Strom für lichtschwache Zeiten: Energieeffiziente Stromspeicherung in der TGA

Da die Elektrizität zu dem Zeitpunkt zur Verfügung stehen muss, wenn sie gebraucht wird, findet die elektrische Stromspeicherung im größeren Leistungsbereich mithilfe des Einsatzes von Pumpspeichern (potentielle Energie), Schwungrad (kinetische Energie), Druckluftspeicher, Spulen, klassischen Kondensatoren, elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren etc. statt.
In Zukunft wird ein immer höherer Anteil an Elektrizität mit einer Vielzahl an Kleingeneratoren, wie z.B. Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) oder PV-Anlagen erzeugt, der in den integrierten Energiespeichersystemen zwischengelagert wird. Die energieeffiziente Stromspeicherung erfolgt mittels elektrochemischer Speicher:

• Akkumulatoren mit internem Speicher (z.B. Pb, NiCd, Li-Ion)
• Akkumulatoren mit externem Speicher
• Primärbatterien mit externer Regeneration (z.B. Zn-Luft)
• Speicher mit flüssigen Aktivmassen (z.B. Vanadium-Redox-System)
• Gasspeicher (Elektrolyseur und Brennstoffzelle/Turbine).

Autarke Betriebsweise

Als Basis zur Stromspeicherung dient die Neufassung des EEG. Nach diesem Regelwerk ist für den Strom aus einer PV-Anlage mit einer Leistung von weniger als 30 kWp ab 2009 eine Vergütung von 25,01 Cent/kWh vorgesehen, der innerhalb des Gebäudes selbst verbraucht wird. Zusammen mit dem eingesparten Strom aus dem öffentlichen Netz (ca. 20 Cent/kWh) hat dieser Solarstrom eine Wertigkeit von ca. 45 Cent/kWh. Gegenüber der EEG-Vergütung von 43,01 Cent/kWh bedeutet dies jedoch nur einen „Bonus“ von 2 Cent/kWh, der allerdings mit jeder Preissteigerung beim Bezugsstrom weiter ansteigen wird.

Ein effektiver ökonomischer Vorteil zum Einsatz der Stromspeicher wird sich jedoch erst zu dem Zeitpunkt heraus kristallisieren, wenn der Solarstrom gegenüber dem konventionell erzeugten Strom konkurrenzfähig wird (Grid Parity), d.h. um 2015 oder früher. Das Ziel sollte daher sein, dass sich ab diesem Zeitpunkt jede weitere Effizienzsteigerung bei den PV-Zellen gegenüber dem konventionellen Strom zugunsten des Solarstromes bilanzieren wird. Zudem könnte es ab dem „Grid Parity“ sogar vorteilhaft sein, den Strom nicht nur tagsüber selbst zu verbrauchen, sondern auch über lichtschwache Zeiten. Generell bietet sich ein enormes Potenzial zum Einsatz von Stromspeicher auch für netzferne Gebäude und für eine autarke Betriebsweise an.

Für Einzelgebäude kommen in der Regel Batteriespeicher zum Einsatz (Sicherheits- und Notstrombeleuchtung, Brand- und Alarmmeldesysteme, Notstrom für OPs, Telekommunikation, Basic-Multi Switchingstationen, etc.). Größere elektrische Energiespeicher werden weiterhin von den Energieversorgern eingesetzt, z.B. zur Sicherung der Netzqualität, zur Überbrückung der Ausfall- und Hochfahrzeiten für Diesel-Notstrom- oder Gasturbinenanlagen.


Energiezellensystem „50 F“ (Brennstoffzellen-/Generator).

Akkumulatoren mit internem Speicher

Als Energiespeicher werden unterschiedliche Arten wieder aufladbarer Batterien verwendet (z.B. Pb, NiCd, Li-Ion). Je nach Anlagensystem sind jedoch nicht alle Batterien gleichermaßen geeignet.

