Battery Energy Storage Systems

Ein Batterie-Energiespeichersystem (Battery Energy Storage System, BESS) ist ein Energiespeicher, der zur Speicherung von Energie für eine spätere Verwendung eingesetzt wird. Ein BESS kann aufgeladen werden, wenn die lokale Stromproduktion hoch oder die Strompreise niedrig sind, um dann entladen werden, um entweder andere Geräte mit Strom zu versorgen, oder den Strom zu hochpreisigen Zeitpunkten wieder in das Netz einzuspeisen. Ein BESS unterstützt Haushalte dabei, die Selbstversorgung zu maximieren sowie die Netzstabilität zu wahren.

Warum werden Batterie-Energiespeichersysteme benötigt?

BESS sind ein entscheidender Bestandteil erneuerbarer Energiesysteme. Ein Batterie-Energiespeichersystem wirkt den Schwankungen der erneuerbaren Energieversorgung entgegen, indem es Strom bei Bedarf freisetzt, um einen kontinuierlichen Stromfluss für Versorgungsunternehmen, Unternehmen und Haushalte zu gewährleisten. Aufgrund der sinkenden Preise für Batterien stellen Batterie-Energiespeichersysteme eine kostensparende Alternative dar.

Wie funktioniert ein Batterie-Energiespeichersystem?

Ein BESS ist in der Lage, Energie aus verschiedenen Quellen zu erfassen und in wiederaufladbaren Batterien für die spätere Nutzung zu speichern. In einem Haushalt könnte diese Energie dann in Zeiten der Spitzennachfrage genutzt werden, wenn die Preise hoch sind oder wenn die lokale Erzeugung gering oder nicht möglich ist, um die Kosten zu senken. Netzgebundene Batterien speichern größere Energiemengen, die als flexible Ressource genutzt werden können, um bei Bedarf größere Regionen zu versorgen. Durch die Entladung der gespeicherten Energie bei Bedarf ist ein BESS eine hochflexible Anlage, die einen Ausgleich zwischen Energiebedarf und -erzeugung schafft.

Arten der Energiespeicherung

Es gibt drei Hauptformen der Energiespeicherung:

• Mechanisch: Energie wird durch Rotationsbewegungen gespeichert, zum Beispiel in einem Schwungrad. Hier dreht sich ein Motor-Generator-System mit hohen Drehzahlen und wandelt mechanische in elektrische Energie um. Sie haben schnelle Reaktionszeiten und einen hohen Wirkungsgrad, aber eine sehr begrenzte Energiespeicherzeit von nur 15 Minuten.
• Thermisch: Elektrizität wird mit Hilfe einer Wärmepumpe in Wärme umgewandelt und in einem isolierten Tank in einem heißen Material wie Wasser oder Sand gespeichert. Bei Bedarf wird die Wärme entweder zu Heizzwecken genutzt oder wieder in Strom umgewandelt. Dies ist zwar für bestimmte Anwendungsfälle (beispielsweise solare Warmwasserbereitung) sehr effektiv, aber aufgrund des geringen Wirkungsgrads von 50-70 Prozent bei der Rückverstromung nicht für alle Anwendungen geeignet.
• Chemisch: Batterien nutzen chemisches Potenzial zur Energiespeicherung. Die herkömmlichen Formen sind:
  • Redox-Flow-Batterien: Liefern elektrische Energie aus flüssigen Elektrolytlösungen, die häufig auf dem Schwermetall Vanadium basieren. Der hohe Preis dieses Minerals in Verbindung mit dem relativ schlechten Wirkungsgrad und dem hohen Gewicht von Flussbatterien macht sie für bestimmte Anwendungen weniger geeignet.
  • Blei-Säure-Batterien: Basieren auf elektrochemischen Lade-/Entladereaktionen, die zwischen einer positiven Elektrode, die Bleidioxid enthält, und einer negativen Elektrode, die schwammiges Blei enthält, stattfinden. Sie werden häufig in Antriebsanwendungen wie Gabelstapler oder als Starterbatterie eingesetzt. Sie sind zwar kostengünstig, besitzen aber eine geringe Energiedichte und eine kürzere Lebensdauer als Lithium-Ionen-Batterien und müssen regelmäßig gewartet werden. Zudem sind sie umweltverschmutzend.
  • Lithium-Ionen-Batterien: Bestehen aus zwei elektrischen Anschlüssen, einer Kathode und einer Anode, die durch ein chemisches Material, die Elektrolyten, getrennt sind. Um Energie aufzunehmen und abzugeben (zum Laden und Entladen), ist die Batterie mit einem externen Stromkreis verbunden. Die Elektronen und Ionen bewegen sich dann in beide Richtungen durch den Stromkreis und die Elektrolyten, wodurch das chemische Potenzial entsprechend erhöht oder verringert wird.

