherung in Stromversorgungen eingrenzt, kann man immer noch eine Vielzahl von Energiespeicherlösungen, Designparametern und somit auch Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit berücksichtigen. In Stromversorgungen können Energiespeicher auch als kritische Sicherheitsvorrichtungen fungieren und unterliegen daher spezifischen Standards für die Herabstufung der Auslegung, Test- und Qualifizierungsanforderungen und Annahmen für thermische Auswirkungen auf die Berechnung der Lebensdauer von Komponenten.

Batterien vs. Kondensatoren

Was die Speicherung elektrischer Ladung betrifft, so werden die Lösungen in der Regel entweder als Kondensator oder als Batterie bezeichnet, obwohl es auch Geräte gibt, die beide Eigenschaften kombinieren. Praktisch alle zwei parallelen Platten mit einem isolierenden, aber polarisierbaren Material oder Dielektrikum dazwischen dienen als Grundkonstruktion eines Kondensators. Ein Kondensator speichert Ladung physikalisch als elektrisches Feld zwischen den Platten. Wenn die Zelle die Ladung jedoch nicht physikalisch, sondern elektrochemisch speichert, indem sie einen ionenleitenden Elektrolyten zwischen den Anschlüssen verwendet, sprechen wir von einer Batterie. Genauer gesagt, besteht eine Batterie aus den Halbzellenpotentialen (z.B. Spannungen) zwischen unterschiedlichen Materialien, die sich zu einer Zelleinheit mit einer Klemmenspannung verbinden.

Batterien werden nach den Eigenschaften ihres Elektrolyts als „nasse“ oder „trockene“ Zellen klassifiziert. Eine Nasszelle ist eine Zelle mit einem flüssigen Elektrolyten, eine Trockenzelle enthält einen festen Elektrolyten. Trockene Zellen halten in der Regel länger und fallen weniger zerstörerisch aus, da der Elektrolyt nicht dazu neigt, sich im Laufe der Zeit aufgrund von Alterung/Wärmeeinflüssen zu zersetzen und/oder katastrophale Kurzschlussbedingungen (z.B. thermischer Durchschlag) zu bilden, selbst wenn die Isolationsbarriere zwischen Kathoden- und Anodenelektroden beeinträchtigt ist.

Eine weitere wichtige Klassifizierung von Batterien ist, ob sie als primäre oder sekundäre Speicherzellen betrachtet werden. Eine Primärbatterie ist ein Einwegtyp, der nicht wiederaufladbar ist, während eine Sekundärbatterie ein Mehrwegtyp ist, der wiederaufladbar ist. In nahezu jeder Energiespeicheranwendung werden Sekundärbatterien aus Gründen der Wiederverwendung und der Abfallvermeidung (insbesondere wegen der gefährlichen Stoffe, die in den meisten Batteriechemien enthalten sind) den Primärbatterien vorgezogen, obwohl Primärbatterien (in der Regel Alkalibatterien) immer noch sehr verbreitet sind, da sie als wirtschaftlicher gelten, wenn sie den Energiebedarf eines Systems über die gesamte Lebensdauer decken können, ohne dass ein Austausch erforderlich ist. Wenn man an Anwendungen mit geringerem Stromverbrauch denkt, wie z.B. im Internet of Things (IoT) oder im industriellen IoT (IIoT), ist der Vorstoß zur Abschwächung von Primärbatterien besonders wichtig, wenn man bedenkt, dass es in naher Zukunft viele Milliarden oder sogar 1 T Geräte geben wird.

Unterschätzen Sie wiederaufladbare Batterien nicht

Es mag üblich sein, Batterien als ein einfaches 2-Pol-DC-Quellengerät zu betrachten, aber es steckt so viel mehr dahinter. Viele Lösungen zur Energiespeicherung werden zu stark vereinfacht und mit diesen Begriffen betrachtet, obwohl die Realität der Geräteeigenschaften einen ganz anderen Ansatz vorschreiben kann. Eine Sekundärbatterie ist das perfekte Beispiel für diesen Punkt, denn es gibt viele Parameter und Leistungsmerkmale, die alles bestimmen, von der Kapazität über die Impedanz und die Lebensdauer bis hin zur Sicherheitsleistung. Einige dieser Faktoren sind in der folgenden Tabelle aufgeführt/definiert.


