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1-2020

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Zeitschrift für Elektro-, Gebäude- und Sicherheitstechnik, Smart Home

Speicher

Speicher Energiespeicher-Konzepte Sieben spannende Speicher Im „Klimaviertel“ der Stadtwerke Herne sind fünf Häuser mit innovativen Redox-Flow-Batterien mit je etwa 10 kWh ausgestattet (Quelle: www.klimaviertel.stadtwerke-herne.de) Um die Energiewende erfolgreich umzusetzen, brauchen wir Speicher, welche die Energie von Sonne und Wind abpuffern. Dieser Beitrag skizziert allgemeinverständlich einige Energiespeicher-Konzepte, die bereits heute von Bedeutung sind oder erst im Laufe der Zeit bedeutsam werden könnten. Solarzellen liefern bei Dunkelheit keinen Strom – gerade in den Abendstunden wird er aber verstärkt gebraucht. Windkraftanlagen können nur Energie schöpfen, wenn es windig ist. Es gilt, diese Lücken bei Solar- und Windkraft zu überbrücken – darüber herrscht Einigkeit. Doch wie können optimale Zwischenspeicher aussehen? Weitere Speicherkonzepte • Pumpspeicher (kraftwerke) Die Oldies unter den Stromspeichern. Ihre Kapazität ist begrenzt. Vor allem in Norwegen/Schweden im Einsatz, bei uns eher unbeliebt. • Ringwallspeicher Arbeitet im Prinzip wie ein Pumpspeicher: Überschussstrom pumpt Wasser von einem Unter- in ein darin eingebettetes Oberbecken. Darin ist ein schwimmendes Solarkraftwerk denkbar, das ist immer zur Sonne ausgerichtet. • Druckluftspeicher Sie komprimieren mit elektrischer Kraft Luft in unterirdischen Hohlräumen. Die Luft erreicht bis zu 600 °C. • Wasserstoffspeicher Von den großen Stromspeichern Druckluft-, Pump- oder Wasserstoffspeicher bietet nur die chemische Energiespeicherung durch Wasserstoffelektrolyse ausreichende Kapazität. Doch Wasserstoff ist brennbar. • Gasspeicher Unterirdische Erdgasspeicher werden bereits seit Jahrzehnten benutzt. Sicherheitskritisch. • Salzwasserspeicher Im Süden Spaniens fangen kilometerlange Reihen von Parabolspiegeln Sonnenlicht ein. In großen Tanks lagert flüssiges Salz, das die solare Wärme mehrere Stunden lang speichern kann. Konzept # 1: LiIo-Batteriespeicher Diese sind bereits seit vielen Jahren am Markt, bieten aber auch noch Entwicklungspotenzial. Gegenwärtig stehen in Deutschland etwa 60.000 solcher Batterien (Quelle: EuPD Research Q5/2019). Die LiIo-Technik ist hier gut • Beton- und Sandspeicher Ein Klotz aus Beton kann große Mengen von Energie aufnehmen und bei bedarf wieder abgeben. Ähnlich ist es mit Sand. • Vehicle-to-Grid Rein rechnerisch könnte man auch die Batterien von Elektroautos als Stromspeicher fürs Netz einsetzen. Dafür müssten aber genügend Autos an den Steckdosen hängen. • Supercaps Superkondensatoren lassen sich blitzschnell laden und liefern hohe Ströme. Nachteile: geringe Energiedichte und Kapazität bekannt. Mit etwa 100 Euro/kWh sind diese Speicher jedoch relativ teuer, auch deswegen, weil für die Sicherheit gesorgt werden muss (Thermal Runaway, Brandgefahr). Hinzu kommt: Der Lithiumabbau ist politisch problematisch. Mehrere Sekundärspeichereinheiten (Module) werden hier zu einer bedarfsgerechten Anlage zusammengeschaltet. Denn die gewünschten Speicherleistungen können im zwei- bis dreistelligen kWh-Bereich liegen. Viele Speichersysteme sind auch modular erweiterbar. Es gibt hier eine ganze Reihe von Kennzahlen und Eigenschaften, auf die man nicht nur achten muss, sondern die man teils auch kritisch hinterfragen sollte, da die Hersteller bei den Rahmenbedingungen Gestaltungsspielraum haben und diese in ihrem Sinne nutzen. So sind die Umwandlungswirkungsgrade der Leistungselektronik u.a. stark von der Leistung abhängig. Aktuell wird oft das Design betont, was von der viel wichtigeren rein technischen Performance nicht ablenken sollte. Wegen der Popularität dieser Speicher sollen hier (als Hilfestellung für potenzielle Interessenten) einmal die wichtigsten Kennwerte und Eigenschaften aufgezählt werden: • Einsatzbereich (privat/gewerblich) • zwei- oder dreiphasig? • DC- oder AC-Kopplung? • Ladeleistung bzw. nominale Systemleistung • (nutzbare) Kapazität, Garantie? • Entladungsgrad X % bei Lade-/Entladewirkungsgrad Y % • Spitzenausgangsleistung • Preis pro kWh • Gewicht pro kWh • Platzbedarf pro kWh • Eingangsspannungsbereich bzw. höchste Eingangsspannung (etwa Gewerbespeicher benötigen für ihre Vielzahl von in reihe liegenden Modulen eine Hochvolttechnologie) • Leistungspreis für den Kunden (Peak-Shaving) • nur innen oder auch außen (IP65) einsetzbar? • Gehäuse, Montageaufwand, Wandmontage? 10 Haus und Elektronik 1/2020

