Der Schlüssel zu erneuerbaren Energien

Energiespeichersysteme: Der Schlüssel zur Nutzung erneuerbarer Energien

Von Bill Schweber für Mouser Electronics. Bearbeitet von Jon Gabay.

Quelle: malp/Stock.Adobe.com

Angesichts des Klimawandels und der geopolitischen Spannungen verzeichnen erneuerbare Energien eine nie gekannte Beliebtheit. Die Abkehr von fossilen Brennstoffen hat sich mittlerweile relativ weit durchgesetzt.

Ein Indikator dafür sind die weltweiten Investitionen in erneuerbare Energien. Sobald die Preise für fossile Brennstoffe in die Höhe schießen, steigen die Investitionen in erneuerbare Energien. Sinken die Kosten für fossile Brennstoffe, werden erneuerbare Energien weniger kosteneffizient und die Investitionen gehen zurück. Um die Klima- und Nachhaltigkeitsziele zu erreichen, braucht es bessere Technologien für erneuerbare Energien. Der beschleunigte Einsatz von erneuerbaren Energien muss Realität werden.

Die wichtigsten erneuerbaren Energien bieten nicht immer eine zuverlässige Stromversorgung. Da Wind- und Solarenergie nicht ununterbrochen zur Verfügung stehen, müssen größere Anlagen die Energie in Energiespeichersysteme leiten. Hierzu sind lokale und dezentrale Energiespeichersysteme (ESS) erforderlich. Derzeit werden in Batteriespeichern noch Lithium-Batterien verwendet, die jedoch mit Umweltproblemen verbunden sind. Erfreulicherweise werden schon bald kostengünstigere und sauberere Batterielösungen mit höherer Energiedichte verfügbar sein. Doch dies erfordert zunächst den Aufbau einer Infrastruktur für die dezentrale Erzeugung, Übertragung, Speicherung und Bereitstellung an die Kunden.

Ein breites Spektrum von ESS-Optionen

Wie bereits erwähnt, ist die Verfügbarkeit grundlegender erneuerbarer Energien nur ein Aspekt des allgemeinen Energieproblems. Ein Gesamtsystem erfordert eine Energiequelle, einen Speicher und Übertragungsleitungen (Abbildung 1). Beim Aufbau eines praktischen Gesamtsystems auf der Basis erneuerbarer Energien stellt sich die wichtige Frage, wie die Zwischenspeicherung von Energie umgesetzt werden kann.

Abbildung 1: Ein komplettes netzgekoppeltes ESS erfordert nicht nur das Energiespeicher-Subsystem, sondern auch eine Energiequelle und Übertragungsleitungen. (Quelle: Saft/Total Energies)

Die Notwendigkeit der Energiespeicherung betrifft sowohl mobile als auch fest installierte Anlagen. Die praktischen Möglichkeiten hängen dabei von der Größe des Systems und der Umgebung ab. Für größere Endanwendungen oder solche, die nicht mobil sein müssen, kommen weitere Optionen hinzu (Abbildung 2).

Abbildung 2: Auch wenn es scheinbar viele Möglichkeiten für die Energiespeicherung gibt, hängt ihre Realisierbarkeit doch vom Standort und der Kapazität ab. (Quelle: Mouser Electronics)

So werden verschiedene Ideen zur Energiespeicherung in Betracht gezogen (Abbildung 3). Dazu gehört etwa die Möglichkeit, Wasser auf eine höhere Ebene zu pumpen und es dann in einen Wasserkraftgenerator fließen zu lassen. Nach dem gleichen Prinzip gibt es auch die Möglichkeit, ein schweres Gewicht mittels eines Elektromotors anzuheben und bei Bedarf Energie zu entziehen, indem man es nach unten sinken lässt. Mit dieser Technik lassen sich für kurze Zeit große Mengen an Energie freisetzen. Eine weitere Methode ist die Verwendung eines Schwungrads zur Speicherung von Drehimpulsen. Hierbei sind allerdings die Umsetzung und Wartung teuer. Zudem ergeben sich bei dieser Methode Effizienzverluste, sowohl bei der Bereitstellung von Energie zur Speicherung als auch bei der Entnahme von Energie zur Nutzung.

