Groß wie eine Turnhalle

So baut man heute: In der Gemeinde Weinsberg bei Heilbronn entsteht seit August eine moderne Wohnsiedlung, deren Energieversorgung sich nahezu komplett aus der Sonne speist, Strom und Wärme wohlgemerkt. Das bebaute Areal misst rund 16.000 Quadratmeter, darauf entstehen sechs Einfamilienhäuser, ein Einfamilienhaus mit Einliegerwohnung, zehn Reihenhäuser und ein Mehrfamilienhaus mit fünf Wohneinheiten. Die Fertigstellung ist für Ende 2013 geplant. Die Stromversorgung übernimmt eine Photovoltaikanlage aus mehreren Dachgeneratoren, die sich zu einer installierten Leistung von 150 Kilowatt addieren. Als Zwischenspeicher dient eine zentrale Lithium-Ionen-Batterie, die insgesamt 150 Kilowattstunden speichern kann.

Um die Ströme zu steuern und den Eigenverbrauch der Siedlung zu optimieren, hat Kaco New Energy aus Neckarsulm eigens einen Wechselrichter entwickelt, in den die Steuerfunktionen integriert sind. Der Wechselrichter leistet 120 Kilowatt, er verknüpft die Solarmodule mit den Stromkreisen der Wohnhäuser, mit der Zentralbatterie und dem Stromnetz. Damit eröffnet Kaco völlig neue Möglichkeiten, auch größere Siedlungen oder Fabriken aus Solarstrom zu versorgen. „Mit der Umsetzung des Energiemanagements für einen Quartierspeicher beweist Kaco, dass wir nicht in der Position eines Komponentenherstellers verharren, sondern für unsere Kunden auch hochintegrierte, komplexe Systeme realisieren können“, kommentiert Geschäftsführer Ralf Hofmann.

 

Blaupause für Gewerbebetriebe

Noch vor einem Jahr wären solche Projekte undenkbar gewesen. Stromspeicher galten bestenfalls als visionäre Technik für morgen oder übermorgen. Doch der Wind hat sich überraschend schnell gedreht. Nicht nur für kleine Photovoltaikanlagen stehen Stromspeicher aus Blei oder Lithium-Ionen-Zellen zur Verfügung. Die Industrie bietet bereits Großbatterien ab 100 Kilowattstunden Speicherkapazität an, bis hinauf zu zwei oder mehr Megawattstunden.

Im Großgeschäft spielen die Bleibatterien jedoch keine Rolle. Sie sind zu schwer, zu klobig und vor allem zu schwach auf der Brust, denn ihre Energiedichte reicht nicht aus. Auch ist die Zahl der Ladezyklen mit 3.500 nur rund halb so groß wie bei den Lithium-Ionen-Akkus. Lithium-Batterien kann man komplett entladen, Bleibatterien zersetzen sich bei zu tiefer Entladung. Auch weisen die Lithium- Batterien eine 50 bis 80 Prozent niedrigere Selbstentladung auf.

Die großen Batterien werden in speziellen Containern anschlussfertig geliefert. So hat die Firma Saft Batterien das betriebsfertige Containersystem Intensium Max auf den Markt gebracht. Das Basiselement ist das Speichermodul Synerion 24 M aus Lithium-Ionen-Zellen. Die Module sind in Schränken eingebaut und bestehen aus zehn Parallelsträngen, von denen jeder aus 29 Batteriemodulen mit 24 Volt Einzelspannung besteht. Die Nennspannung beträgt 700 Volt, die Gesamtkapazität 56 Kilowattstunden. Der Intensium Max wird im 20-Fuß-Standardcontainer geliefert. Mehrere Container lassen sich in ein größeres Energiespeichersystem integrieren, um hohe Erträge und Leistungen zu puffern, auch für Megawattanlagen.

Gigantische Speicher aus Lithium

Mit 150 Kilowattstunden ist der Akku von Weinsberg relativ bescheiden. So stellte Siemens einen Großspeicher aus Lithium-Ionen-Zellen vor, der 500 Kilowattstunden aufnehmen kann. Ein Solarkraftwerk mit einem Megawatt Leistung kann also eine halbe Stunde lang die Batterie beladen, sollte das Netz ausgefallen oder überlastet sein. Andererseits kann der Gigant eine halbe Stunde lang Strom liefern, auch wenn keine Sonne scheint. Die Zellen und das Überwachungssystem stammen von Panasonic. Siemens will den neuen Großspeicher Siestorage einsetzen, um Solarparks am Netz besser zu regeln und kurzfristige Netzstörungen auszugleichen. Der Siestorage besteht aus 280 Speichermodulen. Siemens bietet das Kraftpaket in einer kompletten Containerversion an, damit ist sogar die Nachrüstung bestehender Solarparks möglich, inklusive Leistungselektronik.

