Energiespeicher

Je nach Speicherdauer und Anwendung werden die Speicher unterschieden in Kurzzeitspeicher und Langzeitspeicher. Kurzzeitspeicher haben eine Speicherdauer unter 24 Stunden und werden meistens zum Ausgleich von kurzfristigen Schwankungen im Stromnetz verwendet. Für den Sekundenbereich werden hier supraleitende elektromagnetische Energiespeicher (SMES), Doppelschichtkondensatoren (DSK), Schwungräder sowie Batteriespeicher eingesetzt. Als Minutenspeicher kommen überwiegend Batteriespeicher für den Ausgleich des Stromnetzes zum Einsatz. Als Stundenspeicher und Tagesspeicher geeignet sind Batterien, Pumpspeicher, Druckluftspeicher und Wärmespeicher. Sofern die Speicherdauer über 24 Stunden bis mehrere Monate andauern muss, wie beispielsweise zum Ausgleich saisonaler Schwankungen von Wind, Wasser und Sonne müssen Pumpspeicher, Kavernen, Porenspeicher und sensible Wärmespeicher als Langzeitspeicher dienen.

 Kategorien der Speichertechnologien:

  •      Elektrische Energiespeicher (Kondensatoren wie Supercaps, Doppelschichtkondensatoren und supraleitfähige Spulen)
  •      Elektrochemische Energiespeicher (Bleibatterien, Lithiumbatterien, Redox-Flow-Batterien, Nickel-, Natrium-Schwefel-Batterien)
  •      Chemische Energiespeicher (Wasserstoffelektrolyse, Power-to-Gas, Speicherung von Gas in Poren- und Kavernenspeichern)
  •      Mechanische Energiespeicher (Druckluftspeicherkraftwerke, Pumpspeicherkraftwerke, Schwungradspeicher, Lageenergiespeicher)
  •      Thermische Energiespeicher (sensible thermische Energiespeicher, latente thermische Energiespeicher)
     
  •  Überlegungen für den Einsatz von Energiespeichern:

  •      Wirtschaftlichkeit oder Wertigkeit (Konzept- und Überschlagsrechnung)
  •      laufende Betriebs- und Erhaltungkosten (Lebenszyklus-Betrachtung)
  •      Auslegungskonzept (Speichergröße, Lade-, Entlade- und Ansprechszeit)
  •      Service und Wartung (Erreichbarkeit, Reaktionszeit, Servicezeiten, Ersatzteilhaltung)
  •      gesetzliche Vorgaben (Baugesetz, Energiegesetz, Verordnungen, Steuern, Abgaben)
  •      notwendige Brandschutzmaßnahmen
  •      raumlufttechnische Anforderungen (Lüftung, Betriebs- und Umgebungstemperatur)
  •      Gebäudeintegration (Anschluss- und Einbindungsschnittstellen)
  •      Garantie und Gewährleistung
  •      Rücknahme- und Entsorgungskosten
  •  

     Entscheidungskriterien zur Auswahl von Energiespeichern:

  •      Investitionskosten
  •      Wirkungsgrad
  •      Selbstentladung
  •      Reaktionszeit
  •      zyklische Alterung
  •      spezifische Energie
  •      Energiedichte
  •      spezifische Leistung
  •      Leistungsdichte
  •  

    Für eine Anwendung in Haushalten und industriellen Netzen kommen derzeit aufgrund der spezifischen Kosten, des Entwicklungstandes und der oben aufgeführten Kriterien vor allem die drei folgenden Technologien in Frage: Lithium-Ionen-Batterien, Bleiakkumulatoren und Redox-Flow-Batterien. Am besten eignet sich aktuell die Lithium-Technologie, die sich auch weitestgehend für stationäre Hausspeicher gegenüber dem Bleisäure-Speicher durchgesetzt hat. Zukünftig sollte die Redox-Flow-Technologie nicht aus den Augen verloren werden, da die Speicherung der Elektrolyte in externen Tanks viele Möglichkeiten bietet, welche zukünftig kombiniert werden können.

    Zur Deckung der Wärmeenergie werden Pufferspeicher als sensible Wärmespeicher zur Speicherung der Solarthermie oder von überschüssiger Heizenergie eingesetzt. Die Wärmespeicher werden zunehmend durch Strom aus Photovoltaik über elektrische Heizstäben beladen. Als Regelung hierzu übernimmt ein Energiemanagementsystem.
     

    Richtwerte für den Vergleich der Speichertechnologien

    Speicherart

    Investkosten je

    Lebensdauer

    Selbstentladung pro Tag

    Energiedichte

    Entlade-
    dauer

    Reaktions-
    zeit

    Wirkungs-
    grad

    kW

    kWh

    Zyklen

    Jahre

    Wh/kg

    Wh/l

    Blei-Säure-Akkumulator

    ca. 350 €

    ca. 200 €

    250-1500

    3-10

    0,17 %

    30-50

    25-65

    s-h-d

    < sec

    80-90%

    Lithium-Ionen-Batterie (LIB)

    ca. 400 €

    400-1200€

    1000-8000

    5-20

    0,01-0,04%

    60-200

    190-375

    h-d-w

    < sec

    95-97%

    Nickel-Metallhydrid-Batterie (NiMH)

    400-1000€

    400-1000€

    600-1200

    5-10

    0,1% - 2%

    40-80

    80-200

    h

    < sec

    60-75%

    Nickel-Cadmium-Batterie

    400-1000€

    400-1000€

    500-2000

    5-20

    0,9 %

    15-70

    15-130

    h

    < sec

    60-80%

    Natrium-Schwefel-Batterie

     

    ca. 500 €

    2500-4500

    10-15

    k. A.

    100-250

    150-300

    h-d

    < sec

    70-85%

    Redox-Flow Batterie (RFB)

    700-1800€

    250-900 €

    > 10000

    5-20

    0

    15-50

    20-70

    h-d-w

    sec

    71-83%

    Supraleitender magnet. Energiespeicher (SMES)

    ca. 1000 €

    ca. 40000€

    > 1 Mio.

