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Neue Technologien Stromspeicher

SEITE IM AUFBAU

... daher sind die Artikel noch lückenhaft.

Einleitung

Zuletzt bearbeitet 18.02.2022 
Strom per se kann nicht gespeichert werden. Ein "Zuviel" an Strom führt ebenso zu Problemen wie ein "Zuwenig" von Strom. Diverse Maschinen sowie Steuerungsantriebe (inkl. aller elektronischen Bauteile) können nur dann verlässlich arbeiten, wenn der Strom mit einer konstanten Spannung und - bei Wechselstrom - mit einer konstanten Frequenz verfügbar ist. Für die Stabilität des Stromnetzes ist es daher zwingend notwendig, dass die Stromproduktion mit dem Verbrauch nahezu perfekt harmonisiert ist.
Stromspeicher stellen ein wesentliches Element zur Stabilisierung des Stromnetzes da, denn sie können bei einer Stromüberproduktion den Stromüberschuss aufnehmen und bei einem Produktionsunterschuss (oder bei Bedarfsspitzen) durch Entleerung der Stromspeicher das Gesamtsystem stabilisieren.

Zur Stromspeicherung eignen sich alle Technologien, durch die der Strom temporär in eine andere, physikalisch speicherbare Energieform (potentielle Energie) überführt wird und bei Bedarf in Strom zurückgewandelt werden kann. Folgende Kriterien sind von besonderer Bedeutung:

  • WIRKUNGSGRAD (EFFIZIENZ): Es ist ein Naturgesetz, dass bei jeder Energieumwandlung ein Teil der Energie unwiederbringlich in Wärme- oder Bewegungsenergie umgewandelt wird. Stromspeicher können also nie die gleiche Menge Strom wieder zur Verfügung stellen, die beim Ladevorgang verbraucht wird. Die Stromspeicherung ist daher immer ein Zuschussgeschäft und nur durch die Stabilität des Gesamtnetzes zu rechtfertigen. Die Effizienz stellt das Verhältnis von Ladestrommenge zu Entnahmestrommenge dar und ist daher ein wesentliches Qualitätskriterium eines Stromspeichers.  
  • ARBEITSBEREICH: Beim Laden eines Stromspeichers gibt es eine Grenze der maximal speicherbaren Strommenge. Bei einer Überladung kann es zu schweren physischen Schäden im Stromspeicher kommen. Daher muss eine Überladung sicher verhindert werden. Dies kann durch geeignete elektronische Steuerung sehr gut kontrolliert werden und stellt daher in der Praxis kein Problem dar. Weitaus problematischer ist die vollständige Entladung des Stromspeichers, die bei vielen Systemen ebenfalls zu einem physischen Schaden führen kann und in der Folge die speicherbare Strommenge auf Dauer reduziert. Zur Vermeidung von Schäden durch eine Tiefentladung, sollten daher manche Stromspeicher nur in einem experimentell definierten "optimalen Bereich" verwendet werden. Die Breite dieses Arbeitsfensters ist ein anderes wichtiges Kriterium.  
  • ZYKLENANZAHL / UMSCHALTGESCHWINDIGKEIT: Weiterhin wird die Lebenszeit eines Stromspeichere durch die Alterung durch Lade-und Entladevorgänge bestimmt. Wenn der derzeit gemessene Wirkungsgrad nur noch 85% der ursprünglichen Wirkungsgrads entspricht, dann werd die bis dahin durchgeführten Ladevorgänge als maximale Zykluszahl angegeben.  

Zuletzt bearbeitet 18.02.2022 
Die nachfolgende Tabelle gibt typische Werte wieder:

SpeichertypWirkungsgrad (Effizienz)
_____Arbeitsbereich
__________Zyklenanzahl
weitere Info
→Einsatzoption
Druckluft-
speicher
45-55%
______10-100%
____________unbegrenzt;
____________ <10 pro Tag
→ Großanlagen (Salzkavernen)
Redox-Flow-Akku70-80%
______0-100%
____________unbegrenzt;
____________<20 pro Tag
Achtung: Umweltverträglichkeit der Flüssigkeiten?
→ Besonders geeignet für industrielle Großanlagen (Salzkavernen);
Pumpspeicher75-95%
______10-100%
____________unbegrenzt;
____________ <4 pro Tag
Verschlammung der Turbinen bei Restentleerung; Langzeitspeicher (keine Selbstenladung)
→ Geeignet zum Ausgleich von Tagesspitzen bzw. saisonalen Spitzen des Strombedarfs
Schwungmasse80-95%
______10-100%
____________unbegrenzt;
Ständiger Strombedarf wegen Reibungsverluste, da die Schwungmasse ständig am rotieren gehalten werden muss; Speicher kann bei Bedarf sehr schnell auch extrem hohe Strommengen (bis mehrere MW) zur Verfügung stellen.
→ Besonders geeignet für Anlagen, wo kurzfristig mehr Strom benötigt wird, als das Stromnetz liefern kann.
Blei-Akku80-85%
______(25-)50-100%
____________(500-)3'000
mittelschnelle Selbstenladung (wenige Wochen); hohes Risiko der Beschädigung des Speicher bei Tiefentladung; hohe Zyklenzahl nur möglich, wenn der Arbeitsbereich bei 50% beginnt; bei größerer Entladung reduziert sich die Zyklenzahl sehr schnell.
→ Standard-Autobatterie
Li-Ion-Akku
(Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide =NMC-Typ)
90-95%
______10-95%
____________4'000
Ladevorgang verlangsamt bei >80% Füllung; langsame Selbstentladung (mehrere Monate)
→ Maschinen, e-Auto
LiFePO4-Akku
Lithiumphosphat
90-95%
______15-100%
____________ >20'000
Sehr geringe Selbstentladung
→ Ergänzung zu Photovoltaik
Kondensatoren, Spulen 90-95%
______10-100%
____________ >1 Mio
Kurzzeitspeicher (max. 60 Sekunden), die extrem schnell umgeschaltet werden können.
→ USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung)

Zuletzt bearbeitet 18.02.2022 
Neben diesen Hauptkriterien gibt es je nach Stromspeicher-Technologie und der damit verbundenen Größe der Anlagen weitere kritische Eigenschaften:

  • FLÄCHENVERBRAUCH & UMWELTGEFÄHRDUNG: Die für typische Großanlagen geeignete Technologien müssen vor der Installation von Anlagen ortsabhängig sehr genau auf die jeweilige Auswirkung auf die Umwelt geprüft werden.  
  • UMWELTGIFT BLEI: Es liegt auf der Hand, dass Blei-Akus grundsätzlich gefährdet sind, eine Blei-Verseuchung des Erdbodens zu verursachen. Trotzdem werden Blei-Akkus millionenfach eingesetzt.  
  • BRANDGEFAHR: Li-NMC-Akkus  

Klimabilanz von Stromspeichern

Zuletzt bearbeitet 18.02.2022 
Die Klimabilanz eines stationären Stromspeichers wird nicht nur durch den Wirkungsgrad bestimmt, sondern auch durch die CO2-Bilanz bei der Produktion des Speichers und der Lebensdauer. Bei Stromspeichern in mobilen Anlagen (Beispiel e-Auto) kommt noch das Gewicht hinzu, welches transportiert werden muss.
Derzeit liegen uns noch keine ausreichende Anzahl von verlässlichen und öffentlich verfügbaren Daten vor, um einen fairen Vergleich der Klimarelevanz durchführen zu können. Es muss aber davon ausgegangen werden, dass bei Stromspeichern mit einer Kapazität >1 kWh ein positiver Klimaeffekt gegenüber einer typischen EE-Stromproduktion (Photovoltaik, Windenergie, Wasserkraft) erst nach einer Nutzungsdauer von mehr als 10 Jahren eintreten wird. Stromspeicher führen also leider kurzfristig nicht zu einer CO2-Einsparung!

Kosten und Rentabilität für Photovoltaik-Stromspeicher

Zuletzt bearbeitet 18.02.2022 
Die Kosten von Stromspeichern auf Basis Li-Ion-Akku bzw. LiFePO4-Akku sind derzeit noch sehr stark abhängig von der Gesamtgröße der Anlage und generell stark fallend. Gründe für diese positive Entwicklung sind neben Effizienzgewinnen bei der Herstellung als Ausdruck der Lernkurve der Hersteller vor allen Dingen technologische Weiterentwicklungen der Akkuzellen (höhere Speicherleistung bei vergleichbarer Zelldimension) wie auch der zunehmenden Robustheit der Leistungselektronik von Stromspeichern (weniger Stromverlust bei Lade- und Entladevorgängen). Die nebenstehende Graphik gibt einen Überblick über die Kostenentwicklung der vergangenen Jahre.