Stromreserven für die Börse

Ein etwas kleineres System hat Leclanché vorgestellt, ein Schweizer Hersteller. Gemeinsam mit dem deutschen Partner Ads-Tec hat sich das Unternehmen auf Batteriepakete für die Windkraft spezialisiert. Vier Rack-Batterien, die jeweils aus 13 Speichermodulen bestehen, stellen eine Gesamtkapazität von 100 Kilowattstunden bereit.

Das neue System wird ab Sommer 2013 an die Kunden ausgeliefert. „Die industrielle Stromspeicherung gewinnt zunehmend an Bedeutung“, sagt Ulrich Ehmes, Boss von Leclanché. „Unsere Batterien erlauben bis zu 15.000 volle Lade- und Entladezyklen, der keramische Separator bietet ein Höchstmaß an Sicherheit. Solche Speichersysteme werden eine entscheidende Rolle für eine weltweite Energiewende und die Versorgungssicherheit durch erneuerbare Energien für die Industrie spielen.“ Durch die keramische Sperre hat Leclanché auch das Problem gelöst, dass sich die Lithium-Ionen-Akkus unter Umständen selbst entzünden.

Eine Batterie, so groß wie eine Turnhalle, planen die Robert Bosch GmbH und ein Bürgerwindpark im norddeutschen Braderup. Im Februar vereinbarten Bosch und die Betreibergesellschaft, einen Lithium-Ionen-Speicher mit vier Megawattstunden Speicherkapazität aufzubauen. „Das Projekt ist ein Meilenstein auf dem Weg zur künftigen Stromversorgung mit erneuerbaren Energien“, sagt Cordelia Thielitz, Projektleiterin bei Bosch. „Wir erwarten viele neue Erkenntnisse darüber, wie Speicher die Stromnetze stabilisieren. Um die Stromversorgung auch an wind- und sonnenarmen Tagen zu sichern, kommt ihnen eine zentrale Rolle zu.“

Von Braderup sind es nur wenige Kilometer bis zur Nordseeküste oder nach Sylt. Durch den schnellen Ausbau der Windenergie sind die Netze im Norden Deutschlands oft überlastet. Dann müssen einzelne Windparks vom Netz genommen werden, ihre Energie geht verloren. Um diese Verluste zu vermeiden, wird Bosch das neue Batteriesystem bauen, betreiben und ins Stromnetz integrieren.

Vier Stunden lang ein Megawatt

Die Batterie kann vier Stunden lang eine Leistung von einem Megawatt abgeben, hat also eine Kapazität von vier Megawattstunden. Rechnerisch versorgt sie etwa 400 Einfamilienhäuser einen ganzen Tag lang mit Strom. Die Batterie bekommt eine eigene Halle, mit knapp 600 Quadratmetern Grundfläche. Im Juli soll sie fertig sein und am Netz hängen. „Wenn die Batterie installiert ist, können wir regenerative Energien auch dann anbieten, wenn der Wind nicht weht“, sagt der Landwirt Jan Martin Hansen, der das Projekt vonseiten der Windparkbetreiber betreut. Gespeist wird die Riesenbatterie aus sechs Windrädern mit jeweils 3,3 Megawatt Leistung. Bosch hat die Leistungselektronik und die Batteriesteuerung entwickelt. Der Konzern testet in Braderup verschiedene Betriebsvarianten, unter anderem für den Stromhandel an der Strombörse und die Stabilisierung des Stromnetzes.

Hohe Energiedichte durch Natrium

In den Laboren der Wissenschaftler warten mindestens zwei neue Konzepte darauf, zu reifen: Batterien mit Natrium und Schwefel sowie die Redox-Flow-Batterien. Die Natrium-Schwefel-Akkumulatoren nutzen ein keramisches Elektrolyt aus Grafitgewebe und flüssige Elektroden aus geschmolzenem Schwefel. Dabei wirkt der Elektrolyt als Leiter für Natriumionen, in der Regel ist es ein Natriumaluminat oder Natriumoxid, in dem die Natriumionen ab 270 Grad Celsius beweglich werden. Während der Entladung oxidiert Natrium am keramischen Elektrolyt und bildet positiv geladene Ionen. Sie wandern durch die Keramik zur Schwefelseite, wo Natriumpentasulfid entsteht. Wird der Akku geladen, kehrt sich der Prozess um.

Bei geringer Entladung sind einige Zehntausend Ladezyklen möglich. Wird der Akku immer auf zehn Prozent entladen, sinken die Ladezyklen auf wenige Tausend. Die Akkus sind gegen Tiefentladung sehr empfindlich und zeigen Verschleißerscheinungen, bis hin zum Totalausfall durch thermische Schäden im Zellinnern.