    30

    10-12%

    1-10

    k. A.

    s

    ms

    92%

    Brennstoffzelle

     

     

    k. A.

    5-10

    k. A.

    k. A.

    k. A.

    h-d-w

    sec

    34-62%

    Elektrolytkondensator

    > 150 €

    > 5.000 €

    100 Mio.

    4-15

    0,01%

    0,03

    k. A.

    ms

    ms

    95%

    Supercap

    > 150 €

    > 5.000 €

    1 Mio.

    4-15

    0,2%

    1-15

    k. A.

    ms

    ms

    90%

    Doppelschichtkondensator (DSK)

    > 150 €

    > 5.000 €

    100.000

    4-15

    0,2%

    1-15

    k. A.

    ms-s

    ms

    90%

    Druckluftspeicher (CAES)

    ca. 500 €

    ca. 120 €

    > 10.000

    > 25

    k. A.

    k. A.

    2-6

    h-d

    min

    42%

    Hydraulischer Lageenergiespeicher

     

    ca. 5 €

    > 10.000

    k. A.

    k. A.

    k. A.

    k. A.

    h-d-w

    min

    75%

    Wasserstoffelektrolyse

     

     

    10.000

    10-30

     

    33.300

    600 bei 200bar

    h-d-w

    sec

    65-75%

    Methansynthese (SNG)

     

     

    10.000

    10-30

     

    10.000

    1800 bei 200bar

    h-d-w

    min

    34-54%

    Pumpspeicherkraftwerk (PHES)

     

    ca. 100 €

    > 5.000

    > 50

    0-0,5 %

    0,2-2

    0,2-2

    h-d-w

    min

    75-80%

    Schwungradspeicher

    1200 €

     

    > 200.000

    20-40

    72-100 %

    5-50

    20-80

    s

    ms

    80-90%

    sensibler Wärmespeicher

    ca. 100 €

    ca. 5 €

    >5.000

    > 20

     

    10-50

    100-300

    h-d-w

    min

    45-75%

    latenter Wärmespeicher

    ca. 100 €

    ca. 30 €

    5.000

     

     

    49-97

    113

    d

    min

    75-90%


    Lageenergiespeicher

    Die in Lageenergie speicherbare Energiemenge ist erstaunlich gering. Nach der Formel E=g*h*m muss für die Speicherung von 1 kWh Energie eine Masse von 12 Tonnen um 30 m angehoben werden ( 1 kWh = 3.600.000 J / (9.81 m/s * 30 m) ). Als Faustformel gilt, dass ein vollbeladener LKW mit 40 Tonnen um 10 Meter angehoben werden muss, um eine Lageenergie 1 kWh zu speichern.

    Das Konzept eines Lageenergiespeicher beruht auf die Arbeitsweise eines hydraulischen Hubzylinder ähnlich einer Hebebühne. Mit überschüssiger Energie wird eine Masse angehoben, die zum späteren Zeitpunkt wieder für den generatorischen Betrieb genutzt wird. Das Prinzip funktioniert wie ein Pumpspeicherkraftwerk, jedoch unter wesentlich höheren Systemdruck und es wird anstatt Wasser eine Felsmasse in Lageenergie versetzt. Deshalb benötigt ein Lageenergiespeicher nur etwa ein Viertel an Fläche und Wassermenge im Vergleich zum Pumpspeicher.


    Wasserstoffelektrolyse

    Chemische Energieträger wie Wasserstoff und Methan dienen als Langzeitspeicher unter den Energiespeichern. Bei der Elektrolyse werden die Wassermoleküle mit Strom in ihre Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Nachteilig bei Wasserstoff ist, das dieses Gas äußerst reaktiv ist. Dadurch können Tankanlagen, Leitungen und Dichtungen leicht angegriffen werden und verspröden. Zudem lässt sich Wasserstoff schlecht in Energieinfrastrukturanlagen integrieren. Trotz des guten Wirkungsgrades von bis zu 75 % bei der Umwandlung von Strom in Wasserstoff, ist als Energiespeicher eine Weiterverarbeitung zu Methan vorzuziehen.


    Power to Gas

    Mithilfe der Methanisierung wird Wasserstoff in Methan umgewandelt. Dabei wird der Wasserstoff in Katalysatoren durch eine chemische Reaktion mit Kohlendioxid angereichert. Da Natürliches Erdgas 85 bis 98 Prozent Methan enthält, lässt sich das synthetische Erdgas in das bestehende Netz beimischen und kann dann problemlos in Erdgastanks bevorratet und ins Erdgasnetz einspeist und langfristig gelagert werden. Das bestehende Gasnetz ist als hervorragender Energiespeicher bereits verhanden und kann überschüssige erneuerbare Energien aufnehmen. Es kann mit deutschen Gasnetz bis zu 25 % des jährlichen Erdgasbedarfes gespeichert werden. Mit einem Wirkungsgrad von 58 % ist die Methanisierung von Strom in Gas derzeit nicht wirtschaftlich zu betreiben. Es wäre jedoch zukünftig eine wichtige Speicherart um Versorgungsengpässe über Wochen zu kompensieren. Als Treibstoff für Erdgasautos oder in Anwendung als Wärme-Kraft-Kopplung, kann aus dem gespeicherten Methan wieder Bewegungsenergie, Wärme und Strom erzeugt werden. Durch die Umwandlungen von Strom in Gas und wieder in Strom können nur 38 % der Energie rückverstromt werden. Nur mit Nutzung von KWK-Anlagen kann maximale Wirkungsgrad erreicht werden.