Bleibatterie (Solarbatterien)

Bisher stellt sich zur Stromspeicherung die Verwendung von Bleibatterien als billigste und technisch ausgereifte Lösung mit einem hohen Wirkungsgrad dar. Der Nachteil liegt jedoch in der geringen Lebensdauer, dem hohen Gewicht und der laufenden Wartungskontrolle sowie der Erfordernis von destilliertem Wasser. Konventionelle Bleiplattenbatterien mit verdünnter Schwefelsäure als Elektrolyt sind nicht wartungsfrei, da ihr Säuregehalt regelmäßig geprüft werden muss. Zudem besteht bei diesem Batterietyp die Gefahr einer Trennung der Säure und Wasser innerhalb der Batterie. Dieses kann bei niedrigen Temperaturen zum Gefrieren des Wassers und somit zum Platzen der Batterien führen. Besser geeignet sind Blei-Gel-Batterien.

Nickel-Cadmium-Batterie

Als Konkurrent zur Bleibatterie wurde die Nickel-Cadmium-Batterie (NiCd) entwickelt, die bis auf die hohe Lebensdauer und die Robustheit gegenüber Temperaturen bis -40°C im Grunde nur mittelmäßige Werte aufweist. Als Nachteil gegenüber der Bleibatterie zeigt sich neben den höheren Herstellungskosten auch die verringerte Kapazitätsleistung nach Teilentladungen. Zudem enthält dieser Batterietyp geringe Anteile des hochgiftigen Schwermetalls Cadmium.
Die Vorteile der Nickel/Cadmium-Batterie gegenüber dem Bleisystem sind:

• höhere Energiedichte bei geringerem Gewicht
• lange Standzeit im entladenen oder teilentladenen Zustand
• gute Lagerfähigkeit ohne Notwendigkeit einer Nachladung
• bessere Entladeeigenschaften auch bei tiefen Temperaturen ohne Gefahr des Einfrierens des Elektrolyten.

Energiezellensystem „VS 5 hybrid“.

Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie

Bei der Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie (Zebra-Batterie) handelt es sich um eine Hochtemperaturbatterie, die ständig auf einer Betriebstemperatur um 350°C gehalten werden muss.
Die Vorteile der Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie gegenüber der Vanadium-Redox-Flow-Batterie kennzeichnen sich durch die höhere Lebensdauer und den  höheren Wirkungsgrad.
Das flüssige Natrium innerhalb der Natrium-Nickel-Chlorid-Batterien zeigt sich jedoch als problematisch, weil in der Regel Abdichtungsprobleme auftreten.

Natrium-Schwefel-Batterie

Die Natrium-Schwefel-Batterie ist ebenfalls eine Hochtemperaturbatterie, die ständig auf einer Betriebstemperatur um 350°C gehalten werden muss. Die Eigenschaften dieses Batterietyps sind analog zur Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie. Die Natrium-Schwefel-Batterien werden derzeit lediglich zur Stabilisierung innerhalb des Versorgungsnetzes eingesetzt.

Lithium-Ionen-Batterie

Mit der Verfügbarkeit von Lithium-Batterien im größeren Leistungsbereich wird auch der Einsatz für eine netzunabhängige Energieversorgung oder Energiezwischenspeicherungen interessant.
Eine wenige Hundertstel Millimeter dünne Membrane aus Keramik trennt den Plus- und Minuspol der Lithium-Ionen-Zellen. Die eingesetzte Separatormembrane verträgt deutlich höhere Temperaturen als die bisherigen Lösungen. Damit schützt sie vor Überhitzung und verhindert Kurzschlüsse.
Das Bestreben, die Nachteile der Lithium-Ionen-Batterien zu reduzieren, führte zur Entwicklung der Lithium-Polymer-Batterien. Die Lithiumionen werden beim Laden von der Anode in die Kathode eingelagert und beim Entladen wieder zurückgeführt. Die heute vermarktete Lithiumtechnologie arbeitet mit organischen Elektrolyten, wobei die Polymertechnologie die Fertigung von Hochleistungs- und Hochenergie-Batterien ermöglicht.