Einige Ideen aus den 1970ern

Dieser Akkutyp wurde bereits in den 1970er-Jahren entwickelt, er hat zwei gravierende Nachteile: Zum einen benötigt er hohe Betriebstemperaturen von 270 bis 350 Grad Celsius, um die Elektroden flüssig zu halten und ausreichend Energiefluss zu erlauben. Soll heißen: Dieser Akku braucht eine Heizung. Zum anderen muss er gut gegen Feuchtigkeit geschützt werden, weil das Natrium sehr heftig – explosiv – mit Wasser reagiert. Dafür liegt die Speicherdichte vergleichsweise hoch, über 200 Wattstunden pro Kilogramm. Bisher werden diese Batterien vornehmlich in Japan gefertigt, von den Firmen NGK Insulators, Hitachi und GS Yuasa.

Seit drei Jahren forscht die Berliner Firma Younicos an den Natrium-Schwefel-Batterien, um sie für die Photovoltaik weiterzuentwickeln. Die Experimente haben zum Ziel, die Stromversorgung von Inseln im Atlantischen oder Indischen Ozean mit gigantischen Batteriepaketen zu puffern. Damit wäre die Vollversorgung aus Sonnenkraft und Windstrom möglich – ade teurer Strom aus Dieselaggregaten. Die Batteriepakete in der Versuchshalle im Berliner Stadtteil Adlershof können bis zu zwei Megawattstunden Strom aufnehmen.

Die Idee zur Redox-Flow-Batterie stammt gleichfalls aus den 1970er-Jahren: Die galvanische Zelle wird durch eine Membran in zwei Halbzellen geteilt. Der Elektrolyt fließt an der Membran vorbei. Die Elektroden bestehen meist aus Grafitfilzen. Der Elektrolyt besteht aus Salzen, die in Lösungsmittel schwimmen.

Übliche Redoxpaare sind Verbindungen aus Titan, Eisen, Chrom, Vandium, Cer, Zink, Brom und Schwefel. Vanadium-Redox-Akkumulatoren werden bereits als Stromspeicher im Mobilfunk und Puffer für Windkraftanlagen eingesetzt. Darin wirkt Bromid als chemischer Sparringspartner für das Vanadium. Deren Energiedichte erreicht bislang nur rund 70 Wattstunden je Liter Elektrolytflüssigkeit. Die auch als Flussbatterien bezeichneten Akkus haben aber einen hohen Wirkungsgrad, entladen sich von selbst kaum und haben eine hohe Lebensdauer, denn die Elektroden werden chemisch nicht angegriffen.

Der Ladevorgang lässt sich bis zu 10.000 Mal wiederholen. Solche Akkus sind bereits auf dem Markt erhältlich. Mit dem Cellcube FB 10-100 und dem Cellcube FB 200-400 bietet die A+F GmbH ein spezielles Batteriepaket für die Photovoltaik. Der Cellcube FB 10-100 kann mit bis zu zehn Kilowatt geladen oder entladen werden, er stellt bis zu 100 Kilowattstunden bereit. Der Cellcube FB 200-400 zeichnet sich durch eine Leistung bis zu 200 Kilowatt sowie eine Speicherkapazität von maximal 400 Kilowattstunden aus. Mit dieser Großbatterie lassen sich bis zu 80 Vier-Personen-Haushalte eine Nacht lang mit Strom versorgen.

Großspeicher für Regelenergie

Die Berliner Firma Younicos und der koreanische Batteriehersteller Samsung SDI haben einen wichtigen Durchbruch in der Speicherung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen erzielt. Die Unternehmen stellten in Berlin einen Großspeicher her, mit dem Stadtwerke und kommunale Versorger künftig in den Stromhandel und die Netzsteuerung eingreifen können. Der Speicher besteht aus Lithium-Ionen-Zellen von Samsung SDI. Er leistet zehn Megawatt, seine Speicherkapazität liegt bei zehn Megawattstunden. Der Preis liegt bei 15 Millionen Euro. Anstatt in neue Kohlekraftwerke zu investieren, können beispielsweise die Stadtwerke damit Stromüberschüsse in die verbrauchsstarken Stunden verschieben.