Zur Erinnerung: Diese Tabelle ist nicht vollständig, was alle Parameter und Begriffe im Zusammenhang mit Batterien betrifft, aber sie deckt die wichtigsten Punkte ab. Jetzt, da wir einige gängige Begriffe/Metriken besser verstehen, können wir uns ein Beispiel für die Entladekurve einer Sekundärbatterie ansehen, wie in der Abbildung unten dargestellt.

Auch wenn es hier viel zu viele Informationen gibt, um sie im Detail zu betrachten, sollte man einige Dinge beachten: 1) Die Spannungen und Ströme müssen auf der Grundlage der verschiedenen Ladezustände sorgfältig kontrolliert werden, was typischerweise die Hauptaufgabe des BMS-Schaltkreises/Power Management IC (PMIC) ist; 2) Die Schwellenwerte für den Vorladestrom sind in der Regel für 10-20% des maximalen Stroms (auch bekannt als Schnellladestrom) ausgelegt, was bei Batterien mit geringer Kapazität in den Rauschbereich des BMS eindringen kann; 3) Von einem niedrigen Anfangs-SOC (d.h., niedrige Klemmenspannung) beginnt ein Zyklus im Konstantstrommodus und geht in den Konstantspannungsmodus über, wenn er fast wieder aufgeladen ist (d.h. SOC > 80-90%), was einem „Top-Off-Modus“ entspricht, und wird auch für den Zellenausgleich verwendet (wo es angebracht ist).

Als ob all diese Begriffe und Ladekontrollzustände nicht schon verwirrend genug wären, bedenken Sie nun, dass all diese Eigenschaften für jede einzelne Batteriechemie unterschiedlich sind. Das bedeutet, dass man diese Betriebs- und Lade-/Kontrollnuancen für die jeweilige Chemie vollständig verstehen muss, um sie richtig (kostengünstig und sicher) einzusetzen. Lithium-Ionen-Polymer-Batterien (Li-Ion/Li-Po) werden anders als Nickel-Metall-Hydrid- (NiMH), Lithium-Eisen-Phosphat- (LiFePO4 oder LFP) oder versiegelte Bleisäure-Batterien (SLA) behandelt.

Vielleicht haben Sie schon einmal ein batteriegestütztes System entworfen und gebaut und dabei große Diskrepanzen zwischen der berechneten und der nachgewiesenen Kapazität/Lebensdauer festgestellt. Dieses Szenario, dass die gemessenen Daten weit hinter den anfänglichen Berechnungen zurückbleiben, ist sehr häufig. Denn es gibt so viele verschiedene Faktoren zu berücksichtigen, dass die meisten notwendigen Variablen und Abschlagsfaktoren bei der Berechnung der Energiespeicherung eines Systems zunächst nicht berücksichtigt werden. Außerdem müssen viele Batterien „behandelt” werden, d.h. sie müssen nach der Herstellung mehrere kontrollierte Lade-/Entladezyklen durchlaufen, bevor sie ihr volles Potenzial erreichen können.

Im Allgemeinen wird ein Designer versuchen, eine vernünftige, gleichmäßige durchschnittliche Stromaufnahme zu bestimmen (unabhängig vom tatsächlichen Ladeprofil) und diese durch die auf dem Datenblatt angegebene und maximal zulässige Kapazität zu teilen, um die Lebensdauer der Batterie zu schätzen. Wie bereits angedeutet, vernachlässigt diese einfache Schätzmethode wahrscheinlich die spezifischen Eigenschaften der vorgeschlagenen Batteriechemie. Darüber hinaus werden bei diesem Ansatz wahrscheinlich auch andere Herstellungs- und Umgebungsfaktoren außer Acht gelassen, die große Auswirkungen auf die Batterieleistung haben können, so dass kritische Minderungsfaktoren unberücksichtigt bleiben.