Die bekannteste Form: Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien sind zwar nicht die perfekte Lösung, allerdings haben sie sich als Energiespeicher durch ihren hohen Wirkungsgrad von circa 80 bis90 Prozent durchgesetzt. Sie sind die fortschrittlichste Technologie, die vielfältige, integrierte und komplexe Use Cases ermöglicht. Außerdem sind die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien in den letzten Jahren stetig gesunken, was sie zunehmend kostengünstig und attraktiv macht.

Dr. Lennard Wilkening, CEO & Mitgründer der suena GmbH, bezeichnete die Lithium-Ionen-Batterie als "das Schweizer Taschenmesser der Energiewende. Wir können sie für so viele verschiedene Anwendungsfälle nutzen, sie hat schnelle Reaktionszeiten und einen sehr guten Wirkungsgrad."

Was ist ein Batterie-Energiespeichersystem?

Ein BESS kann aus den folgenden Teilen bestehen:

• Die Batterie ist das Herzstück des BESS. Sie speichert Strom, der bei Bedarf abgegeben werden kann. Es kann sich entweder um eine Lithium-Ionen-, eine Bleisäure- oder eine Durchflussbatterie handeln.
• Ein Energieumwandlungssystem (PCS) verwendet einen bidirektionalen Wechselrichter, um die elektrische Energie von Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) und zurück umzuwandeln. Wechselrichter gibt es entweder als Inselwechselrichter, die unabhängig vom Netz arbeiten, oder als netzgekoppelte Wechselrichter, die mit dem Netz synchronisiert sind, so dass in der Batterie gespeicherter Strom in das Netz zurückgespeist werden kann.
• Isolationmonitore sichern die Erdschlussüberwachung und erkennen unerwünschte Lecks, bevor es zu Fehlern kommt. Die Echtzeitüberwachung unterstützt die frühzeitige Erkennung von Isolationsverschlechterungen.
• Ein Gleichstromunterbrecherist eine Schutzvorrichtung, die das BESS vor direktem Überstrom schützt und als Steuergerät dient.
• Ein Wechselstrom-Schutzschalter ist dem Gleichstrom-Schutzschalter ähnlich und schützt das BESS vor aktivem Überstrom.
• Das Überspannungsschutzgerät (SPD ) schützt das BESS und alle angeschlossenen Anlagen vor Überspannungen.
• Die Speichergehäuse gewährleisten den physischen Schutz der Batterien und der zugehörigen Elektronik, einschließlich der Sicherheitsfunktionen.

• Ein Batteriemanagementsystem (BMS ) ist das Gehirn des BESS und hat in erster Linie die Aufgabe, dafür zu sorgen, dass die Batterie innerhalb der vorgegebenen Bereiche für mehrere kritische Parameter arbeitet, einschließlich des Ladezustands (SoC), des Gesundheitszustands und der Spannungstemperatur.
• Zu den Sicherheitssystemen gehören Brandbekämpfungssysteme, Überstromschutz und thermischer Durchschlagschutz für einen sicheren Betrieb.

Ein Energiemanagementsystem (EMS) ist eine optionale, aber wichtige Ergänzung zu einem BESS. Es steuert auf intelligente Weise das Laden und Entladen in Übereinstimmung mit anderen Energieanlagen und dem Netz. Das EMS kommuniziert direkt mit dem Wechselrichter und dem BMS, um externe Datenpunkte von angeschlossenen Energieerzeugungsanlagen zu berücksichtigen (mehr dazu weiter unten).

Standorte und Arten von BESS

Der Standort von Batteriespeichersystemen kann in zwei Haupttypen eingeteilt werden:

• Front-of-the-Meter-Systeme (FTM) sind größere BESS, die direkt an das Stromnetz angeschlossen sind und Energie speichern, die für ganze Regionen oder industrielle Anwendungen bereitgestellt werden kann. Ihre Hauptfunktion besteht darin, Netzengpässe zu verringern, saisonale Energie zu speichern oder in Notsituationen abrufbare Reserveenergie bereitzustellen.
• Hinter-dem-Zähler-Systeme (BTM) oder kleine BESS werden in Häusern, an Ladestationen für E-Autos (EVs) oder in Gebäuden installiert und sind deutlich kleiner als FTM-Systeme. Ihre Hauptfunktion besteht darin, die Energieversorgung und Flexibilität von Endkonsument:innen zu erhöhen und die Kosten zu senken. Wenn der rechtliche Rahmen es zulässt, können sie auch Energie in das Netz zurückspeisen und als zusätzliche Einnahmequelle dienen.

Die Zukunft von BESS

Weltweit hat sich die Zahl der Batterie-Installationen zwischen 2022 und 2023 verdreifacht. Nach Angaben der European Battery Alliance wird der europäische Batteriemarkt im Jahr 2025 voraussichtlich bei einem Wert von rund 250 Milliarden Euro notieren. „Der Aufbau einer vollständigen inländischen Batterie-Wertschöpfungskette ist für eine nachhaltige Energiewende und eine wettbewerbsfähige Industrie unabdingbar“, heißt es dort.