Zuletzt bearbeitet 18.02.2022 
Sind Stromspeicher ökonomisch rentabel?
Die Zeit bis zur Amortisation der Investitionskosten ist unmittelbar mit dem Strompreis verbunden.
  • Der derzeitige Strompreis beträgt ca. 0.35 EUR/kWh.  
  • Wegen der hoffentlich langen Lebenszeit der Stromspeicher wird in einer Variantenrechnung ein Strompreis zu Grunde gelegt, der sich nach dem Vollzug der Energiewende ergeben könnte. Die nebenstehende Graphik verdeutlicht, dass die Summe aus Herstellkosten für Strom sowie Kosten für die Stromverteilung etwa 0.10 - 0.12 EUR/KWh beträgt. Diese Grundkosten sind weitgehend unabhängig vom Stromgestehungsprozess, d.h. nach dieser Statistik ist Strom aus AKWs (Frankreich) vergleichbar teuer wie Strom aus Windkraft (Dänemark) oder aus Wasserkraft (Norwegen, Schweden). Hinzu kommen noch Steuern, die einerseits benötigt werden für die Finanzierung der Energiewende sowie für politisch Projekte auch außerhalb des Energiesektors. Zum Zwecke der relevanten Strompreisabschätzung wird von einem auch zukünftig angewendeten Steuersatz ausgegangen, der 0.05 EUR/kWh beträgt, so dass sich ein abgeschätzter Strompreis von 0.16 EUR/kWh ergibt. 

Die nachfolgende, vergleichende Tabelle der Wirtschaftlichkeit basiert auf einer effektiven Batterieleistung von 10 kWh (sinnvoll im Zusammenhang mit einer Photovoltaikanlage von 10 kWp Leistung) sowie angenommenen Kosten für weiter optimierte Stromspeicher, also niedrigere Investitionskosten als heute typisch!

Blei-Akku Li-Ion-(NMC)-Akku // LiFePO4-Akku
Wirkungsgrad 85% 95%
Nutzbares Arbeitsfenster 50% 85%
errechnete Batteriegröße
für 10.00 kWh eff.
Speicherleistung
23.5 kWh 12.5 kWh
Investition Batteriezelle120 EUR/kWh 400 EUR/kWh
Investition Elektronik+Installation175 EUR/kWh 200 EUR/kWh
Summe Investition für das Speichersystem 6950 EUR =23.5*295 7500 EUR =12.5*600
Zyklenanzahl 3'000 4'000 // >9'000
Lebenszeit
bei 250 Zyklen
pro Jahr
12 Jahre 16 // 36 Jahre
Mittlere Lademenge pro Ladezyklus*7.0 kWh 7.0 kWh
Strompreis 0.35 EUR/kWh
Einsparung ohne EEG-Umlage auf Eigenstrom**
→ Amortisationszeit
2.45 EUR/Tag
612 EUR EUR/Jahr
→ 11.3 Jahre
2.45 EUR/Tag
612 EUR EUR/Jahr
→ 12.2 Jahre
Strompreis 0.16 EUR/kWh
Einsparung ohne EEG-Umlage auf Eigenstrom**
→ Amortisationszeit
1.12 EUR/Tag
280 EUR EUR/Jahr
→ 26.8 Jahre, also länger als Lebenszeit des Speichers = unrentabel!
1.12 EUR/Tag
280 EUR EUR/Jahr
→ 22.3 Jahre

Bemerkungen:
* Der durchschnittliche Stromverbrauch eines Haushalts ohne e-Auto beträgt ca. 3000 kWh/Jahr = 8.2 kWh/Tag; ein typisches e-Auto benötigt je nach Fahrleistung zwischen 3000 kWh/Jahr und 9000 kWh/Jahr, führt also zu einer Vervielfachung des Haushaltsverbrauchs.
** Wenn EEG-Kosten auf eigenverbrauchten Strom zu bezahlen sind, muss in der Kalkulation der Strompreis entsprechend gesenkt werden. Dies führt dann zu einer Verlängerung der Amortisationszeit.