    Pumpspeicher

    Ein Pumpspeicherkraftwerk (PSW) nutzt die Lageenergie des Wassers. Diese ergibt sich aus dem Speicherinhalt, der Dichte des Wassers, der Erdbeschleunigung, der effektiven Fallhöhe und dem Gesamtwirkungsgrad. Pumpspeicherkraftwerke bestehen meistens aus einem künstlichen Oberbecken, das keine nennenswerte Zuflüsse besitzt und einem künstlichen Unterbecken oder vorhandenem Fließgewässer. Die Hauptaufgabe besteht darin, das Wasser in Zeiten bei Stromüberschuss auf ein höheres Niveau zu pumpen und bei Bedarf wieder abzulassen um die dabei frei werdende Energie wieder einzuspeisen. Durch die hohe Dichte des Wassers ist die Leistung, welche dem Wasser mit einer Turbine entnommen werden kann, um ein Vielfaches höher als bei Dampf- und Gasturbinen. Je nach Fallhöhe, Durchflussvermögen und der benötigten Leistung werden unterschiedliche Turbinen eingesetzt. Ab einer Fallhöhe von ca. 20 m kommen überwiegend Francis- oder Peltonturbinen zum Einsatz. Francis-Turbinen haben den Vorteil, dass sie sowohl als Turbine als auch als Pumpe eingesetzt werden kann und dadurch 30 % an Baukosten spart.

    Beim Speicherbetrieb wird ein Gesamtwirkungsgrad von ca. 70 % bis 84 % erreicht. Die Verluste entstehen überwiegend aus den Verlusten an Generator, Motor, Turbine, Pumpe und Rohrleitungen. Pumpspeicherkraftwerke besitzen überwiegend ein Fassungsvermögen, das einen Volllastbetrieb über 3 bis 5 Stunden ermöglicht.


    Druckluftspeicher

    Druckluftspeicher nutzen die Eigenschaft der Komprimierbarkeit von Gasen um Energie zu speichern. Es ist naheliegend, dass als Speichermedium die Umgebungsluft verwendet wird, da diese in unbegrenzter Menge vorhanden ist. Jedoch werden sehr große Speichervolumen benötigt, um mit Druckluft große Energiemengen zu speichern. Die Speicherkapazität ist maßgeblich vom Speicherdruck und dem gespeicherten Volumen abhängig. Die Wirtschaftlichkeit ist abhängig vom Speichervolumen und den geologischen Voraussetzungen. Denn im Gegensatz zur industriellen Anwendung, wird in der Energiespeicherung nach unterirdischen Hohlräumen wie Kavernen als Druckluftenergiespeicher geforscht. Jedoch werden viele Projekte aufgrund der Unsicherheit bezüglich der Gasdichtheit des Speichervolumens wieder abgebrochen.

    Bei der Kompression von Luft werden große Mengen an Wärme freigesetzt. Auch wenn es noch so unglaublich erscheint, werden beim Umwandlungsprozess 100 % der zugeführten Energie in Wärme umgewandelt. Durch Verdichtung wir die Luft im Kompressor mit einem Energiepotenzial aufgeladen. Diese Energiemenge ist durch Entspannung auf Umgebungsdruck, Abkühlung und Wärmeaufnahme aus der Umgebung nutzbar. Ohne der Abwärme wird bei Druckluftspeichern ein maximaler Wirkungsgrad von 42 % erreicht.

    Druckluftspeicher werden als Stunden- und Tagesspeicher eingesetzt. Das Anwendungsfeld liegt in der zeitlichen Verschiebung großer Lasten an zentraler Stelle im Netz. Eine Bereitstellung des Speichers ist auch als Minutenreserve umsetzbar.


    Schwungradspeicher

    Schwungräder sind vereinfachte Kreisel und wurden schon in der Antike für Töpferscheiben, vor Jahrhunderten für Spinnräder oder zu Beginn der Industrialisierung als Schwungmassenspeicher zur Antriebsglättung bei Dampfmaschinen eingesetzt. Schwungradspeicher sind auch in der Fahrzeugtechnik nichts Neues. So wurden schon in den 50er-Jahren so genannte Gyros in Bussen eingebaut um die Bremsenergie zu 50 % zurückzugewinnen und durch die Ladung die Reichweite des Fahrzeuges um etwa 6 Kilometer zu verlängern.

    Das Problem bei Schwungradspeichern ist die durch Reibung an der Lagerung verlorene Energie, die den Wirkungsgrad beeinträchtigt und den Speicher nur als Kurzzeitspeicher zulässt. Vorteilhaft sind die trägen Massen, die hervorragend die Antriebsbewegungen glätten sowie das Netz stabilisieren können. Bei konventionellen Kraftwerken übernehmen elektrische Generatoren und Turbinen die Funktion eines Schwungmassenspeichers. Die Leistungs- und Kapazitätsgrenze von Schwungradspeichern wird durch das Material vorgegeben, da die Energie in Masse und Winkelgeschwindigkeit gespeichert wird. Durch die mit steigender Winkelgeschwindigkeit zunehmenden Fliehkräften geraten Schwungradspeicher an Grenzgeschwindigkeiten, bei denen sich das Material zerstört. Die Winkelgeschwindigkeit verändert dabei quadratisch das speicherbare Energiepotenzial. Das heißt, dass dasselbe Schwungrad mit der vierfachen Drehzahl somit den 16-fachen Energieinhalt aufnehmen würde. Um bei hohen Drehzahlen im Fehlerfall die Umgebung durch herumfliegende Teile zu schützen, werden dickwandige stabile Gehäuse eingesetzt.

    Schwungmassenspeicher spielen eine wichtige Rolle für die Stabilität der Versorgungsnetze. Aufgrund der schnellen Reaktionszeiten und der hohen Leistungen können Schwungräder die Netzschwankungen schnellstmöglich ausgleichen. Durch neuartige Materialien wie Faserverbundwerkstoffe, Vakuumtechnik oder magnetische Lagerungen kann der Wirkungsgrad und die Speichergröße verbessert werden. Die Leerlaufverluste betragen bei modernster Technik etwa 1 % pro Stunde, die sich dann pro Tag auf rund 25 % aufsummieren. Zur Anwendung von Schwungradspeichern gibt diverse Möglichkeiten: Glättung extremer Stromverbrauchsspitzen, Nutzung der Bremsenergie in Fahrzeugen, zum Beschleunigen und Abbremsen von Antrieben an Maschinen und Anlagen, als Schnellladestation in der Elektromobilität oder für eine Unterbrechungsfreie Stromversorgung.