Allein die extremen Temperaturen können wilde Schwankungen in den Kapazitätsberechnungen erforderlich machen, um sicherzustellen, dass die Systemlastanforderungen unter allen Betriebs- und Umweltbedingungen erfüllt werden. All diese Lücken in der Auslegung erhöhen den Fehler zwischen berechneter und nachgewiesener Lebensdauer.

Skalen der Energiespeicherung

Bei der Konzeption einer Energiespeicherlösung ist es wichtig, nicht nur die benötigte Energiemenge zu berücksichtigen, sondern auch die Zeitskala, in der die Energie bereitgestellt werden muss. Die Reaktionszeit der Energiespeicherung korreliert in der Regel direkt mit der benötigten Energiemenge und der Reaktionszeit für die Bereitstellung dieser Energie.

Ein Rechenzentrum ist in dieser Hinsicht ein hervorragendes Beispiel, da es in der Regel über mehrere Schichten von Energiespeichern verfügt, die jeweils einem anderen Zweck dienen und daher eine andere Reaktionszeit haben. Die folgende Grafik zeigt dieses Spektrum von einem geringeren Energiebedarf mit der geringsten Reaktionszeit bis hin zu einem unbegrenzten Energie-/Zeit-Backup. Die Kosten ($/Wh) dieser Lösungen verhalten sich in der Regel umgekehrt proportional zur Energiemenge und zur Reaktionszeit. Mit anderen Worten: Die verfügbaren modularen Lösungen sind in der Regel auch die teuersten.

Es ist anzumerken, dass die Anforderungen an die Energiespeicherung manchmal rein durch Regulierungsbehörden oder die Politik der Regierung bestimmt werden, auch wenn dies nicht unbedingt die pragmatischste Anwendung ist. Ein gutes Beispiel dafür ist der Gesetzentwurf 431 [5] des kalifornischen Senats, der 2019 als panische Reaktion auf große Stromausfälle aufgrund von Waldbränden eingeführt wurde, die die Telekommunikation unterbrachen.

Die Idee war, die großen Netzbetreiber (MNO) zu verpflichten, für alle Basisstationen mindestens 72 Stunden lang eine Notstromversorgung bereitzustellen. Diese pauschale Vorschrift ist zwar gut gemeint, aber nicht unbedingt sinnvoll (z.B. spielt es keine Rolle, ob die Basisstation mit Strom versorgt wird, wenn der Rest des Netzes/Kerns ohne Strom bleibt), und sie ist sehr kostspielig in Bezug auf die Ressourcen für die Implementierung und Wartung. Der falsche Seelenfrieden ist ein eher politisches Thema, das den Rahmen dieser Diskussion sprengen würde.

Für viel Verwirrung sorgen die vielen unterschiedlichen Vorschriften für netzgekoppelte Wandler und die Art und Weise, wie jeder Staat die Nutzung von Energiespeichern vorschreibt. Dies gilt insbesondere für Heim-PV-Anwendungen, bei denen der Eigentümer nicht unbedingt bestimmen kann, wie und wann die gespeicherte Energie verteilt wird. Auch wenn es sich hierbei um gezielte Beispiele handelt, geht es darum, dass die Energiespeicherung manchmal als spontane Reaktion auf ein Problem „hingeworfen“ wird, ohne die Gesamtpragmatik zu berücksichtigen oder sich die Zeit zu nehmen, den Anforderungen der Anwendung gerecht zu werden und gleichzeitig teure Energiespeicherlösungen so weit wie möglich zu reduzieren, um diese Anforderungen zu erfüllen.

Verschiedene Anwendungen der Energiespeicherung

Die Speicherung von Energie kann eine Vielzahl von Anwendungen und Mehrwertzwecken haben. Die Speicherung von kritischer oder Reserve-Energie ist wahrscheinlich die häufigste, insbesondere bei höheren Leistungsstufen. In Stromversorgungen werden Energiespeicher nicht nur dazu verwendet, Energie zu speichern, die bei Bedarf von der Last abgerufen werden kann, sondern auch zur Filterung, zur Erfüllung von Transientenanforderungen, zur Vorspannung von Steuer-ICs und sogar zur Erleichterung einer nahezu verlustfreien Energieumschaltung in Anwendungen mit Resonanztopologie.