Abbildung 3: 3: Energiespeichersysteme bieten eine große Bandbreite an Leistungs- und Energiekapazitäten. (Quelle: Elsevier/Science Direct)

Daneben werden auch thermoelektrische Techniken geprüft, darunter etwa die Schmelzsalz-Technologie. Hierbei werden Salze so stark erhitzt, dass sie schmelzen. Die thermische Energie (Wärme) kann anschließend abgeleitet und zur Stromerzeugung genutzt werden. Dies könnte ein praktikabler Ansatz sein, um Wärmeenergie für die Warmwasseraufbereitung zu speichern. Allerdings ist es keine leichte Aufgabe, die Salze auf eine ausreichend hohe Temperatur zu erhitzen und so viel Wärme zu speichern, dass eine Dampfturbine über einen längeren Zeitraum betrieben werden kann.

Eine weitere Möglichkeit stellt die Druckluftspeicherung dar, bei der schwere Behälter und Kompressoren die Luft mit sehr hohem Druck speichern. Die bewegte Luft wird nutzbar gemacht und in Strom umgewandelt, wodurch ein sauberer Generator entsteht. Die Umsetzung dieser Methode in großem Maßstab könnte allerdings kostspielig sein. Zudem gilt auch hier: Mechanische Systeme sind mit Verlusten und Wartungsarbeiten verbunden.

Die Nutzung intermittierender erneuerbarer Energien wie Wind- und Sonnenenergie zur Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff kann eine gute Alternative darstellen, sofern dies effizienter als die herkömmliche Hydrolyse durchgeführt werden kann. Experimentelle Beschichtungsmaterialien haben sich als vielversprechend erwiesen, da sie das teure Platin, das bei den derzeitigen Methoden zum Einsatz kommt, überflüssig machen. Und es gibt sogar schon biologische Reaktoren, die Wasser hydrolysieren. Der Vorteil der Abspaltung von Wasserstoff ist, dass er als Kraftstoff für Autos verwendet werden und mithilfe von Brennstoffzellen direkt Strom erzeugen kann.

Strom-zu-Strom ist die interessanteste Option

Die vielversprechendste Variante ist die elektrische Speicherung, da sie potenziell am effizientesten ist. Schaltnetzteile haben einen hohen Wirkungsgrad. Für Energie, die in Form von elektrischem Strom zur Verfügung steht, stellen Batterien und Speicher auf Basis von Superkondensatoren mit Schalttechniken für hohe Leistungen die besten Lösungen dar.

Erfreulicherweise hat die Elektronikindustrie neue Energietechnologien entwickelt, wie z. B. die Wide-Bandgap-Dioden, MOSFETs und Treiber von onsemi. In diesen Geräten kommt die firmeneigene Siliziumkarbid (SiC)-Technologie zum Einsatz, die viel mehr Belastungen standhält, ohne zu versagen.

Dank der Wide-Bandgap-Technologie können Hochleistungsdioden wiederkehrenden Sperrspannungen (VRRM) von 1.700 V mit nur 80 nA Sperrstrom standhalten. Die Schottky-Konfiguration hat einen Durchlass-Spannungsabfall von nur 1,5 V bei 25 A. Andere Lösungen aus dieser Produktfamilie können bis zu 100 A mit geringem Verlust und geringer Wärmeentwicklung und Spitzenströme von bis zu 882 A durchlassen. Diese Spezifikationen sind notwendig, um Hochspannungs- und Hochstrommodule an einem großen lokalen Batterieladegerät oder einem leistungsstarken netzgekoppelten Wechselrichter anzuschließen.

Außerdem sorgt die SiC-Technologie für schnelle Schaltgeschwindigkeiten und wird auch zur Herstellung von verlustarmen MOSFETs mit einer Strombelastbarkeit von bis zu 46 A verwendet. Die robuste 900-V-Sperrspannungsfestigkeit hilft dabei, Spannungsspitzen und Schaltgeräuschen standzuhalten. Diese Technologie reduziert elektromagnetische Störungen (EMI) und bietet gleichzeitig die höchste Leistungsdichte und die kleinste Größe.

