1. Was ist ESS? Ein Blick auf das Energiespeichersystem
Energiespeicherung ist der Prozess, Energie in eine Form umzuwandeln, die in der Natur zuverlässiger vorkommt, und sie so zu speichern, dass sie bei Bedarf verfügbar ist. Bei der Erzeugung, Umwandlung, dem Transport und der Nutzung von Energie bestehen häufig Unterschiede zwischen Angebot und Nachfrage hinsichtlich Menge, Form, Verteilung und Zeitpunkt. Energiespeichertechnologien können diese Unterschiede ausgleichen. Dadurch werden Energieangebot und -nachfrage besser aufeinander abgestimmt und die Energieeffizienz gesteigert. Mechanische Energie, Wärmeenergie, chemische Energie, Strahlungsenergie (Licht), elektromagnetische Energie, Kernenergie und andere Energiearten lassen sich in verschiedene Gruppen einteilen. Mit Ausnahme der Strahlungsenergie können alle anderen Energiearten in Standardformen gespeichert werden. So kann beispielsweise mechanische Energie als kinetische oder potenzielle Energie, elektrische Energie als induzierte oder elektrostatische Feldenergie, thermische Energie als latente oder fühlbare Wärme und Kernenergie als reine Form der Energiespeicherung gespeichert werden. Zu den verschiedenen Energiespeichermethoden gehören Pumpspeicherkraftwerke, Druckluftspeicher, Schwungradspeicher, Batteriespeicher, Wärmespeicher und Wasserstoffspeicher.
Batterien werden derzeit am häufigsten zur Energiespeicherung in Mikronetzen eingesetzt, da sie ausgereift sind und sich im praktischen Einsatz bewährt haben. Ein Batteriespeichersystem besteht aus mehreren Komponenten, darunter der Energiespeicher-Akkumulator, das Batteriemanagementsystem (BMS), der Aufwärtstransformator, der bidirektionale Wandler (PCS), das Energiespeicher-Nachführsystem und weitere Bauteile. Bei einem Netzausfall schaltet das Energiespeichersystem automatisch vom Netzbetrieb auf netzunabhängigen Betrieb um. Es dient dann als Notstromversorgung für das gesamte Mikronetz und hält Spannung und Stromstärke auch ohne Netzanschluss stabil.
2. Auswahl einer Energiespeicherbatterie
2.1 Batterie mit Bleikohle
Die Blei-Kohlenstoff-Batterie ist ein neuartiger Energiespeicher, bei dem Kohlenstoffmaterialien mit kapazitiven Eigenschaften an die negative Elektrode einer herkömmlichen Blei-Säure-Batterie angefügt werden. Dies kann entweder „intern und“ oder „intern gemischt“ erfolgen. Blei-Kohlenstoff-Batterien ähneln sowohl herkömmlichen Blei-Säure-Batterien als auch Superkondensatoren. Sie können die Leistung herkömmlicher Blei-Säure-Batterien in vielerlei Hinsicht deutlich verbessern. Zu ihren wissenschaftlichen Vorteilen zählen:
1. hoher Lademultiplikator;
2. Die Zyklenlebensdauer ist 4- bis 5-mal so hoch wie bei herkömmlichen Blei-Säure-Batterien;
3. gute Sicherheit;
4. Hohe Regenerationsausnutzung (bis zu 97 %), deutlich höher als bei anderen chemischen Batterien; reichlich Rohstoffe verfügbar, niedrige Kosten, 1,5-mal so hoch wie bei herkömmlichen Blei-Säure-Batterien; die Kosten herkömmlicher Blei-Säure-Batterien sind etwa 1,5-mal so hoch wie die dieser Batterien. 1,5-mal leistungsstärker als eine herkömmliche Blei-Säure-Batterie.
Die Leistung von Blei-Kohlenstoff-Batterien hat sich im Vergleich zu herkömmlichen Blei-Säure-Batterien deutlich verbessert. Es ist jedoch noch nicht vollständig geklärt, welche Rolle das Kohlenstoffmaterial bei dieser Leistungssteigerung spielt. Die Zugabe von Kohlenstoffmaterialien kann negative Auswirkungen haben, wie beispielsweise die Ausfällung von Wasserstoff an der negativen Elektrode und den Wasserverlust der Batterie. Dieses Problem muss daher noch untersucht werden.
2,2-V-Lithiumbatterie
Beim Laden und Entladen verwenden Lithium-Ionen-Akkus Chemikalien, die Lithium als positive Anode enthalten. Lithium-Ionen-Akkus enthalten kein Lithiummetall.
Lithium-Ionen-Akkus besitzen eine positive Elektrode aus lithiumhaltigen Verbindungen wie Lithiumcobaltat (LiCoO₂), Lithiummanganat (LiMn₂O₄), Lithiumeisenphosphat (LiFePO₄) und anderen Zwei- oder Dreikomponentenmaterialien. Die negative Elektrode besteht aus Lithium-Kohlenstoff-Zwischenschichtverbindungen wie Graphit, Weichkohlenstoff, Hartkohlenstoff und Lithiumtitanat.
Lithium-Ionen-Batterien bieten zwei herausragende Vorteile: eine hohe Energiespeicherdichte und eine hohe Leistungsdichte. Weitere Vorteile sind die hohe Effizienz, die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten, das große Interesse an ihnen, der rasante wissenschaftliche Fortschritt und das erhebliche Entwicklungspotenzial. ① Aufgrund der Verwendung chemischer Elektrolyte bestehen erhebliche Sicherheitsrisiken; die Sicherheit muss verbessert werden.
2.3 Auswahl einer Energiespeicherbatterie
Ein Blick auf die Unterschiede zwischen diesen beiden Arten von Energiespeicherbatterien hinsichtlich ihrer Entladetiefe, ihres Betriebstemperaturbereichs und ihrer Zyklenlebensdauer.
Die obige Tabelle zeigt, dass Blei-Kohlenstoff-Batterien eine kurze Lebensdauer haben und Wasserstoff freisetzen, der gefährlich ist. Lithium-Eisenphosphat-Batterien hingegen funktionieren in einem breiten Temperaturbereich und zeichnen sich durch eine hohe Lebensdauer, einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Energiedichte aus.
Aus diesem Grund sind Lithium-Eisenphosphat-Speicherbatterien für die meisten Energiespeicherprojekte die beste Wahl.