    Sensibler Wärmespeicher

    Sensible Wärmespeicher speichern die thermische Energie in der fühlbaren Temperaturänderung des Mediums und gehören zu den verbreitesten Energiespeicher. Diese Speicherart hat die geringsten spezifischen Investitionskosten sowohl in Betrachtung auf das Leistungs- sowie auf das Energievermögens. Diese Speichertechnik ist am besten ausgereift, besitzt eine hohe spezifische Wärmekapazität, ist besonders unweltverträglich, nicht brennbar und kann unter Zugabe eines Frostschutzmittels auch unter 0 °C betrieben werden. Beim Einsatz ist die Temperaturschichtung des Mediums sowie die Wärmedämmung zu berücksichtigen. Als Pufferspeicher in Heizungsanlagen und für Solarthermieanlagen sind diese Speicher hervorragende Wärmespeicher vom Kurzzeit- bis hin in den Langzeitbereich im Gebäudebereich. Hier werden sensible Wärmespeicher überwiegend als Tagesspeicher genutzt. Je nach Auslegung der Speichergröße, des Temperaturniveaus und der Wärmedämmung sind jedoch auch Zeiträume bis hin zu Wochen möglich.


    Latenter Wärmespeicher

    Latente Wärmespeicher nutzen zusätzlich zum Temperaturunterschied auch den Phasenwechsel des Speichermediums aus. Hier wird der Übergang zwischen den flüssigen und dem festen Zustand ausgenutzt, da sich das Volumen des Speichers kaum verändert und technisch beherrschbar bleibt. Durch das Nutzen des Phasenwechsels wird eine verbesserte Energiedichte gegenüber einfachen Wärmespeichern erreicht. Diese Technik wird häufig in Verbindung mit Wärmepumpen genutzt, da diese Speicher beispielsweise zur Klimatisierung in der Gebäudetechnik und Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt werden.


    Energiespeicherung in Blei- und Lithiumbatterien

    Besondere Bedeutung fließt in der Entwicklung der Energiespeichersysteme den Akkumulatoren zu, die zugeführte Energie chemisch zwischenspeichern. Diese Speicher werden immer wichtiger, da gerade Sonnen- und Windenergie wenig beeinflussbar sind und Erzeugung und Nachfrage zeitlich entkoppelt werden müssen.

    Bekanntestes Beispiel von chemischen Energiespeichern ist der Bleiakkumulator, der als Starterbatterie in Kraftfahrzeugen verwendet wird. Der Bleiakkumulator arbeitet wie andere galvanische Zellen auch auf der Grundlage von Redox-Reaktionen, also einer Kombination von Reduktion und Oxidation. Hierbei treten an den Elektroden, die in eine Elektrolytlösung getaucht sind, Potenzialdifferenzen auf, die als frei werdende elektrische Energie genutzt werden kann. Solche Akkumulatoren werden weiterhin in USV-Anlagen sowieg auch in Batterie-Speicherkraftwerken eingesetzt.

    Die Lithiumtechnik stellt seit über einem Jahrzehnt die erste Wahl für Mobilgeräte dar. Die Vorteile gegenüber anderen Speichern sind weitgehend bekannt. Sie zeichnen sich im Vergleich zu anderen Akkutypen durch eine höhere Energiedichte und damit ein geringeres Gewicht bei gleicher Kapazität, geringe Selbstentladung und vor allem ihre Unempfindlichkeit gegenüber dem sogenannten Memory-Effekt aus. Aufgrund der Lebensdauer und der Energiedichte setzen mittlerweile fast alle Speicherhersteller auf Lithiumtechnologien. Auch ist der Wirkungsgrad (80 bis 90% bei Blei – 95 bis 97% bei Lithium) ausschlaggebend, so dass die Kosten pro gespeicherter kWh trotz deutlich höherer Anschaffungskosten bei Lithiumsystemen in aller Regel günstiger ausfallen als bei Bleisystemen. Eine umfangreiche Sammlung über die Lithium-Batterien-Technik findet sich im Script zum Praktikum "Primäre und wiederaufladbare Lithium-Batterien" von der TU Graz.

    Eine andere Form der galvanischen Zelle ist die sogenannte „Redox-Flow-Zelle“. Diese galvanische Zelle besteht aus zwei Halbzellen, die eine Membran verbindet. Auch bei der Redox-Flow-Zelle findet die chemische Reaktion, also eine Reduktion oder Oxidation, an einer Grafit-Elektrode statt. Als Elektrolyt fungiert eine Lösung von Salzen in einem bestimmten Lösungsmittel, meist anorganische oder organische Säuren.

    Einflussfaktoren zur Alterung von chemischen Stromspeichern:

  •      Ladetechnik
  •      Kalendarische Alterung
  •      Lade- und Entladezyklen
  •      Entlade- und Ladeschlussspannung
  •      Umgebungstemperatur
  •      C-Rate

    Ladetechnik

    Bei allen chemischen Stromspeichern ist die Ladetechnik zu beachten. Es ist äußerst wichtig die Ladekennlinie und die Ladeschlussspannung des jeweiligen Batterietyps einzuhalten. Sowohl bei der Technik für Bleibatterien als auch bei der Lithiumtechnik wird das CCCV-Verfahren angewendet. Die Abkürzung CCCV steht für Constant Current Constant Voltage, bei dem zuerst mit konstantem Strom bis zur Ladeschlussspannung geladen wird und anschließend mit konstanter Spannung der Akku vollständig geladen wird.