Lithium-Polymer-Batterien

Bei den Lithium-Polymer-Batterien bildet eine Lithiumfolie die Anode (Lithium-Metall-Polymer), ansonsten besteht das Anodenmaterial aus Graphit (C6). Feste bis gelartige polymere Elektrolytschichten gewährleisten die gute Leitfähigkeit der Lithiumionen und Trennung der Elektroden. Den hohen Investitionskosten stehen ein geringes Gewicht sowie ein extrem hoher Wirkungsgrad entgegen. Bei gleicher Kapazität sind Lithium-Eisen-Batterien um ein Vielfaches leichter als Gel-Batterien. Zudem verfügen die Li-Fe-Batterien über eine sehr viel höhere Energiedichte. Vergleich: Eine Gel-Batterie mit einer Kapazität von 150 Ah wiegt je nach Hersteller ca. 150 kg. Eine Li-Fe-Batterie mit gleicher Kapazität wiegt dagegen nur 28 kg. Zudem ist die Zyklenzahl einer Li-Fe-Batterie bis zu viermal höher als die einer Li-Ionen-Batterie und sogar bis zu sechsmal so hoch wie die einer Gel-Batterie.

Akkumulatoren mit externem Speicher

Zu diesen elektrochemischen Stromspeichern zählen:

• Primärbatterien mit externer Regeneration (z. B. Zn-Luft)
• Speicher mit flüssigen Aktivmassen (z. B. Vanadium-Redox-System)
• Gasspeicher (Elektrolyseur und Brennstoffzelle/Turbine).

Zink-Luft-Zellen als alternative Energiespeicher

Die Zoxy-Zelle prädestiniert sich mit einer Energiedichte von bis zu 300 Wh/kg für batteriegestützte DC-Versorgungen, sowohl für den Einsatz mit kleinen Leistungen und hohen Autonomiezeiten, z.B. bei IT- und Anwendungen für die Telekommunikation, als auch für höhere Leistungen, z.B. für Sicherheitsbeleuchtungen und USV-Anlagen. Neben Zink können auch andere Metalle, wie z.B. Aluminium oder Magnesium, verwendet werden. An der positiven Elektrode wird Luftsauerstoff reduziert. Das aktive Material ist nicht in der Elektrode enthalten, sondern wird je nach Bedarf der Atmosphäre entnommen. Unter Energiegewinnung wird das Zink zu Zinkoxyd umgewandelt. Die Einrichtung ist entladen, wenn kein Zink mehr zur Verfügung steht.

Vanadium-Redox-Flow-Batterie

Die Redox-Flow-Batterien funktionieren ähnlich wie eine Brennstoffzelle. Die Energie wird jedoch nicht in Elektronen, sondern in zwei Elektrolytflüssigkeiten, z.B. Vanadium oder Vanadium-Bromid, gespeichert. Die Vanadium-Redox-Flow-Batterie verwendet Salze, die in einem flüssigen Elektrolyt gelöst sind. Der Elektrolyt befindet sich in separaten Tanks und wird nur bei Bedarf zu den Elektroden und der Membran in der zentralen Reaktionseinheit gepumpt. Die energiespeichernden Elektrolyten zirkulieren in zwei getrennten Kreisläufen, zwischen denen in der Zelle mittels Membran der Ionenaustausch stattfindet. Das Aufladen erfolgt über den Austausch der Elektrolyten. Die Redox-Flow-Batterien haben eine hohe Energiedichte, einen Wirkungsgrad von bis zu 75% sowie eine lange Lebensdauer und hohe Zyklenfestigkeit.

Die Vorteile der Vanadium-Redox-Flow-Batterie liegen in der hohen Lebensdauer und in der Unempfindlichkeit gegen tiefe Entladungen.

Energiespeicher für den PV-Eigenverbrauch

Seit der Intersolar 2010 ist ersichtlich, dass einige Hersteller dem Markt interessante und energieeffiziente Innovationen im Segment der dezentralen Stromspeicherung für den PV-Eigenverbrauch präsentieren.

