Die folgenden Abbildungen vergleichen netzgekoppelte Batteriesysteme zur Unterstützung von Photovoltaikanlagen (PV) mit energiezwischenspeichernden Komponenten auf Leiterplattenebene, die zur Filterung, zum Bootstrap, zur (nahezu) verlustfreien Energierückgewinnung, zur Resonanz und anderen Anwendungen auf Schaltungsebene verwendet werden.
Was ist Energiespeicherung?
04.11.2022
Energiespeicherung ist „die Erfassung von Energie, die zu einem bestimmten Zeitpunkt erzeugt wird, zur Nutzung zu einem späteren Zeitpunkt, um Ungleichgewichte zwischen Energiebedarf und -erzeugung auszugleichen." [1] Dies gilt für das gesamte Spektrum an Zeitspannen und Energiedichten, was bedeutet, dass Energie von Nanosekunden bis zu Jahren gespeichert werden kann – in Anwendungen von Pikowatt bis Gigawatt.
Inhaltsverzeichnis
Die Diskussion um Energiespeicherung konzentriert sich oft auf Batteriesysteme, aber es gibt zahlreiche weitere Speicherformen. Aus elektronischer Sicht kann Energie als elektrochemisches Potenzial in Akkus, als Spannung in Kondensatoren und Superkondensatoren oder als Strom in magnetischen Komponenten wie Induktivitäten und Transformatoren gespeichert werden.
Dynamische Energie kann auch als kinetische Energie (z. B. Schwungräder) oder potenzielle Energie (z. B. Wasser in Höhenspeichern) gespeichert werden. Je nach Anforderung an Komfort, Effizienz oder Kosten wird Energie in verschiedenen Formen gespeichert und später in elektrische Energie umgewandelt. Wärmespeicherung in erhitzten Salzen, die zur Dampferzeugung führen, ist eine Form von Phasenänderungsspeicherung. Auch Druckluftenergiespeicherung ist verbreitet, sogar im großtechnischen Einsatz [2].
Ein Beispiel für direkte Energienutzung ist die Wiederverwendung von Abwärme aus Rechenzentren zur Beheizung von Häusern im Winter. Angesichts der Vielzahl an Anwendungen ist es entscheidend, jede Speicherlösung hinsichtlich Leistung und Designanforderungen zu optimieren und sicher zu betreiben. Dieser Artikel vergleicht verschiedene Speichertechnologien, definiert jedoch zuerst zentrale Begriffe und Konzepte. Einige Aspekte der Energiespeicherung sind universell, andere hängen stark vom Bauteil oder der Anwendung ab. Es gibt kein Äquivalent zum Mooreschen Gesetz für Speichertechnologien – Energiedichte verdoppelt sich ungefähr alle zehn Jahre. Währenddessen entwickeln sich Lastanforderungen deutlich schneller, was zu asynchronen Entwicklungszyklen führt.
Die Last nimmt im Allgemeinen mit der Zeit zu, was höhere Anforderungen an die Speicherdichte stellt. Speicherstrategien variieren jedoch stark je nach Anwendung. Beispielsweise unterscheidet sich die Notstromversorgung eines Rechenzentrums erheblich von Sicherheitskondensatoren in EMV-Filtern. Selbst innerhalb von Netzteilen gibt es eine große Bandbreite an Speichermethoden und Designauswirkungen. Speicherkomponenten können auch Sicherheitsfunktionen erfüllen und unterliegen dabei Standards für Derating, Tests und thermische Lebensdauer.
Dynamische Energie kann auch als kinetische Energie (z. B. Schwungräder) oder potenzielle Energie (z. B. Wasser in Höhenspeichern) gespeichert werden. Je nach Anforderung an Komfort, Effizienz oder Kosten wird Energie in verschiedenen Formen gespeichert und später in elektrische Energie umgewandelt. Wärmespeicherung in erhitzten Salzen, die zur Dampferzeugung führen, ist eine Form von Phasenänderungsspeicherung. Auch Druckluftenergiespeicherung ist verbreitet, sogar im großtechnischen Einsatz [2].
