Grundlagen der Energiespeicherung – Von der Zellchemie bis hin zu netzgebundenen Speichern und dem Batteriemanagementsystem

Mittags herrscht ein Überschuss an Solarstrom, abends hingegen ein Mangel. Windenergie liefert mehr oder weniger Strom als prognostiziert. Netzspeicher überbrücken diese zeitliche Lücke und übernehmen die Frequenzregelung im Sekundenbereich sowie die Lastspitzenverschiebung im Stundenbereich. Ein Speicher erzeugt jedoch keinen Brennstoff – er kann nur einen Bruchteil der zum Laden benötigten Energie zurückgeben. In der Energietechnik müssen daher neben der Kapazität (kWh) auch Leistung (kW), Ansprechzeit, Lebensdauer, thermische Sicherheit und Netzanbindung gleichzeitig bewertet werden.

18650 / 21700 Zellen

BMS-Steuerplatine

Bilder: 18650 und 21700 Lithium-Ionen-Akkuzelle (Sevenethics, CC0) / Asus Zenbook UX31E Akku-Controller (Raimond Spekking, CC0) BY-SA 4.0), Wikimedia Commons. Repräsentative Fotos von Zellen und Batteriemanagementsystem (BMS), kein Produkt für stationäre Speichersysteme.

Das Wichtigste in 30 Sekunden

• Die Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen bestimmt die Spannung; die Anzahl der parallel geschalteten Zellen bestimmt die Kapazität und den maximalen Strom. Die Nennenergie kann als E=N_sN_pV_{cell}Q_{cell} geschätzt werden.

• Lithium-Ionen-Batterien bieten einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Energiedichte, ihre Lebensdauer variiert jedoch mit Temperatur, Ladestrom und Ladezustand (SOC). LFP-, NMC-, Natrium-Ionen- und andere Batterietypen haben je nach Anwendung ihre jeweiligen Stärken.

• Das Batteriemanagementsystem (BMS) überwacht Zellspannung, Stromstärke, Temperatur und Isolation und schätzt den Ladezustand (SOC), den Degradationsgrad (SOH) und die verfügbare Leistung (SOP). Verwechseln Sie nicht die Schutzschwellenwerte mit den Schätzwerten.

• Für Netzanwendungen sind die Kurzzeit-Frequenzregelung, die Glättung der Einspeisung erneuerbarer Energien, die stündliche Energieverschiebung und der Schwarzstart bei Stromausfällen jeweils separat ausgelegt.

Vergleichen Sie nicht nur den Preis der Batterie selbst, sondern auch die Gesamtspeicherkosten (LCOS), die Rack, PCS, Transformator, Feuerlöschanlage, Ersatzzellen und Entsorgung umfassen.

1. Von der Zelle zum Rack

Die elektromotorische Kraft einer einzelnen Zelle wird durch die Potenzialdifferenz zwischen ihren positiven und negativen Elektroden bestimmt. Die Reihenschaltung von Zellen erhöht die Spannung; die Parallelschaltung von Zellen erhöht die Kapazität und den zulässigen Strom. Die ideale Energie beträgt

Beispielsweise ergibt die Anordnung von 3,2-V-LFP-Zellen mit 100 Ah in Reihenschaltung von 100 Zellen und Parallelschaltung von 10 Strängen eine Nennenergie von etwa 32 kWh. Die tatsächlich nutzbare Kapazität wird unter Berücksichtigung der oberen/unteren SOC-Grenzen, der Temperatur, der Degradation und des Wirkungsgrads des PCS geschätzt.

Abbildung 1 – Eine Batterie wird durch Hinzufügen weiterer Zellen größer, aber erst durch die Integration von Spannungsüberwachung, Wärmemanagement, Schützen, Feuerlöschanlage, PCS und Transformator wird sie zu einem vollständigen Energieversorgungssystem.

2. Wahl der Chemie

Das Material der positiven Elektrode hat einen großen Einfluss auf Energiedichte, Lebensdauer, Kosten und Sicherheit. NMC (Nickel-Mangan-Kobalt) erzielt tendenziell eine hohe Energiedichte, was in Fahrzeugen und anderen Anwendungen mit begrenztem Volumen von Vorteil ist. Allerdings müssen thermische Stabilität und Ressourcenkosten beachtet werden. LFP (Lithium-Eisenphosphat) weist eine geringere Energiedichte auf, punktet aber mit thermischer Stabilität, Zyklenfestigkeit und einer Lieferkette, die kein Kobalt benötigt. Natriumionen sind aufgrund ihrer Tieftemperatureigenschaften und der Verfügbarkeit von Ressourcen vielversprechend, ihre Energiedichte pro Volumeneinheit bleibt jedoch hinter der von Lithium-Ionen-Batterien zurück.