Als Basis für die Neuentwicklung der Wechselrichter in PV-Anlagen war zum einen die neugefasste Mittelspannungsrichtlinie entscheidend, die 2011 in vollem Umfang in Kraft tritt. Entsprechend dieser Richtlinie müssen PV-Anlagen mit mehr als 100 kW Einspeiseleistung bei Störungen am Netz bleiben und im Normalbetrieb Blindleistung bereitstellen. Zudem müssen diese Anlagen einen Beitrag zum Kurzschlussstrom liefern und bei Frequenzerhöhung Wirkleistungseinspeisung reduzieren. Diese gesetzlichen Vorgaben haben zur Folge, dass bereits einige Hersteller Energiezellensysteme mit integriertem Managementsystem entwickelt haben.

Energiezellensysteme

Die Fronius Energiezelle „25 F“ bzw. „50 F“ besteht als Gesamtsystem aus der regenerativen Energieerzeugung und -speicherung: Sie erfüllt die Funktionen des Elektrolyseur und die der Brennstoffzelle (PEM-Stack). Aus dem System wird elektrischer Strom (24 V DC bei der „25 F“ und 48 V DC bei der „50 F“) bereitgestellt.

Der Spitzenstrombedarf wird durch zusätzlich integrierte Batterien abgedeckt, wobei der Batterietyp und Kapazität je nach Anwendungsfeld unterschiedlich konzipiert sein kann.
Die Energiezelle „VS 5 hybrid“ von Voltwerk electronics wurde als batteriegestütztes Wechselrichtersystem zur Eigenverbrauchsoptimierung entwickelt. Der „VS 5 hybrid“ PV-Wechselrichter ermöglicht eine zeitlich flexible Nutzung von Solarstrom durch Speicherung nicht genutzter Strommengen. Die Speicherung von Solarstrom eröffnet dem Betreiber einer PV-Anlage die Möglichkeit, auch in lichtschwachen Zeiten, wie morgens, abends oder nachts, den Eigenbedarf mit Solarstrom abzudecken. Die Energie wird entweder direkt aus der PV-Anlage in das Stromnetz eingespeist, dem Speicher entnommen oder gleichzeitig aus beiden Quellen zur Verfügung gestellt. Nur für den Fall, dass aus diesen nicht genug Energie bereitgestellt werden kann, wird auf den Netzstrom zurückgegriffen. Neben der Netzeinspeisung von Sonnenstrom mit hohem Wirkungsgrad ermöglicht diese „Energiestation“ eine Verbesserung des Eigenverbrauchs sowie eine Überbrückung bei Netzausfällen (autarke Betriebsweise).

Das System besteht aus einer Kombination eines trafolosen 5-kW-Wechselrichters, einer Lithium-Ionen-Batterie mit einer Kapazität von 5 kWh sowie einem Managementsystem. Die Batteriekapazität ist bei Bedarf  auf 13,2 kWh erweiterbar. Das Batteriemanagement gewährleistet eine optimale Be- und Entladung der Lithium-Ionen-Akkumulatoren, wodurch eine hohe Zyklenfestigkeit der Batterie über eine Gesamtlebensdauer von 20 Jahren sichergestellt wird.

Mit der „Energiestation – VS hybrid“ kann die zeitliche Übereinstimmung von PV-Stromerzeugung und der Strombedarf eines Vier-Personen-Haushalts verglichen mit einer konventionellen PV-Anlage von ca. 30 auf ca. 70% erhöht werden. In den Sommermonaten kann so eine 100%ige Unabhängigkeit vom öffentlichen Stromnetz erreicht werden.

Autor:
Dipl.-Ing. Eric Theiß ist als freier Journalist mit den Themenschwerpunkten Technische Gebäudeausstattung (TGA) und rationelle Regenerativtechnologien tätig.
81369 München, dipl.ing.e.theiss@t-online.de

Weitere Informationen und Websites

• BAE Batterien GmbH, 12459 Berlin, www.bae-berlin.de
• Cellstrom GmbH, A-2355 Wr. Neudorf , www.cellstrom.com
• Fronius Deutschland GmbH, 36119 Neuhof-Dorfborn/Fulda, www.fronius.com
• GAIA Akkumulatorenwerke GmbH, 99734 Nordhausen, www.gaia-akku.com
• Voltwerk electronics GmbH, 20537 Hamburg, www.voltwerk.com