Ein Beispiel für direkte Energienutzung ist die Wiederverwendung von Abwärme aus Rechenzentren zur Beheizung von Häusern im Winter. Angesichts der Vielzahl an Anwendungen ist es entscheidend, jede Speicherlösung hinsichtlich Leistung und Designanforderungen zu optimieren und sicher zu betreiben. Dieser Artikel vergleicht verschiedene Speichertechnologien, definiert jedoch zuerst zentrale Begriffe und Konzepte. Einige Aspekte der Energiespeicherung sind universell, andere hängen stark vom Bauteil oder der Anwendung ab. Es gibt kein Äquivalent zum Mooreschen Gesetz für Speichertechnologien – Energiedichte verdoppelt sich ungefähr alle zehn Jahre. Währenddessen entwickeln sich Lastanforderungen deutlich schneller, was zu asynchronen Entwicklungszyklen führt.
Die Last nimmt im Allgemeinen mit der Zeit zu, was höhere Anforderungen an die Speicherdichte stellt. Speicherstrategien variieren jedoch stark je nach Anwendung. Beispielsweise unterscheidet sich die Notstromversorgung eines Rechenzentrums erheblich von Sicherheitskondensatoren in EMV-Filtern. Selbst innerhalb von Netzteilen gibt es eine große Bandbreite an Speichermethoden und Designauswirkungen. Speicherkomponenten können auch Sicherheitsfunktionen erfüllen und unterliegen dabei Standards für Derating, Tests und thermische Lebensdauer.
Batterien vs. Kondensatoren
Energiespeicher lassen sich in Batterien oder Kondensatoren einteilen, wobei Hybride möglich sind. Zwei parallele Platten mit einem polarisierbaren Dielektrikum bilden einen Kondensator, der Ladung als elektrisches Feld speichert. Batterien hingegen speichern Ladung elektrochemisch über ein leitfähiges Elektrolyt.
Man unterscheidet "nasse" Batterien (mit flüssigem Elektrolyten) und "trockene" Batterien (mit Festelektrolyt). Trockenzellen sind langlebiger und sicherer, da sie weniger anfällig für thermische Degradation und Kurzschlüsse sind. Weiterhin gibt es Primär- (einmalige Nutzung) und Sekundärzellen (wiederaufladbar). Sekundärzellen dominieren bei nachhaltigen Anwendungen. Primärzellen sind jedoch in kostensensiblen Anwendungen wie IoT und IIoT verbreitet, wo Nachhaltigkeit bei Milliarden Geräten ein wachsendes Thema ist.
Man unterscheidet "nasse" Batterien (mit flüssigem Elektrolyten) und "trockene" Batterien (mit Festelektrolyt). Trockenzellen sind langlebiger und sicherer, da sie weniger anfällig für thermische Degradation und Kurzschlüsse sind. Weiterhin gibt es Primär- (einmalige Nutzung) und Sekundärzellen (wiederaufladbar). Sekundärzellen dominieren bei nachhaltigen Anwendungen. Primärzellen sind jedoch in kostensensiblen Anwendungen wie IoT und IIoT verbreitet, wo Nachhaltigkeit bei Milliarden Geräten ein wachsendes Thema ist.
Unterschätzen Sie wiederaufladbare Batterien nicht
Batterien werden oft als einfache Gleichstromquelle betrachtet, sind aber weitaus komplexer. Bei Sekundärzellen spielen Kapazität, Impedanz, Zyklenfestigkeit und Sicherheit eine wichtige Rolle.
