Zuverlässigkeit wird die Energiespeicher des nächsten Jahrzehnts definieren

Dieser Artikel wurde von Henrik Mannesson, General Manager des Bereichs Energieinfrastruktur, verfasst.

Kurz nach Sonnenuntergang beginnt die am Tag noch üppige solare Stromerzeugung abzufallen, während der Energiebedarf von Wohnungen, Geschäften und Rechenzentren gleich bleibt. Um diese zeitliche Diskrepanz zwischen der Erzeugung von Energie und deren Verbrauch zu überbrücken, werden vermehrt Batterie-Energiespeichersysteme (Energy Storage Systems, ESS) eingesetzt.

Laut einer Prognose der Internationalen Energieagentur muss sich die globale Energiespeicherkapazität bis 2030 auf 1.500 GW mehr als versechsfachen, um mit dem rapiden Wachstum der Solar- und Windenergieerzeugung Schritt zu halten. Dieser Nachfragezuwachs führt zu einem branchenweiten Umdenken in den Bereichen Energieerzeugung, -speicherung und -versorgung.

Die Herausforderungen auf der Nachfrageseite lassen sich jedoch nicht allein durch höhere Kapazitäten bewältigen. Angesichts immer größerer Speichersysteme wird die langfristige Zuverlässigkeit zum bestimmenden Thema. Betreiber müssen sich auf die Verfügbarkeit gespeicherter Energie verlassen können, wenn der Bedarf steigt, die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen schwankt oder unerwartete Netzausfälle auftreten. Ein unzuverlässiges System gefährdet die Energieversorgung und die Fähigkeit, kostengünstigen Strom zu erzeugen und diesen bereitzustellen, wenn Nachfrage und Preise am höchsten sind.

Wenn ich heutzutage mit Planern spreche, ist ihr Hauptanliegen nicht die Menge der gespeicherten Energie, sondern die Zuverlässigkeit der Versorgung über die gesamte Lebensdauer des Systems. Sie wollen sicher sein können, dass ein System, das heute vier Stunden lang Leistung liefern kann, auch Jahre später noch auf ähnlichem Niveau funktioniert. Diese Zuverlässigkeit beginnt in der Batterie.

Herausforderungen und Durchbrüche im Inneren der Batterie

Für Stromnetze ausgelegte Systeme basieren auf Tausenden von Zellen. Schon eine geringfügige Fehlfunktion innerhalb einer einzelnen Zelle, wie etwa eine abnormale Wärmeerzeugung oder ein interner Kurzschluss, kann sich auf die Leistung des gesamten Systems auswirken. Herkömmliche Batteriemanagement-Systeme messen Spannung, Strom und Temperatur – diese Messwerte zeigen jedoch lediglich an, wie sich das System von außen gesehen verhält. Die elektrochemischen Veränderungen innerhalb der einzelnen Zellen bleiben dabei jedoch unsichtbar.

Wenn das Innere der Zelle nicht überwacht werden kann, kann selbst die gefährlichste aller Fehlfunktionen unerkannt bleiben, bis es zu spät ist: thermisches Durchgehen. Bei dieser sich selbst erhitzenden Kettenreaktion erzeugt eine Zelle schneller Wärme, als sie diese abgeben kann. Wenn ein Temperatursensor die Überhitzung erkennt, kann der Zustand bereits unumkehrbar sein, wodurch umgebende Zellen, Module oder das gesamte System gefährdet werden.

Genau wie ein Elektrokardiogramm (EKG) das Herz überwacht, überwacht die elektrochemische Impedanzspektroskopie (Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS) eine Batterie, indem sie die elektrochemische Signatur der einzelnen Zellen misst. Diese ist wie ein Fingerabdruck, der je nach ihrer Chemie, ihrem Alter und ihren Betriebsbedingungen einzigartig ist. EIS bietet in Echtzeit kontinuierliche Einblicke, die den Gesundheitszustand der Zelle offenlegen und vor Problemen warnen, bevor diese kritisch werden – direkt aus dem Inneren der Zellen, das herkömmliche Sensoren nicht erreichen.

Der Batteriemonitor BQ79826Z-Q1 von TI mit integrierter EIS-Engine bietet vorausschauende Intelligenz, Echtzeitdiagnostik und umfassende Zelldaten für Netz-Batteriesysteme. Durch die Fähigkeit des Batteriemonitors, mehr Zellen pro Baustein zu überwachen, werden die Komplexität und die Kosten des Systems gesenkt sowie das Batteriemanagement verbessert, indem die reaktive Überwachung durch intelligente, vorausschauende Kontrolle ersetzt wird.  