Speicher Das Batteriespeicher-Modell Pulse Neo von Varta ist mit 3,3 und 6,5 kWh erhältlich und dank Plug&Play-Technik in kurzer Zeit installiert. Mit einer Regelgeschwindigkeit von 2,5 s und 1,4 W Standby- Verbrauch eines der effizientesten Geräte auf dem Markt (Quelle: www.varta-storage.com) • abwärtskompatibel? • Art und Weise der Integration ins Energiesystem („intelligent“?) • Reaktionszeit der Speicher • Anbindung der Elektromobilität Um hier unterstützend zu wirken, wurde ein System Performance Index (SPI) geschaffen. Konzept # 2: Alternative Batteriespeicher dar und verwenden an der positiven Elektrode das preisgünstige Lithium- Cobalt(III)-Oxid. • Natrium-Ionen Umweltfreundlich, kostengünstig und hochleistungsfähig sollen die Natrium- Ionen-Batterien der nächsten Generation sein und damit eine Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien sein. Passende Aktivmaterialien und Elektrolyte werden zurzeit noch entwickelt. Lösungen für den Technologietransfer von Natrium-Ionen-Batterien werden erarbeitet. Dieser Energiespeicher steckt also gewissermaßen noch in den Kinderschuhen. Natrium-Ionen-Batterien würden eine alternative, kostengünstige und umweltfreundlichere Energiespeichertechnologie darstellen. Die Entwicklung von hochskalierten Prototypen der Natrium-Ionen-Batterien stellt jedoch eine große Herausforderung dar. So wird ein Erdwärmesonden-Speicher in Kanada im Sommer bis auf 80 °C aufgeheizt und dann im Winter direkt Raumwärme geliefert. Dieses System ist bereits seit über zehn Jahren in Betrieb und liefert zuverlässig solare Deckungsgrade über 90 %. In Dänemark gibt es Erdbeckenspeicher mit einem Speichervolumen von bis zu 200.000 Kubikmeter. Optimale Erdwärmesonden- und Erdbecken-Speicher haben Wärmeverluste über das Jahr bei nur 10%. Erdbeckenspeicher können bereits zu einem Preis ab 30 Euro/m 3 realisiert werden, was einem Preis für die saisonale Speicherung von Wärme von 3,5 Cent/kWh entspricht. Überhaupt ist das Speichern mit Wasser eine seit vielen Jahren bewährte Technik, so findet man Wasserwärmespeicher auch innerhalb von Gebäuden, wo sie mit bis zu 90 °C betrieben werden. Die Wirtschaftlichkeit ist unbestritten. Weitaus spezieller ist die Speicherung von Wärme auf geringem Temperaturniveau in Erdwärmesonden-Feldern. Konzept # 4: Redox-Flow-Batterien In jeder Batterie/in jedem Akku gibt es zwei „Partner“, die aufgrund einer stofflichen Umwandlung die darin che- Neben den etablierten Technologien Blei- und LiIo-Akku sind weitere zu nennen, nämlich Li-Eisenphosphat (LFP), Li-Polymer und Natrium-Ionen. Diese sind eigentlich nichts Revolutionäres, sondern eher Varianten der gängigen LiIo-Technik - jedoch mit spezifischen Vorteilen. • Li-Eisenphosphat (LFP) Der Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator ist eine Variante oder Modifikation des Lithium-Ionen-Akkumulators mit einer Zellenspannung von 3,2 oder 3,3 V. Die positive Elektrode besteht aus Lithium-Eisenphosphat statt dem herkömmlichem Lithium-Cobalt(III)- Oxid. Die negative Elektrode besteht aus Graphit (also hartem Kohlenstoff) mit eingelagertem Lithium. Ein solcher Akkumulator weist zwar eine vergleichsweise geringere Energiedichte auf, neigt aber – auch bei mechanischer Beschädigung – nicht zu thermischem Durchgehen. Die Junelight Smart Battery von Siemens ist stehend als auch hängend installierbar. Das Basisgehäuse fasst bis zu zwei Einheiten von je 3,3 kWh. Mit dem Erweiterungsgehäuse sind bis zu sechs Einheiten möglich (Quelle: https://new.siemens.com) • Li-Polymer (LiPoly oder LiPo) Der Unterschied zu LiIo: Der Li-Metal- Polymer-Akku ist nicht durch eine eigenständige Zellchemie beschrieben. Seine charakteristische Eigenschaft ist die Art der Gestaltung des normalerweise flüssigen Elektrolyts, welcher beim Lithium-Polymer-Akkumulator als feste bis gelartige Folie auf Polymerbasis ausgeführt wird. Damit ist man sehr variabel im mechanischen Aufbau der Zelle. Die negative Elektrode besteht aus Graphit. An der positiven Elektrode wird ein Metalloxid des Lithiums verwendet. Die überwiegend am Markt befindlichen Lithium-Polymer- Akkus stellen von der Zellchemie her Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren Konzept # 3: Saisonale Wärmespeicher Besonders in Dänemark, Kanada und Holland hat man zum Zwischenspeichern riesige Erdbecken mit heißem Wasser errichtet. Erhitzt wird das Wasser im Sommer z.B. durch direkte Wärmeeinstrahlung, durch Abwärme aus Kraftwerken oder durch große Wärmepumpen. Diese Becken sind durch ihre wärmeisolierende Einbettung in die Erde in der Lage, die Temperatur des Wassers über Monate hoch zu halten. Wir haben es hier mit einer Variante der Spielart Power to X zu tun, also der Umwandlung der Energieform zum Zwecke der Speicherung. Bei den Speichern der Senec. Home-Familie handelt es sich um LiIo-Speicher für Privathaushalte, Made in Germany und mit eine Garantie auf 100 % der Speicherkapazität in den ersten zehn Jahren (Quelle: www. solaranlagen-portal.com) Haus und Elektronik 1/2020 11

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