| BEGRIFF/PARAMETER | DEFINITION | AUSWIRKUNG |
|---|---|---|
| LADEZUSTAND (SOC = State of Charge) | Ladezustand der Batterie im Verhältnis zur Kapazität (basierend auf der Klemmenspannung bei offenem Stromkreis), 0-100% |
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| C-RATE | Die Lade- oder Entladerate des Akkus, in der Regel eine Mindest-/Maximalangabe, die auf dem Datenblatt des Akkus angegeben ist und als Verhältnis zur Kapazität des Akkus ausgedrückt wird (z.B. bedeutet eine maximale Entladerate von 2,0 C für eine Zelle mit 40mAh, dass die maximale Entladerate 80mA beträgt) |
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| FAST CHARGE RATE | Stromgrenze (in der Regel vom Batteriemanagementsystem [BMS] festgelegt) für den Konstantstromanteil des Ladezyklus |
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| ENTLADUNGSTIEFE (DOD = DEPTH OF DISCHARGE ) | Entladezustand der Batterie im Verhältnis zur Kapazität, 0-100% (das Gegenteil von SOC) |
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| ZYKLEN | Anzahl der unterstützten Lade-/Entladezyklen, bevor die Batterie als außerhalb der Spezifikation (Mindestkapazität) gilt |
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| ÄQUIVALENTER SERIENWIDERSTAND (ESR = EQUIVALENT SERIES RESISTANCE) | Intrinsischer, interner Widerstand (typischerweise AC- oder frequenzabhängiger Widerstand) der Zelle, gemessen an den Anschlüssen |
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| KONSTANTSPANNUNGS-LADUNG | Der BMS-Controller legt eine konstante Spannung an die Batterie an, während die Zelle auf der Grundlage des Ladungstransfers organisch Strom zieht |
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| KONSTANTSTROMLADUNG | Der BMS-Controller versorgt die Batterie mit einem konstanten Strom, während die Zelle auf das Zielpotential am Ende des Ladevorgangs geladen wird. |
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| ZELLAUSGLEICH | Akkupacks (sogar Super-Kondensatoren mit zwei Zellen) können erfordern, dass die Klemmenspannungen der Zellen innerhalb eines bestimmten Bereichs benachbarter Zellen liegen, auch wenn die Kapazität der einzelnen Teile unterschiedlich ist. |
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Tabelle 1: Allgemeine Begriffe im Zusammenhang mit Sekundärbatterien und typischer Verwendung
Batterieeigenschaften hängen stark von der jeweiligen Chemie ab. Lade-/Entladekurven, Spannungen, Stromgrenzen und thermische Eigenschaften unterscheiden sich z. B. zwischen Li-Ion, LiFePO4, NiMH und Bleiakkus. Batteriemanagementsysteme (BMS) oder Power-Management-ICs (PMIC) steuern die Ladevorgänge.
Viele Batterien müssen nach der Herstellung konditioniert werden, bevor sie ihre volle Kapazität erreichen. Einfache Abschätzungen der Lebensdauer (über Kapazität geteilt durch durchschnittlichen Stromverbrauch) sind meist ungenau. Temperatur und Ladeverluste verfälschen die Ergebnisse erheblich.
Viele Batterien müssen nach der Herstellung konditioniert werden, bevor sie ihre volle Kapazität erreichen. Einfache Abschätzungen der Lebensdauer (über Kapazität geteilt durch durchschnittlichen Stromverbrauch) sind meist ungenau. Temperatur und Ladeverluste verfälschen die Ergebnisse erheblich.
Skalierung der Energiespeicherung
Das Speicherdesign muss sowohl Energiemenge als auch Reaktionszeit berücksichtigen. Schnelle Antwortzeiten gehen oft mit geringerer Kapazität und höheren Kosten einher. Rechenzentren nutzen gestufte Speicherstrukturen: Sofortreaktion für Notfälle, langfristige Versorgung für Ausfälle. Die Kosten pro gespeicherter Wattstunde steigen mit der Reaktionsgeschwindigkeit.
Manche Speicheranforderungen sind gesetzlich vorgegeben. Gesetzentwurf 431 [5] des kalifornischen Senats verlangt z.B. 72 Stunden Backup für Mobilfunkmasten – eine Vorgabe, die nicht immer praxisnah ist. Auch Vorgaben für PV-Anlagen und Batteriespeicher variieren regional. Diese Regularien setzen Speicher oft pauschal ein, ohne applikationsspezifische Bedarfe zu analysieren.
Manche Speicheranforderungen sind gesetzlich vorgegeben. Gesetzentwurf 431 [5] des kalifornischen Senats verlangt z.B. 72 Stunden Backup für Mobilfunkmasten – eine Vorgabe, die nicht immer praxisnah ist. Auch Vorgaben für PV-Anlagen und Batteriespeicher variieren regional. Diese Regularien setzen Speicher oft pauschal ein, ohne applikationsspezifische Bedarfe zu analysieren.
Verschiedene Anwendungen der Energiespeicherung
Energiespeicher werden für viele Zwecke eingesetzt. Neben Notstromversorgung dienen sie zur Filterung, IC-Biasing und zur verlustarmen Energieübertragung in Resonanzanwendungen. Peak Shaving gewinnt an Bedeutung: Lokale Speicher (z. B. Li-Ion oder Supercaps) decken Bedarfsspitzen ab und erlauben kleinere Basisinfrastruktur.