Von einzelnen Systemen bis hin zu Energieversorgungsunternehmen wird die Energiespeicherung zunehmend für Spitzenlast-Anwendungen genutzt. Das bedeutet, dass lokalisierte, reaktionsschnelle, wiederaufladbare Energiespeicher (in der Regel Li-Ionen-Batterien, aber auch Super-Kondensatoren erfüllen diese Funktion, wenn extreme Reaktionszeiten und eine lange Lebensdauer erforderlich sind) nur zur Deckung eines seltenen Spitzenbedarfs eingesetzt werden. Daher kann die übrige Infrastruktur (einschließlich der Notstromversorgung) auf ein Minimum reduziert werden, da sie auf einen (typischerweise) viel niedrigeren, gleichmäßigen Bedarf ausgelegt werden kann, während die Spitzenstromspeicher die Anforderungen an die Betriebszeit/Verfügbarkeit/Zuverlässigkeit erfüllen.

Eine modulare Umsetzung dieses Konzepts ist ein sogenannter Batterie-Backup-Unit (BBU) Wandler für Systeme, in denen nur die individuelle Systemabsicherung durch eine BBU ergänzt wird, die direkt auf dem gemeinsamen Ausgangsspannungsbus der Hauptstromversorgung sitzt. Ein BBU kann eine kurzfristige Überbrückung buchstäblich ohne Verzögerungszeit bewältigen, was eine vorgeschaltete Energiespeicherung (z.B. ein Schwungrad oder einen Gebäudespeicher) und mehr Zeit für die Initialisierung und Übernahme der Last ermöglicht. Durch die Entkopplung dieser kurzfristigen Überbrückung von der Systemstromversorgung können die Netzteile kleiner, billiger und dichter sein, da die sperrigen Elektrolytkondensatoren, die denselben Zweck erfüllen, wenn sie in der Stromversorgung integriert sind, entfallen.

Bei vielen PV-Anwendungen für Privathaushalte spielt die Energiespeicherung eher eine wirtschaftliche als eine technische Rolle. Vor den Tagen der allgegenwärtigen, preiswerten PV-Paneele, die in großen Mengen für private Anwendungen produziert wurden, war PV im Haus- oder Gebäudemaßstab praktisch nur für netzunabhängige Anwendungen gedacht, bei denen das Versorgungsnetz entweder nicht verfügbar oder ein Ausbau wirtschaftlich nicht sinnvoll war. Das bedeutet, dass PV-Installationen sehr teuer waren und der Nutzer in der Regel auf diese Konfiguration (heute als Insel-Mikronetz bekannt) angewiesen war, um seinen Strombedarf zu decken.

Ein Wandler würde versuchen, tagsüber so viel Strom wie möglich von der PV-Anlage zu beziehen und dann überschüssige Energie in den Batterien zu speichern, um sie zur Verfügung zu haben, wenn die Anlage nicht produziert (z.B. nachts oder bei bedecktem Himmel) und/oder die Nachfrage das Angebot übersteigt. Die meisten PV-Anlagen für Privathaushalte werden heute von Leuten installiert, die bereits an das Stromnetz angeschlossen sind und lediglich ihre Stromrechnung aufbessern wollen. Mit anderen Worten: Menschen, die PV nutzen, um ihren netzgebundenen Stromzähler rückwärts laufen zu lassen und vielleicht sogar überschüssiges Guthaben zu erzeugen, das am Ende des Jahres ausgezahlt wird. Eine wirtschaftliche Optimierung dieser Regelung könnte darin bestehen, die Energie zu Zeiten zu speichern, in denen das Angebot reichlich ist, und dann zu warten, bis sie an den Energieversorger zurückverkauft wird, wenn die dynamischen Kosten für Energie höher sind.