„Seit 2007 haben wir alle industriell verfügbaren Lithium-Zellen getestet. Samsung bietet die wirtschaftlich am besten geeignete Technologie, um kurzfristige Schwankungen im Netz auszugleichen“, erläutert Clemens Triebel, Gründer und Sprecher des Vorstands von Younicos. „Mit der 20-jährigen Garantie von Samsung setzen wir einen neuen Standard in diesem sich schnell entwickelnden Markt. Unsere Batterieparks erbringen wichtige Systemdienstleistungen schneller, effizienter und günstiger als konventionelle fossile Kraftwerke. Das ist die Voraussetzung, um Kohle- und andere thermische Kraftwerke ausschalten zu können, wenn genug Wind- und Sonnenenergie vorhanden ist.“

Bei diesem Preis ist es für Stadtwerke viel lukrativer, in die Batterien zu investieren als in eigene Kraftwerke. Das Investitionsrisiko, das sich aus dem volatilen Strommarkt und den Kosten für fossile Brennstoffe ergibt, wird dadurch erheblich verringert. Younicos und Samsung wollen ihre erste Zusammenarbeit nun in einer langfristigen Partnerschaft vertiefen, um die Großspeicher möglichst schnell in den Markt zu bringen. Denn ihnen kommt eine Schlüsselrolle bei der Vollversorgung aus Windkraft und Sonnenenergie zu. Samsung wird die Leistung der verwendeten Zellen 20 Jahre garantieren. Die Autoindustrie gibt bei vergleichbaren Batterien bislang nur sieben Jahre Garantie.

Der Großspeicher besteht aus unzähligen Racks, die in mehreren Blöcken zusammengefasst werden. In jedem Rack stecken 16 Einzelzellen aus Lithium-Eisenposphat, jeder Batterieschrank leistet 200 Kilowatt. Für den Zehn-Megawatt-Speicher braucht man 50 Schränke, das entspricht etwa einer Turnhalle. Der Speicher wird anschlussfertig mit Leistungselektronik, Lademanagement und Anschlusstechnik für das Stromnetz geliefert. „Mit unserer Partnerschaft können wir unseren Kunden auf ihre jeweiligen Anforderungen zugeschnittene Lösungen anbieten“, stellt Y. C. Yoon in Aussicht, Chef der Sparte Energielösungen bei Samsung SDI. „Gemeinsam können wir auf signifikante Erfahrungen und Fähigkeiten im Bereich von Lithium-Ionen-Batterien und Systemintegration zurückgreifen.“

Die schlüsselfertigen Batterieparks werden innerhalb von zwölf Monaten errichtet. Sie stellen sämtliche Systemdienstleistungen wie Frequenzregelung, Spannungshaltung, Schwarzstartfähigkeit und Kurzschlussleistung bereit. Sie sind eine ideale Ergänzung zum Netzausbau und helfen, die hierfür nötigen Investitionen deutlich zu senken.

Younicos betreibt seit Dezember 2012 bereits das europaweit erste Großbatteriesystem mit einem Megawatt Leistung, um damit Primärregelenergie für den regionalen Versorger Vattenfall zu liefern. Diese Batterie besteht aus Natrium und Schwefel. Sie steht in der Versuchshalle von Younicos im Berliner Stadtteil Adlershof. Die Batterie gleicht Netzschwankungen aus, indem sie Strom aus dem Berliner Netz entnimmt oder einspeist. Auf diese Weise will Vattenfall die Netzfrequenz von 50 Hertz ohne sogenannte Must-Run Units regeln. Das sind fossile oder nukleare Kraftwerke, die im Teillastbetrieb laufen, um schnell zusätzliche Leistungsreserven verfügbar zu machen.

Obwohl sie kaum benötigt werden, verstopfen sie die Leitungen und laufen mit unwirtschaftlicher Auslastung. „Der Einsatz von Batterien am Primärregelleistungsmarkt entlastet die Netze, schafft mehr Platz für erneuerbare Energien – und ermöglicht ganz neue Geschäftsmodelle“, meint Clemens Triebel von Younicos. Alfred Hoffmann, bei Vattenfall für den Bereich Asset Optimisation Continental verantwortlich, sagt: „Großbatterien ergänzen die bisherige Erzeugung. Vattenfall arbeitet daran, weitere, noch größere Batterien in die Steuerung seines Kraftwerksparks einzubinden und zu betreiben.“

Die Großbatterie kann innerhalb von 200 Millisekunden auf Netzstörungen oder Frequenzabweichungen reagieren. Konventionelle Kraftwerke brauchen dafür bis zu 30 Sekunden. Dadurch reagiert die Batterie viel schneller und effizienter. Vattenfall vermarktet die Batterie im Pool mit anderen Erzeugungseinheiten am Markt für Primärregelleistung. Das Unternehmen garantiert auch dann die Bereitstellung der Leistung, wenn die Einheit beispielsweise aufgrund von Wartungsarbeiten nicht zur Verfügung steht.

 http://www.younicos.com/de/loesimhem/batterieparks