    Auch bei Blei-Ladegeräten wird dieses Verfahren, auch IU-Ladung genannt, angewendet. Die verschiedenen Ladeverfahren unterscheiden sich durch den Strom- und Spannungsverlauf während des Ladens und durch entsprechende Ladezeiten. Für die derzeit in der Praxis eingesetzten Ladegeräte sind in DIN 41772 die Formen und Kurzzeichen der Kennlinien festgelegt. Die optimale Ladekennlinie für Bleibatterien ist die IUoU Ladekennlinie. Dabei wird die Blei-Zelle mit konstanten, maximalen Ladestrom aufgeladen, bis die Batteriespannung den Gasungspunkt (2,4V/Zelle) erreicht hat. Nach Erreichen der Gasungsspannung wird die Gerätespannung konstant gehalten. Der Ladestrom klingt mit zunehmendem Füllgrad der Batterie ab, bis zur Vollladung. Jetzt wird auf Erhaltungsladung (2,3V/Zelle) umgeschaltet. Blei-Zellen verlieren durch Selbstentladung pro Tag etwa 0,1 ... 0,2 % ihrer Kapazität. Bei längerer Nichtnutzung muss deshalb der Ladungsverlust regelmäßig durch Erhaltungsladung ausgeglichen werden. Besonderheiten beim Laden von Bleiakkumulatoren sind Anti-Sulphatisierungsprogramme die Oxidschichten in der Batterie lösen und dadurch die Batterie von Zeit zu Zeit aufgefrischt wird. Dieser Vorgang darf in der Lithiumtechnik keinesfalls angewendet werden.

    Alle Lithium-Ionen-Akkusysteme müssen mit einem Balancer-Ladegerät geladen werden, sofern sie kein Batteriemanagementsystem (BMS) oder Balancer-Modul verbaut haben. Das Balancing ist notwendig um die Spannungsdrift der einzelnen Zellen auszugleichen und so alle Zellen auf ein einheitliches Spannungsniveau auszubalancieren. Aus kostentechnischen Gründen hat sich hier das HeatBalancing gegenüber separater Ladetechnik der Einzelzellen durchgesetzt. Die einzelnen Zellen aus dem im String angeordneten Paket werden solange über einen Widerstand belastet bis alle Zellen die gleiche Schlussspannung erreicht haben. Bei Ladegeräten ist zu beachten dass der richtige Modus (LiFe, LiPo, LiIon) für die Ladekennlinie eingestellt ist, damit der Akku keinen Schaden nimmt.

    Ob Bleitechnik oder Lithiumtechnik: Für alle Akkuzellen gilt, dass ein Überladen der Zelle unbedingt vermieden werden muss. Denn bei Übertemperatur tritt der Elektrolyt aus und die Zelle wird dadurch irreparabel geschädigt.

    Bei Speicheranlagen ist das Batterie-Management-System (BMS) notwendig um neben den Funktionserhalt auch die Batteriesicherheit zu gewährleisten. Beim BMS werden die einzelnen Zellspannungen und Zelltemperaturen gemessen und überwacht, sowie Schutzeinrichtungen (z. B. Relais) gesteuert und die Daten mit anderen Systemen wie Umrichter, Energiemanagement kommuniziert.

  • icon_cccv
    Ermittlung des Spannungszustandes einer Einzelzelle durch Spannungsmessung (bei 25°C)
     
    Ladeschlussspannung
    Nennspannung
    Entladespannung
    Tiefentladung
    Bleibatterie
    2,23 V
    ca. 2,05 V
    ca. 2,0 V
    unter 1,7 V
    Lithiumeisenphoshat
    3,63 V
    ca. 3,2 V
    ca. 2,5 V
    unter 2,0 V
    Li-Ionen-Batterie
    4,2 V
    ca. 3,7 V
    ca. 3,0 V
    unter 2,5 V
    Kalendarische Alterung

    Batterien weisen sowohl eine kalendarische als auch eine belastungsabhängige Lebensdauer auf. Die kalendarische Alterung ist abhängig von der verwendeten Zellchemie sowie Faktoren wie Ladezustand und Temperatur. Durch Variation dieser Parameter lässt sich der Verlauf der Alterung beeinflussen. Die Alterungsmechanismen sind hochgradig komplex. Es werden in der Forschung mit Chromatographie die Zersetzungsprodukte von Batterieelektrolyten analysiert.

    Lade- und Entladezyklen

    Die Vorteile der Lithiumtechnik gegenüber der Bleitechnologie sind weitgehend bekannt. Mittlerweile setzen die meisten Anbieter von Batteriesystemen auch oder ausschließlich auf Lithium-Speichersysteme. Ausschlaggegebend ist insbesondere die längere Lebensdauer und die Zyklenfestigkeit (i.d.R. 500 bis 2000 Zyklen bei Blei – 5000 bis 8000 bei Lithium).

    Entlade- und Ladeschlussspannung

    Die Entlade- und Ladeschlussspannung ist bei Batterien unbedingt einzuhalten. Dies gilt sowohl bei Anlagen in Betrieb als auch bei Anlagen die außer Betrieb sind oder sich auf Transport befinden. Die Entladeschlussspannung beginnt an Bleibatterien bei 2,05 V, Lithium-Ionen-Akkus bei 3 V und bei Lithiumeisenphoshat-Batterien bei 2,5 V. Spannungen die darunter liegen, können die Batterie dauerhaft schädigen.

    Blei-Akkus bestehen aus einer positiven Elektrode mit Bleidioxid (PbO2) und einer negativen Elektrode aus einer Bleiplatte. Diese beiden Platten haben eine gitterartige Struktur. Als Elektrolyt wird Schwefelsäure verwendet, deren Säuredichte im entladenen Zustand bei 1,14 g/cm³ und geladen bei 1,28 g/cm³ liegt. Bei Blei-Gel-Batterien wird ein Gel als Elektrolyt verwendet. Der Ladezustand einer Bleibatterie lässt sich mit einem Säureheber oder durch genaue Spannungsmessungen feststellen. Bei einer verschlossenen Gel-Batterie ist Feststellung des Ladezustandes nur durch Spannungsmessung möglich. Wird der Ladezustand durch Spannungsmessung ermittelt, sollte die Batterie vorher über längere Zeit (ca. 10 - 12 Stunden) nicht beansprucht werden. Die Ruhespannung einer geladenen 12V-Batterie liegt bei ca. 12,6 Volt. Bei Erhaltungsladung beträgt die Batteriespannung 13,8 V und bei Schnellladung bis zum Erreichen des Gasungspunktes sogar 14,5 V. Das Messen der Säuredichte ist ein Indikator über den Zustand der Batterie. Die Dichte sollte in allen Zellen den gleichen Wert aufweisen. Die maximale Abweichung zwischen den Zellen darf maximal 0,03 g/cm³ betragen. Bei einer geladenen Batterie sollte die Dichte zwischen 1,25 g/cm³ und 1,28 g/cm³ liegen. Liegt nach dem Laden der Wert unter 1,24 g/cm³ liegt ein Verschleiß der Batterie durch Sulphatierung vor.