Battery Backup Units (BBUs) sind modulare Einheiten, die direkt auf die Systemspannung geschaltet werden. Sie überbrücken Lasten sofort und reduzieren die Notwendigkeit für große interne Elektrolytkondensatoren. In PV-Anwendungen ist der wirtschaftliche Nutzen oft größer als der technische. Nutzer speichern Energie bei Überschuss und verkaufen sie zurück ans Netz, wenn der Preis hoch ist. Vor der Massenverbreitung war PV nur für Inselnetze relevant. Heute unterstützen sie zunehmend das Stromnetz und senken Kosten durch intelligente Speicherstrategien.
Battery Backup Units (BBUs) sind modulare Einheiten, die direkt auf die Systemspannung geschaltet werden. Sie überbrücken Lasten sofort und reduzieren die Notwendigkeit für große interne Elektrolytkondensatoren. In PV-Anwendungen ist der wirtschaftliche Nutzen oft größer als der technische. Nutzer speichern Energie bei Überschuss und verkaufen sie zurück ans Netz, wenn der Preis hoch ist. Vor der Massenverbreitung war PV nur für Inselnetze relevant. Heute unterstützen sie zunehmend das Stromnetz und senken Kosten durch intelligente Speicherstrategien.
Energiespeicherung für Nachhaltigkeit
Energiespeicherung ist zentral für nachhaltige Konzepte. Sie gleicht Schwankungen bei Erneuerbaren aus, stabilisiert Netze und ermöglicht Energieverlagerung.
Industrien wie E-Mobilität and Industrie 4.0 sind auf fortschrittliche Speicher angewiesen. In intelligenten Fabriken mit Robotik, elektrifizierten Fahrzeugenund hoher Rechenleistung ermöglichen lokale Speicher hohe Effizienz und reduzierte Lastspitzen. Allerdings enthalten die meisten Speicher derzeit noch gefährliche oder knappe Materialien. Ihre Herstellung ist energieintensiv und erzeugt oft Schadstoffe. Die wahre Nachhaltigkeit eines Speichersystems muss unter Einbeziehung von Herstellungs- und Entsorgungsprozessen bewertet werden.
Industrien wie E-Mobilität and Industrie 4.0 sind auf fortschrittliche Speicher angewiesen. In intelligenten Fabriken mit Robotik, elektrifizierten Fahrzeugenund hoher Rechenleistung ermöglichen lokale Speicher hohe Effizienz und reduzierte Lastspitzen. Allerdings enthalten die meisten Speicher derzeit noch gefährliche oder knappe Materialien. Ihre Herstellung ist energieintensiv und erzeugt oft Schadstoffe. Die wahre Nachhaltigkeit eines Speichersystems muss unter Einbeziehung von Herstellungs- und Entsorgungsprozessen bewertet werden.
Referenzen
[1] Wikipedia contributors, „Energy storage,“ Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Energy_storage&oldid=1086908512 (Zugriff am 11. Mai 2022).
[2] H. Lund, G. Salgi, „The role of compressed air energy storage (CAES) in future sustainable energy systems“. Energy Conversion and Management. (May 1, 2009). 50 (5): 1172–1179. doi:10.1016/j.enconman.2009.01.032.
[3] Qorvo ACT2801 Spec Sheet. [Online]. Verfügbar: https://www.qorvo.com/products/d/da006751.
[4] B. Zahnstecher, „Module PR-2: Data Center Structure Overview,” PowerRox Schulungsmodul. Zuletzt aktualisiert 25.01.19.
[5] M. McGuire, S. Glazer, „SB-431 Telecommunications service: backup electrical supply rules.“ CALIFORNIA LEGISLATURE-2019–2020 REGULAR SESSION. [Online]. Verfügbar: https://leginfo.legislature.ca.gov/faces/billTextClient.xhtml?bill_id=201920200SB431.
[2] H. Lund, G. Salgi, „The role of compressed air energy storage (CAES) in future sustainable energy systems“. Energy Conversion and Management. (May 1, 2009). 50 (5): 1172–1179. doi:10.1016/j.enconman.2009.01.032.
[3] Qorvo ACT2801 Spec Sheet. [Online]. Verfügbar: https://www.qorvo.com/products/d/da006751.
[4] B. Zahnstecher, „Module PR-2: Data Center Structure Overview,” PowerRox Schulungsmodul. Zuletzt aktualisiert 25.01.19.
[5] M. McGuire, S. Glazer, „SB-431 Telecommunications service: backup electrical supply rules.“ CALIFORNIA LEGISLATURE-2019–2020 REGULAR SESSION. [Online]. Verfügbar: https://leginfo.legislature.ca.gov/faces/billTextClient.xhtml?bill_id=201920200SB431.
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