Der NTHL060N090SC1 EliteSiC MOSFET von onsemi hat beispielsweise einen Drain-Source-Widerstand von nur 84 Milliohm bei 46 A und kann bis zu 221 W ableiten. Als Schaltelement hält er bis zu 900 Sperrspannungen stand. Ein passender Gate-Treiber wie der NCP51705MNTXG erleichtert die Verbindung mit den EliteSiC-MOSFETs und die Nutzung der schnellen Anstiegs- und Abfallzeiten der Technologie. Dieser Treiber kann bis zu 6 A Gate Drive mit schnellen 50 ns Einschalt- und Ausschaltverzögerungen liefern. Der kleine QFN24 kann 2,9 W ableiten und verbraucht nur 12 mA.

Was diese Technologie so spannend macht, ist die Verfügbarkeit von Leistungsmodulen wie den NXH100B120H3Q0STG IGBT-Modulen, die bis zu 80 kW und 100 A verarbeiten können (Abbildung 4). Diese Module verfügen über integrierte Bypass- und Boost-Dioden sowie über IGBT-Schutzdioden, die alle in das niederinduktive Layout integriert sind (Abbildung 5).

Abbildung 4: Die NXH100B120H3Q0 Dual-Boost-Power-Module von onsemi vereinfachen das Design, die Implementierung und die Wartung von Hochenergieanlagen, Systemen für erneuerbare Energien sowie Hochspannungs- und Hochstromanlagen. (Quelle: Mouser Electronics)

Abbildung 5: Die SiC-Power-Module von onsemi sind ideal für Solar-Wechselrichter, unterbrechungsfreie Stromversorgungen sowie Energiespeicher- und Energiemesssysteme. Sie sind ab sofort erhältlich und sofort einsatzbereit. (Quelle: onsemi)

Akkus übernehmen die Führung

Akkus bieten viele Vorteile. Sie erfordern vor Ort nur minimale Vorbereitungen und haben keine beweglichen Teile. Einmal installiert und in Betrieb genommen, sind sie praktisch wartungsfrei. Obwohl klassische Blei-Säure-Akkus zu 90 % recycelt werden können, sind lithiumbasierte Akkus oft die bevorzugte Wahl. Lithium-Akkus bieten eine höhere Energiedichte im Verhältnis zum Gewicht. Wie jede Batterietechnologie können auch Lithium-Akkus je nach Bedarf skaliert werden, in Reihe für höhere Spannungen oder parallel für höhere Ströme. Bei richtigem Design können einzelne Batterien ausgetauscht werden, ohne dass der Rest der Anlage unterbrochen werden muss.

Akkus erfordern vor Ort nur minimale Vorbereitungen und haben keine beweglichen Teile. Einmal installiert und in Betrieb genommen, sind sie praktisch wartungsfrei. Ein wichtiger Grund für den Einsatz von Lithium-Akkus in der Energieversorgung ist die zunehmende Beliebtheit von Elektrofahrzeugen (EVs). Aufgrund der steigenden Nachfrage nach Lithium-Akkus – sowohl für Elektrofahrzeuge als auch für Verbrauchergeräte – verringern sich die Hürden für den Produktionsprozess, wenn es um den Abbau, die Herstellung, die Montage und die Verwendung von Akkus mit hoher Energiedichte in großen Mengen geht.

Wieder einmal hat die Elektronikindustrie diese Herausforderungen mit kleinen und kostengünstigen Batterie-Management-Chips gemeistert, die Energie sicher laden und messen. Diese Geräte können auch den Rest des Batteriefelds schützen, falls eine einzelne Zelle ausfällt.

Eine andere Möglichkeit ist der Aufbau eines fest installierten Systems mit preiswerten, gebrauchten Batterien, die aus älteren Fahrzeugen oder Autowracks stammen und eine beträchtliche Kapazität bieten können. Im Allgemeinen gelten Batterien als „erledigt“ und nicht mehr für ihre ursprüngliche Verwendung geeignet, wenn die Speicherkapazität auf 80 % des ursprünglichen Wertes sinkt. Damit bleibt immer noch eine beträchtliche Kapazität für eine ortsfeste Anlage zur Wiederverwendung und zum Recycling solcher Second-Life-Zellen (Abbildung 6).
 