    Bei Lithium-Ionen-Akkus beginnt die Ladeschlussspannung bei 4,2 V, bei Lithiumeisenphoshat-Batterien bei 3,63 V und bei Bleibatterien bereits ab 2,23 V. Um die Spannung bei LiFePO4-Akkus zu begrenzen werden Balancer oder Batteriemanagementsysteme (BMS) eingesetzt. Ein BMS balanciert die Zellen beim Laden und schützt darüber hinaus vor Überspannung, Unterspannung, Überlast und Kurzschluss. Das Ladegerät wird mit dem BMS verbunden, wodurch der maximale Laststrom auf den Maximalstrom des BMS begrenzt wird. BMS oder der Balancer achten auf die maximale Ladespannung der einzelnen Zelle, so dass alle Zellen die gleiche Ladespannung erhalten und die einzelne Zelle nicht überbeansprucht wird.

    Wichtig für den Betrieb der Batterieanlage ist der Kennwert für den Ladezustand der Batterie. SoC steht für State-of-Charge und wird in % der verfügbaren Kapazität angegeben. Durch Alterung nimmt dieser Wert mit der Zeit ab. In stationären Systemen wird der Prozentwert oft in kWh angegeben. Dieser Wert kann nicht direkt gemessen werden, sondern erfolgt im Batteriemanagementsystem (BMS) über die Messung aus Strom, Spannungsdifferenzen und Temperatur.

    Lithiumakkus weisen eine deutlich niedrigere Selbstentladung vor. Deshalb ist hier anders als bei Bleiakkumulatoren z. B. im Winter keine Erhaltungsladung notwendig. Dennoch sollte der Akku vor der Außerbetriebsetzung noch einmal vollgeladen werden und alle 3 bis 6 Monate aufgeladen werden.

    Umgebungstemperatur

    Bei Batteriezellen müssen die Vorgaben des Herstellers in Bezug auf die Umgebungstemperatur unbedingt eingehalten werden. Dies betrifft nicht nur für den Betrieb der Anlage zu, sondern gilt auch für den Transport und der Lagerung der Batterien. Andernfalls werden die Zellen irreversibel geschädigt und verändern ihr Verhalten. Selbst nach Rückkehr in das vorgegebene Betriebsfenster haben die Batterien dann andere Eigenschaften im Lade- und Entladeverhalten und können im weiteren Betrieb selbst zur Fehlerquelle (interner Kurzschluss, Ausgasung, Brand, usw.) führen.

    C-Rate

    Die C-Rate ist ein Faktor, der den maximalen Strom des Akkus in Bezug auf seine Kapazität angibt. Dieser Faktor ist für das Laden des Akkus deutlich geringer als für das Entladen. Beispielsweise besitzt ein Akku 5Ah und es wird eine Entladerate von 25C angegeben, so lässt sich der Akku mit 5Ah x 25C = 125A entladen. Wird für das Laden der Faktor 2C angegeben, so darf der Speicher mit maximal 5Ah x 2C = 10A geladen werden. Bei stationären Energiespeichern die über Wechselrichter betrieben werden, ermittelt man die C-Rate aus dem Quotienten aus Leistung und Arbeit. Ein Speicher mit einer Kapazität von 10 kWh und einer Leistung von 20 kVA hat eine C-Rate von 2, d. h. er kann innerhalb von 30 Minuten entladen und geladen werden.


    Natrium-Schwefel-Batterien

    Natrium-Schwefel-Batterien sind Hochtemperaturbatterien und benötigen eine Betriebstemperatur von 300 °C. Deshalb ist für diese Zellen ein wärmeisolierter Behälter mit Heizung und Kühlung erforderlich. Die Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur geht zu Lasten des Wirkungsgrades. Bei längeren Stillstandszeiten entlädt sich die Natrium-Schwefel-Batterie überdurchschnittlich schnell. Da Natrium sehr reaktionsfreudig ist und in Verbindung mit Schwefel sehr korrossive Eigenschaften aufweist, stellt die Betriebssicherheit für dieses System die größte Herausforderung dar. Bei einem Defekt des Akkumulator können Temperaturen von über 1000 °C erzeugt werden, was besondere Schutzmaßnahmen erfordert. Das Einsatzgebiet beschränkt sich auf den Ausgleich von Leistungsfluktuationen, wie sie aktuell bei Windparkanlagen auftreten.


    Nickel-Cadmium-Batterien

    Auch Nickel-Cadmium-Batterien (NiCd-Batterien) gehören zu den elektrochemischen Energiespeichern. Sie bestehen im geladenen Zustand auf der Anode aus Nickel(III)hydroxid (NiO(OH) und in der Kathode aus Cadmium (Cd). Der Elektrolyt besteht aus verdünnter Kalilauge (KOH).

    NiCd-Batterien sind bei gleichem Energiegehalt leichter als Blei-Säure-Batterien, haben aber gegenüber Lithium-Ionen- und Nickel-Metallhydrid-Batterien eine niedrigere Energiedichte. Vorteilhaft bei NiCd ist die hohe Belastbarkeit, Schnellladefähigkeit und die Kältefestigkeit auch bei negativen Temperaturen von bis zu -40 °C. Der große Nachteil bei NiCd-Akkus ist die hohe Selbstentladung von bis zu 80 % innerhalb von 3 Monaten, sowie der Memory-Effekt bei falscher Handhabung. Wird dieser Batterietyp dauerhaft aufgeladen bevor er komplett entladen ist, entstehen an der Kathode metallische Kristalle. Diese verringern die verfügbare Kapazität der Elektrode bei gegebener Belastung zunehmend, sodass die Batterie nur noch für wenige Minuten die nötige Spannung liefert.