So traten im Februar 2024 im Vereinigten Königreich eine Reihe neuer Reformen in Kraft, die eine größere Mehrwertsteuererleichterung für energiesparende Materialien vorsehen - mit besonderem Schwerpunkt auf Batteriespeichern. Die Reform wurde dahingehend erweitert, dass zusätzlich zu den bereits in einer früheren Erklärung erwähnten BESS in Verbindung mit PV-Anlagen eine Mehrwertsteuererleichterung von 20 % für Einzelbatterien und Nachrüstbatterien gewährt wird. Die Steuererleichterung macht Batteriespeicheroptionen attraktiver und stellt einen wichtigen Schritt bei der Umstellung auf saubere Energie für Großbritannien dar.

Laut LCP Delta war 2023 das erste Jahr, in dem die Energiespeicherkapazität in Europa zehn Gigawatt überstieg. Die Energieberatungs- und Forschungsgesellschaft geht davon aus, dass die Gesamtkapazität von knapp über 20 Gigawatt (2023) bis 2030 auf weit über 120 Gigawatt ansteigen wird – eine Versechsfachung. BESS für Haushalte werden zukünftig eine entscheidende Rolle spielen, da sie sowohl auf lokaler als auch auf systemweiter Ebene für Flexibilität sorgen.

Die Vorteile der Kombination von BESS und EMS

BESS und EMS gehören zusammen wie ein Boot und das Wasser. Beide können für sich allein existieren, aber man kann ein Boot nur dann sinnvoll nutzen, wenn man es zu Wasser lässt. Und man kann die wahre Weite der weltweiten Gewässer nur richtig schätzen, wenn man darauf fährt. So hilft auch die Kombination von BESS und EMS den Nutzer:innen dabei, beide wirklich zu schätzen und den größtmöglichen Nutzen aus der Kombination zu ziehen.

Der erste wichtige Schritt ist die Kombination von BESS mit einer PV-Anlage und einem EV. Dies bietet einem Haushalt ein hohes Maß an Flexibilität, um das BESS aufzuladen, wenn beispielsweise die Sonne scheint, und zu entladen, wenn diese Energie nicht mehr verfügbar ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das Fahrzeug immer dann aufgeladen ist, wenn Fahrer:innen es benutzen müssen. Um den Wert dieser Anlagen zu maximieren, ist jedoch ein EMS erforderlich, das ein solches Zusammenspiel koordiniert.

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Das EMS verwaltet auf intelligente Weise sowohl die Nutzung als auch die Speicherung von Strom im BESS, indem es die Stromflüsse ganzheitlich und dynamisch optimiert, um überschüssige Energie zu speichern, wenn sie verfügbar ist oder sie zu verteilen, wenn sie benötigt wird. In Use Cases der Elektromobilität kann ein BESS die Kapazität einer Ladestation praktisch erweitern, während Batterien in einem Home-Energy-Management-System (HEMS) ein enormes Flexibilitätspotenzial freisetzen.

Das EMS berücksichtigt die Strompreise, Energieprognosen und die Echtzeitlast am Standort, um die Nutzung der lokalen Solarenergie zu maximieren und die Kosten zu minimieren. So können zum Beispiel verschiedene Anlagen priorisiert werden, um festzulegen, wohin die gespeicherte Energie gelenkt wird, oder es können verschiedene EV-Lademodi gewählt werden, um sicherzustellen, dass bestimmte Anforderungen immer erfüllt werden.

In fortgeschritteneren Entwicklungsstufen von HEMS erhöhen Batterien auch den Wert von Nutzungszeittarifen (Time-of-Use-Tarife). Die automatische Speicherung von Energie aus dem Netz in Zeiten niedriger Preise und die Rückspeisung dieser gespeicherten Energie ins Netz in Zeiten hoher Preise ermöglicht es Nutzer:innen nicht nur, ihre Kosten zu minimieren, sondern bietet auch die Möglichkeit, Einnahmen zu erzielen.

Darüber hinaus bilden Batterien die Grundlage für fortschrittliche explizite Flexibilitätsdienste, wie die Primärregelleistung , Ausgleichsmärkte oder virtuelle Kraftwerke (Virtual Power Plants, VPPs). Durch die Bündelung der Flexibilität mehrerer BESS in einer einzigen einsatzfähigen Einheit haben Haushaltsbatterien auch das Potenzial, in größerem Umfang zur Netzstabilität beizutragen. Diese Anwendungsfälle sind von entscheidender Bedeutung, um ein System zu ermöglichen, das auf einem höheren Anteil an intermittierenden erneuerbaren Energien basiert.