Abbildung 6: Die Zunahme von Elektrofahrzeugen führt auch zu einer Kapazitätssteigerung durch gebrauchte „Second-Life“-Batterien aus diesen Fahrzeugen. (Quelle: Circular Energy Storage Research and Consulting)

Durch die Kombination von Fahrzeugen und Stromnetzen besteht die Möglichkeit, ein Elektrofahrzeug an das Netz anzuschließen. Mit der richtigen Elektronik und einer dezentralen Infrastruktur können Fahrzeuge jetzt für kurze Zeit den Platz von Umspannwerken einnehmen.

Netzgebunden oder nicht?

Wie bereits erwähnt, kann ein batteriegestütztes ESS für den lokalen Gebrauch eigenständig genutzt oder an das Stromnetz angeschlossen werden. Es gibt mittlerweile Topologien, die Energiezufuhr und -abgabe in einer dezentralen Umgebung ermöglichen.

Ein hochentwickelter ESS-Algorithmus kann die Zuteilung des Energieflusses so ausbalancieren, dass eine Kombination aus höchster Verfügbarkeit und niedrigsten Betriebskosten entsteht. Das heißt, wenn die Energiequelle verfügbar ist und die Stromkosten am niedrigsten sind, nutzt das System das Netz, um die Batterien zu laden. Wenn die Netzkosten jedoch hoch sind oder die erneuerbaren Energien nicht verfügbar oder unzureichend sind, nutzt das System die Batterien.

Fortschrittlichere ESS-Konzepte bieten weitere Vorteile und eine allgemeine Kostensenkung. Hierzu speisen sie Strom in das Netz zurück, wenn die Batterien geladen sind und das Netz nicht mehr benötigt wird, da die erneuerbaren Energien den benötigten Strom liefern können. Sie verwenden ein bidirektionales ESS-Netzteil, das den Stromfluss transparent von dort, wo er verfügbar ist, dorthin lenkt, wo er benötigt wird oder gespeichert werden kann.

Wenn Energie aus dezentralen Quellen verfügbar ist, können Einrichtungen und Haushalte so mit Energie versorgt werden, als wäre eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) vorhanden. Für den Endverbraucher kommt es nie zu einem Stromausfall (es sei denn, das Netz wird beschädigt). Geringfügige Spannungsabsenkungen im Stromnetz, sogenannte Brownouts, können zwar auftreten, aber kritische Geräte wie medizinische Maschinen können mit lokalen USV-Systemen betrieben werden, bis die Einrichtung wieder Strom aus dem Netz erhält.

Die Standardisierung der Technologien für einzelne Komponenten hat inzwischen zu einer solchen Leistungssteigerung und Kostensenkung geführt, dass diese Online-Systeme nun auch für den privaten Gebrauch erhältlich sind, wie etwa das Generac PWRcell-System (Abbildung 7).

Abbildung 7: Neue Systeme für Privathaushalte, wie das Generac PWRcell, integrieren nahtlos Netzstrom, Solarzellenstrom und Batteriespeicher. Das Generac PWRcell kann zudem einen optionalen Generator enthalten (nicht abgebildet). (Quelle: Generac Power Systems, Inc.)

Fazit

Energiespeichersysteme sind ein zentraler Baustein für jede Art von Strombeschaffung und -versorgung, die teilweise oder vollständig von einer intermittierenden oder unvorhersehbaren Energiequelle abhängt. Für die Bereitstellung dieses Speichers stehen dem Benutzer viele Optionen zur Verfügung, die jeweils Kompromisse bei kritischen elektrischen, mechanischen und physikalischen Leistungs- und Installationsparametern umfassen. Batteriegestützte Energiespeicher lohnen sich aufgrund ihrer Verfügbarkeit, Modularität, Skalierbarkeit, Energiedichte, Verwaltbarkeit und ihres geräuschfreien Betriebs.