Energiespeicherung für Nachhaltigkeit

Die Energiespeicherung kann zur Erreichung vieler Nachhaltigkeitsziele eingesetzt werden. Wie bereits erörtert, sind die Verringerung des Bedarfs an Primärbatterien und die Reduzierung der Gesamtinfrastrukturen lohnenswerte Ziele für Energiespeicherlösungen. In der Tat sind die meisten wichtigen Initiativen zur Verbesserung der Nachhaltigkeit in der einen oder anderen Form stark von der Energiespeicherung abhängig. Mit dem Kampf gegen den Klimawandel geht ein großer Schub für erneuerbare Energiequellen einher und die Energiespeicherung ist absolut entscheidend, sei es zur Stabilisierung/zum Ausgleich des Netzes gegenüber intermittierenden Energiequellen (z.B. Wind, Sonnenlicht) oder zur Speicherung überschüssiger Energie für den Transfer/Export in andere Regionen und Anwendungen, die ansonsten weniger nachhaltige Quellen nutzen.

Die wichtigsten Branchen, von denen man hört, dass sie in Sachen Nachhaltigkeit führend sind, konzentrieren sich auf den elektrifizierten Transport und/oder die Automatisierung der Produktion. Es ist ziemlich offensichtlich, dass elektrifizierte Fahrzeuge und Flugzeuge von der Energiespeicherung abhängig sind. Weniger offensichtlich ist jedoch, wie die Energiespeicherung ihren Mehrwert in der „Fabrik der Zukunft“ (auch bekannt als Smart Factory oder Industrie 4.0) erhöht. Die Automatisierung von Fabriken bringt in der Regel einen verstärkten Einsatz von Robotern mit sich, die in der Regel dichte und dynamische Lasten darstellen, und erhöht den Bedarf an den oben beschriebenen Techniken zur Spitzenlastreduzierung. Die zunehmende Dichte des Energiebedarfs wird auch durch den erhöhten Bedarf an Computern und Netzwerken getrieben, die alle durch intelligente Platzierung und Nutzung von Energiespeicherlösungen nachhaltig optimiert werden können. Ab einem bestimmten Punkt wird es unpraktisch sein, die gesamte Versorgungsinfrastruktur so zu dimensionieren, dass sie die Spitzenlast zu jeder Zeit abdecken kann. Daher wird die lokale Energiespeicherung zu einem entscheidenden Faktor für eine hohe Energiedichte.

Es gibt zwar Speicherlösungen, die aus organischen, ungiftigen Materialien bestehen, aber die meisten der heute gebräuchlichen Lösungen enthalten immer noch gefährliche Stoffe. Hinzu kommen begrenzte Ressourcen wie seltene Erdmetalle und endliche Ressourcen. Energiespeicherlösungen werden in der Regel in energieintensiven Herstellungsprozessen produziert, bei denen gefährliche Chemikalien sowohl als Input als auch als Output eingesetzt werden. Um die tatsächliche Nachhaltigkeit der Energiespeicherung für einen bestimmten Anwendungsfall zu beurteilen, müssen auch diese End-to-End- oder „„embodied energy“-Überlegungen berücksichtigt werden.

Referenzen

[1] Wikipedia contributors, „Energy storage,“ Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Energy_storage&oldid=1086908512 (Zugriff am 11. Mai 2022).
[2] H. Lund, G. Salgi, „The role of compressed air energy storage (CAES) in future sustainable energy systems“. Energy Conversion and Management. (May 1, 2009). 50 (5): 1172–1179. doi:10.1016/j.enconman.2009.01.032.
[3] Qorvo ACT2801 Spec Sheet. [Online]. Verfügbar: https://www.qorvo.com/products/d/da006751.
[4] B. Zahnstecher, „Module PR-2: Data Center Structure Overview,” PowerRox Schulungsmodul. Zuletzt aktualisiert 25.01.19.
[5] M. McGuire, S. Glazer, „SB-431 Telecommunications service: backup electrical supply rules.“ CALIFORNIA LEGISLATURE-2019–2020 REGULAR SESSION. [Online]. Verfügbar: https://leginfo.legislature.ca.gov/faces/billTextClient.xhtml?bill_id=201920200SB431.