    Bei Anwendungen mit NiCd-Akkus empfiehlt es sich, den Energiespeicher so weit zu entleeren, bis das Gerät nicht mehr funktioniert. Dann ist die Abschaltspannung erreicht und der Ladevorgang kann beginnen. Ist eine NiCd-Batterie durch den klassischen Memory-Effekt lahmgelegt, kann er durch vollständige Entladung mit einem speziellen Refreshing-Gerät wieder reaktiviert werden. Moderne Ladegeräte vermeiden den Memory-Effekt durch exakte Messung des Ladezustands sowohl vor der eigentlichen Ladung als auch beim Erreichen der maximalen Kapazitätsgrenze.

    Aufgrund der schlechten Umweltverträglichkeit durch das giftige Cadmium werden NiCd-Akkus nur noch für schnurlose Elektrowerkzeuge, Not- oder Alarmsysteme, Notbeleuchtung, medizinische Ausrüstung, Fahrzeug- und Industriebatterien eingesetzt. Alle anderen Gerätebatterien mit einem Cadmiumgehalt von mehr als 0,002 Gewichtsprozent sind in der EU verboten.


    Nickel-Metallhydrid-Batterien

    Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH) bestehen im geladenen Zustand auf der Anode aus einer Legierung aus Lanthan und Metallen. Die Kathode enthält Nickelhydroxid (Ni(OH)2). Die Anode kann Wasserstoff binden oder diesen als positiv geladene Wasserstoffteilchen abgeben. Wie bei Nickel-Cadmium-Akkus bestehen auch bei NiMhH-Akkus die Elektrolyte in dem meisten Fällen aus verdünnter Kalilaugen (Kaliumhydroxid).

    NiMH-Akkus sind umweltfreundlicher als viele andere Zellchemien wie beispielsweise NiCd-Batterien oder Bleibatterien. Es werden keine giftigen Schwermetalle wie Cadmium, Blei und Quecksilber verwendet. Vorteilhaft bei NiNH-Akkus ist die hohe Energiedichte, Robustheit, Schnellladefähigkeit und die Temperaturbeständigkeit für einen Temperaturbereich zwischen -15°C bis 40°C. Wie bei NiCd-Akkus ist die hohe Selbstentladung (20% - 50% innerhalb eines Monats), sowie der Memory-Effekt bei falscher Handhabung auch bei NiMH von Nachteil. Der Memory-Effekt ist nicht so stark ausgeprägt als bei Nickel-Cadmium-Batterien. Niedrige Ladeströme oder ein Aufladen bevor der Akku komplett entladen ist, verringert die verfügbare Kapazität, so dass die Spannung bereits nach kurzem Gebrauch einbricht.

    Über Auffrischzyklen durch Entladen und Wiederaufladen kann durch prozessorgesteuerte Ladegeräte die Batterie wieder reaktiviert werden. Moderne Ladegeräte vermeiden den Memory-Effekt durch exakte Messung des Ladezustands sowohl vor der eigentlichen Ladung als auch beim Erreichen der maximalen Kapazitätsgrenze. Bei Anwendungen mit NiMH-Akkus empfiehlt es sich, den Energiespeicher so weit zu entleeren, bis das Gerät nicht mehr funktioniert. Dann ist die Abschaltspannung erreicht und der Ladevorgang kann beginnen.

    NiMH-Batterien finden ihre Anwendung bei Akkuschraubern, Handys, Taschenlampen, Messgeräten sowie bei Elektrofahrrädern. Durch die besseren Eigenschaften der Lithium-Ionen-Batterien werden die NiMH-Batterien im weltweiten Markt zunehmend ersetzt.


    Energiespeicherung in Redox-Flow-Batterien

    Aufgrund ihres Aufbaus stellen Redox-Flow-Systeme einen Sonderfall unter den elektrochemischen Energiespeichern dar. Anders als bei einem Blei-Akku oder einer Lithium-Ionen-Batterie besitzen Redox-Flow-Batterien (RFB) getrennte Bauteile für die Energiespeicherung, Ladung und Entladung. RFB bestehen aus zwei zirkulierenden Kreisläufen mit Redoxpaaren, die durch eine Membran hindurch miteinander reagieren. Es werden flüssige Elektrolyte eingesetzt, die mit separaten Pumpen und Tanks in zwei voneinander vollkommen unabhängigen Kreisläufen fließen. Die galvanische Zelle, in welcher die Redoxreaktionen (Red = Reduktion bzw. Elektronenaufnahme, Ox = Oxidation bzw. Elektronenabgabe) stattfinden ist durch ein Membran in zwei Halbzellen unterteilt in welchen der Ionenaustausch erfolgt.

    Vorteilhaft ist neben der sehr geringen Selbstentladung die Größenauslegung durch den einfachen und modularen Zellaufbau. Die Leistung und der Energieinhalt sind bei diesem System entkoppelt, was eine sehr große Flexibilität in der Auslegung mit sich bringt. Der modulare Aufbau wirkt sich allerdings nachteilig auf die relativ geringe Energie- und Leistungsdichte aus. Zudem sind neben dem zusätzlichen Energieverbrauch durch die Pumpen und weitere Hilfsaggregate auch die höheren Kosten für Wartung und Instandsetzung aufgrund des mechanischen Verschleißes durch die Säure der Elektrolyte zu berücksichtigen. Interessant für eine Anwendung im Bereich der E-Mobilität ist bei Redox-Flow-Systemen die Schnellladefähigkeit mittels Austausch der flüssigen Elektrolyte.