Graphit ist nach wie vor das dominierende Material für die negative Elektrode. Derzeit wird an der Beimischung von Silizium zur Kapazitätserhöhung geforscht. Silizium erfährt jedoch beim Laden und Entladen große Volumenänderungen, und Partikelbruch sowie anfänglicher irreversibler Kapazitätsverlust stellen weiterhin Herausforderungen dar. Festkörperbatterien, die einen festen Elektrolyten verwenden, können potenziell Auslaufen und Entflammbarkeit reduzieren, jedoch bleiben Grenzflächenwiderstand, der erforderliche Anpressdruck, die Fertigungsausbeute und die Ionenleitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen Hindernisse für den praktischen Einsatz.

3. Das BMS ist keine Tankanzeige

Ein BMS (Batteriemanagementsystem) erfasst Spannung, Temperatur und Strom jeder Zelle und berechnet den zulässigen Lade- und Entladebereich. Der Ladezustand (SOC) kann mittels Coulomb-Zählung verfolgt werden,

der Offset des Stromsensors akkumuliert sich jedoch mit der Zeit. Die Drift wird durch Abgleich mit der Leerlaufspannung (OCV), einem erweiterten Kalman-Filter oder einem Ersatzschaltbildmodell korrigiert. Der Zustand der Gesundheit (SOH) wird durch separate Erfassung des Kapazitätsverlusts und des Anstiegs des Innenwiderstands geschätzt, und der Betriebszustand (SOP) berechnet die aktuell maximal verfügbare Leistung aus Temperatur, SOC und Widerstand.

Bei großen Zell-zu-Zell-Schwankungen erreicht die schwächste Zelle zuerst ihre obere oder untere Leistungsgrenze und schaltet den gesamten Akku ab. Passives Balancing, bei dem Energie über einen Widerstand abgeführt wird, ist einfach, führt aber zu Energieverlusten in Form von Wärme. Aktives Balancing, bei dem Energie über Kondensatoren oder Induktivitäten verteilt wird, ist effizienter, erhöht jedoch die Komplexität der Schaltung. In großen Racks sind Zellüberwachungs-ICs, isolierte Kommunikationsschnittstellen, Schütze, Vorladewiderstände und Sicherungen redundant integriert.

4. Thermisches Design und Sicherheit

Die Wärmeerzeugung lässt sich näherungsweise wie folgt darstellen:

Der erste Term beschreibt die Widerstandserwärmung, der zweite den entropischen Term der Reaktion. Hohe C-Raten, Laden bei niedrigen Temperaturen und interne Kurzschlüsse innerhalb einer Zelle erhöhen die lokale Wärmeerzeugung. Eine große Temperaturstreuung führt außerdem zu unterschiedlichen Degradationsraten und konzentriert den Strom weiter auf die schwächeren Zellen.

Thermisches Durchgehen ist das Phänomen, bei dem die Wärmeerzeugung die Kühlung übersteigt und Elektrolytzersetzung, Gasbildung und Wärmeausbreitung auf benachbarte Zellen eine Kettenreaktion auslösen. Dem wird durch eine Kombination aus Temperatursensoren, Sicherungen, Entlüftungsöffnungen, Rack-Abständen, Rauch-/Gasmeldern, Wassersprüh- oder Inertgaslöschanlagen, Abluftanlagen und einem Evakuierungsplan entgegengewirkt. Das Bestehen eines standardisierten Tests garantiert keine Sicherheit, wenn die Belüftungs- und Brandschutzeinrichtungen am Installationsort unzureichend sind.

5. Passende Anwendungsfälle im Netz

Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) | ms – Minuten | Umschaltzeit, Zuverlässigkeit | USV, Koordination mit Notstromaggregaten |

Schwarzstart | Minuten – Stunden | Inselbetrieb, Synchronisierung | Netzbildendes PCS |

Frequenzregelung erfordert hohe Leistung über einen kurzen Zeitraum; Lastspitzenverschiebung erfordert hohe Kapazität über einen langen Zeitraum – die benötigten kW und kWh unterscheiden sich. Eine größere Batterie löst nicht alle Probleme; Lebensdauer und Netzanschlusskapazität haben oft Vorrang. Ob das PCS netzfolgend oder netzbildend arbeitet, bestimmt auch, ob es im Falle eines Stromausfalls als eigenständige Spannungsquelle fungieren kann.