Wie sich die vorausschauende Überwachung auf den Betrieb auswirkt

Das aussagefähigste Maß für die Leistungsfähigkeit eines fortschrittlichen Batteriemanagements ist die Zeit. Die frühere Erkennung eines möglichen Ausfalls ergibt ein grundsätzlich anderes Betriebsmodell. Die Betreiber können die Wartung genauer planen, ungeplante Ausfallzeiten reduzieren und Entscheidungen mit mehr Vertrauen in den Systemzustand treffen.

Diese Intelligenz verändert zudem die Art und Weise, wie Betreiber bereits vorhandene Anlagen nutzen. Wenn sie präzise Informationen über den Lade- und Gesundheitszustand sowie darüber haben, wie tief das System sich entladen kann, ohne langfristig Schaden zu nehmen, können Betreiber große ESS-Installationen als zuverlässige, optimierbare Ressourcen behandeln.

Die intelligente Energieversorgung fördern

Indem die Speicherung auf Batterieebene vorhersehbarer wird, kann sie auf Netzebene reaktionsschneller werden – ein Zusammenhang, der angesichts der Tatsache, dass Systeme immer größer und stärker in das Netz eingebettet werden, immer wichtiger wird.

Die Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen fluktuiert je nach Wetter und Tageszeit und nicht unbedingt im Einklang mit dem Bedarf. Speichersysteme, die sich dynamisch laden, wenn die Produktion hoch ist, und sich entladen, wenn der Bedarf steigt, bieten eine Flexibilität, die von der herkömmlichen Energieerzeugung nicht geboten wird.

Stellen Sie sich die Energieversorgung wie ein Autobahnsystem vor. Das Netz wurde von den Ingenieuren so entwickelt, dass es mit Nachfragespitzen umgehen kann, also dem Rush-Hour-Verkehr; den größten Teil des Tages wird es jedoch nicht ausgelastet. Batteriespeicher kehren dieses Modell um, indem sie Energie speichern und diese abgeben, bevor der Bedarf steigt, während sie gleichzeitig erneuerbare Energie aufnehmen, die anderenfalls ungenutzt bliebe.

Durch die Produktion und Speicherung am selben Ort, wie etwa Solaranlagen in Kombination mit Batteriesystemen in Industrieanlagen, Rechenzentren oder Umspannwerken, wird der Energiespeicher näher an den Ort des Bedarfs gebracht. Diese verteilten Energiesysteme müssen zuverlässig funktionieren und weniger abhängig von externen Energiequellen sein.

Die Chance

Die nächste Generation von Energiespeichern wird durch Intelligenz, Präzision und Sicherheit geprägt sein, einschließlich der Fähigkeit, die Vorgänge im Inneren Tausender Batteriezellen genau zu verstehen, Probleme frühzeitig zu erkennen und Energie zuverlässig zur Verfügung zu stellen, wann und wo immer sie benötigt wird.

Die Halbleitertechnologie, die erforderlich ist, um alle Zellen eines großen Netz-Energiespeichersystems zu überwachen, steht bereits zur Verfügung. Organisationen, die in ein fortschrittliches Batteriemanagement investieren, können Systeme mit der Gewissheit einsetzen, dass die gespeicherte Energie zur Verfügung steht, wenn das Netz sie am dringendsten braucht.

Durch die Produktion und Speicherung am selben Ort, wie etwa Solaranlagen in Kombination mit Batteriesystemen in Industrieanlagen, Rechenzentren oder Umspannwerken, wird der Energiespeicher näher zum Ort des Bedarfs gebracht. Diese verteilten Energiesysteme müssen zuverlässig funktionieren und weniger abhängig von externen Energiequellen sein.

Die Chance

Die nächste Generation von Energiespeichern wird durch Intelligenz, Präzision und Sicherheit geprägt sein, einschließlich der Fähigkeit, genau zu verstehen, was im Inneren Tausender Batteriezellen passiert, Probleme frühzeitig zu erkennen und Energie zuverlässig zu liefern, wann und wo sie benötigt wird.

Die benötigte Halbleitertechnologie, um alle Zellen eines großen Netz-Energiespeichersystems zu überwachen, steht bereits zur Verfügung. Organisationen, die in ein fortschrittliches Batteriemanagement investieren, können Systeme mit der Gewissheit einsetzen, dass die gespeicherte Energie zur Verfügung steht, wenn das Netz sie am meisten braucht.