    Im Vergleich zu Blei-Säure-Batterie oder Lithiumionen-Batterie benötigt die Redox-Flow-Zelle keine besondere Lade- oder Entladestrategie, da sie nicht tiefentladen werden kann. Lediglich ist auch hier ein Batteriemanagementsystem zur Überwachung von Strom, Spannung und Temperatur der Zelle von zentraler Bedeutung. Preis beinflussend bei RFBs ist der Marktpreis von Vanadium, das die Basis bei der Herstellung beider Redoxpaare bildet.


    Energiespeicherung in Brennstoffzellen

    Die Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Wandler, in dem sich Wasserstoff mit Sauerstoff in einem kontrollierten elektrochemischen Prozess (im Gegensatz zu Verbrennung oder Explosion) verbindet und dabei direkt elektrischer Strom und Wärme erzeugt werden. Bei dem Prozess wandern positive Wasserstoff-Protonen durch einen einseitig durchlässigen Seperator und treffen auf negativ geladene Sauerstoff-Elektronen. Bei diesem elektrolytischen Prozess entsteht zwischen Kathode (Minus-Pol) und Anode (Plus-Pol) ein Strom, der etwa eine Leuchtdiode speisen kann. Eigentlich zählt die Brennstoffzelle nicht als direkter Energiespeicher sondern zu den Energiewandlern, das sie nur in der Lage ist, elektrische Energie aus chemischen Reaktionen zu gewinnen.

    Die Technologie aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom zu gewinnen, hat 1839 der Waliser Sir William Grove erfunden. Mit einer Knallgas-Zelle, einer Anordnung von gasgefüllten Röhrchen, erzeugte er 1 Volt Spannung. Gegen Dampfmaschine und Explosionsmotor kam jedoch die Erfindung nicht an und verschwand rasch in der Versenkung. Die Nasa entdeckte die Brennstoffzelle Mitte der sechziger Jahre neu. Sie lieferte Bordenergie für Gemini- und Apollo-Kapseln. Dieser Typ Brennstoffzelle wird auch heute noch in den Space Shuttles eingesetzt.

    Die Energieumwandlung der Brennstoffzelle in Strom ist sehr effizient, da keine thermomechanischen Zwischenschritte wie bei konventioneller Energieerzeugung erforderlich sind. Ähnlich wie Batterien erzeugen Brennstoffzellen Gleichstrom mit niedriger Spannung. Im Gegensatz zu Batterien müssen jedoch die Reaktanten ständig zugeführt werden. Im Betrieb wird der Anode Wasserstoff zugeführt und dort oxidiert. Die dort entstehenden Protonen (H+ -Ionen) gelangen durch die Ionen-Austausch-Membran zur Kathode und dort in Verbindung mit dem Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft. Über den Verbraucherstromkreis fließen die Elektronen von der Anode zur Kathode. Dabei nimmt der Sauerstoff diese Elektronen auf und reagiert mit den Protonen und es entsteht Wasser als Ausscheideprodukt.

    Der Vorteil der Brennstoffzelle ist der Wirkungsgrad von über 80%, sowie eine konkurenzlose Umweltfreundlichkeit. Als Abfallprodukt bei der Stromerzeugung entsteht nur Wasser. Außerdem sind Brennstoffzellen leise und wartungsarm. Prototypen mit bis zu 100 kW Leistung werden derzeit erprobt um den Energiemarkt zu revolutionieren. Die Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff kann bald schon Autos bewegen, Häuser mit Strom und Wärme versorgen und Batterien in Laptops und Handys ersetzen.


    Energiespeicherung in Kondensatoren

    Kondensatoren kosten über 1.000 EUR pro kWh und sind eine sehr teuere Energiespeicherung. Ein bereits relativ großer Elektrolytkondensator mit einer Ladung von 500 µF mit 400 V kostet ca. 2 EUR und kann nur 40 Wattsekunden Energie speichern. Mit Doppelschichtkondensatoren (DSK) die einen sehr guten Wirkungsgrad (90 bis 95%) und eine geringe Selbstentladung (0,004% pro Tag) vorweisen werden Kondensatoren als Sekundenspeicher zur Stützung der Stromversorgungssyteme, als Ausgleich für kurzfristige Lastschwankungen oder als Startenergie eingesetzt. Aufgrund der hohen Leistungsdichte und der niedrigen Energiedichte sind DSK eher als Leistungsspeicher zu betrachten, die in kurzer Zeit im Verkehrssektor die Bremsenergie rekuperieren könnten, oder in der Windkraft bei Sturm die Rotoren schnell in die Ruhelage zu drehen.


    Energiespeicherung in Spulen

    Bei supraleitenden magnetischen Energiespeicher wird in Spulen die elektrische Energie direkt ohne Energieumwandlung im Magnetfeld gespeichert. Um den ohmschen Widerstand möglichst gering zu halten, muss die Spule auf einen supraleitenden Zustand abgekühlt werden. Obwohl in diesem Zustand die Speicherung nahezu verlustfrei ist, benötigt man für den Betrieb zusätzlich für das Lade- und Entlademanagement eine Steuerung sowie zum Erreichen der niedrigen Betriebstemperaturen eine aufwendige Kühlung. Aufgrund der hohen Leistungsdichte und einer niedrigen Energiedichte werden SMES im Leistungsbereich zur Netzstabilisierung und Verbesserung der Netzqualität bei der Stromversorgung eingesetzt. Eine Anwendung als Energiespeicher im Minutenbereich oder länger spielt aufgrund der hohen Kosten keine Rolle.


    weiterführende Quellen:

  • Script zum Praktikum "Primäre und wiederaufladbare Lithium-Batterien" von der TU Graz.
  • Schulung "Elektromobilität und Storage im Elektro-/IT-Handwerk" von der Innung für Elektro- und Informationstechnik München
  • Vortrag von batteryuniversity.eu an der Hochschule Rhein-Main über die Lithiumionen-Batterietechnologie
  • Grundlagenschulung über die Batterietechnologien auf dem Portal von batteryuniversity.com


  • Fachlexikon der Mechatronik © 2017 Erich Käser. Alle Rechte vorbehalten.