6. V2G und Second Life

V2G (Vehicle-to-Grid) nutzt verteilte Batterien zur Regelung der Netzspannung. Dabei werden Elektrofahrzeuge gebündelt und ihre Energie ins Netz zurückgespeist. Dies erfordert die gleichzeitige Optimierung von Abfahrtszeiten der Nutzer, Ladezustand, Verteilungsleitungskapazität und Kosten der Batteriealterung und wirft zudem Bedenken hinsichtlich Kommunikationslatenz und Datenschutz auf. Virtuelle Kraftwerke (VPP), die Heimbatterien und Warmwasserbereiter bündeln, basieren auf demselben Prinzip.

Die Wiederverwendung von Batterien, die ihre Lebensdauer in Fahrzeugen erreicht haben, für den stationären Einsatz bietet das Potenzial, die bei der Herstellung entstehenden CO₂-Emissionen besser zu nutzen. Andererseits ist die SOH-Schwankung groß, wenn die Vorgeschichte einer Zelle unbekannt ist, und die Kosten für erneute Inspektion, Demontage und Garantieabwicklung steigen. Anstatt eines einfachen Preisvergleichs mit einer neuen Zelle sollte die Entscheidung den Fehler bei der Schätzung der Restkapazität und die Kosten für die Sicherheitsüberwachung berücksichtigen.

7. Ein Blick auf aktuelle Forschung

• Schnellladung und Leistung bei niedrigen Temperaturen: Forschung zu Elektrolyten, die die Lithiumplattierung unterdrücken, Wärmeregulierung und Negativelektrodenstruktur. Betrachten Sie den Kompromiss mit der Zyklenlebensdauer, nicht nur die Ladezeit.

• Natrium-Ionen-Batterien: Ziel ist die Reduzierung von Ressourcenengpässen und Kostensenkungen für stationäre Anwendungen. Prüfen Sie, ob Zellspannung und Energiedichte dem vorgesehenen Verwendungszweck entsprechen.

• Festkörperbatterien: Sie sollen Nichtbrennbarkeit und hohe Energiedichte bieten, jedoch stellen die feste Grenzfläche, der Anpressdruck und die Fertigungsausbeute weiterhin Engpässe dar.

• Digitale Zwillinge für die Degradation: Verknüpfung von Betriebshistorie, Temperatur, Impedanz und Teardown-Analyse zur Schätzung der Restlebensdauer als Wahrscheinlichkeitsverteilung.

• Recycling: Vergleich von Nass-, Trocken- und Direktregenerationsverfahren hinsichtlich Rückgewinnungsrate, Reinheit, Energieverbrauch und Logistik. Die Wirtschaftlichkeit ändert sich mit sinkenden Materialpreisen.

Die Angabe „X % Kapazitätsverbesserung“ in einer Forschungsarbeit ändert ihre Bedeutung je nach Elektrodenfläche, C-Rate, Temperatur und Zyklenlebensdauer. Der Übergang zu einem kommerziellen Rack erfordert neben der Einzelzellenleistung auch Tests zur thermischen Ausbreitung auf Modulebene, Kompatibilität der Steuerung mit dem PCS sowie einen Brandschutz-, Versicherungs- und Entsorgungsplan.

Zusammenfassung

Eine Antriebsbatterie ist ein System, das die chemische Zelle, das Batteriemanagementsystem (BMS), das Wärmemanagement, das Leistungsumwandlungssystem (PCS), den Transformator, die Kommunikationssysteme und die Brandbekämpfung kombiniert. Anstatt nur die kWh-Werte zu vergleichen, zeigt die Überprüfung der erforderlichen Laufzeit, der Spitzenleistung in kW, des Wirkungsgrads, der Lebensdauer und der Isolation im Fehlerfall, welche Chemie und Konfiguration tatsächlich für die jeweilige Anwendung geeignet sind.

Referenzen

• Internationale Energieagentur (IEA) — Batterien und sichere Energiewende
• [U.S. US-Energieministerium – Große Herausforderung im Bereich Energiespeicherung – NREL – Energiespeicherung – IEC 62619 – Industrielle Lithium-Sekundärzellen und -Batterien – Japanischer Batterieverband