Kernaussagen

• Die Stromnetze wurden ursprünglich nicht für die neuen Bedarfs- und Versorgungsprofile ausgelegt.
• Batteriespeichersysteme sind der Schlüssel zum Umbau und zum Schutz der Stromnetze.
• Innovationen im Batteriemanagement und bei Hochspannungshalbleitern helfen den Stromnetzen, die Möglichkeiten von Batteriespeichern optimal auszuschöpfen.

Die zunehmende Verbreitung von Elektrofahrzeugen (EVs) und der wachsende Anteil an erneuerbaren Energiequellen verringern unsere seit mehr als hundert Jahren bestehende Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen. Die Stromversorger setzen zunehmend auf Photovoltaik- und Windenergieanlagen statt auf erdgasbetriebene Turbinen, um den Strom zu erzeugen, der zum Aufladen von Elektrofahrzeugen und zur Versorgung unserer Häuser und Unternehmen benötigt wird. Gemeinsam bringen uns diese Trends einer nachhaltigen Energiezukunft näher.

Auch für die Stromnetze stellen die genannten Trends eine große Herausforderung dar, denn die Nachfrage kann im Laufe des Tages ebenso schwanken wie das von der Wetterlage abhängige Angebot an Sonnen- und Windenergie. Batterien werden damit zu einem wesentlichen Bestandteil der Stromnetze.

„Batterien können die Lücke füllen, wenn es bewölkt ist und der Wind nur schwach weht“, so Richard Zhang, Professor für Leistungselektronik an der Virginia Tech und seit 25 Jahren in der Stromnetz- und Energiebranche tätig. „Batterien verbessern außerdem die Wirtschaftlichkeit des Stroms, weil sie in Schwachlastzeiten aufgeladen werden können und so Strom für das Aufladen von Elektrofahrzeugen in Spitzenlastzeiten liefern.“

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Wenn Batterien die durch die Stromnetze fließenden großen Mengen an elektrischer Energie sicher, zuverlässig und kostengünstig speichern und wieder abgeben sollen, so stellt dies eine komplexe Herausforderung dar. Hier kann das Know-how unseres Unternehmens als Anbieter fortschrittlicher Halbleiterlösungen für das Batteriemanagement sehr viel bewirken. 

„Die in den Stromnetzen eingesetzten größeren Batterien mit höherer Spannung erfordern ein besseres Wärmemanagement und eine genauere Überwachung“, so Samuel Wong, Vice President und General Manager des Bereichs Battery Management Solutions bei TI. „Das effiziente Management dieser Batterien setzt ein Verständnis der Batteriechemie und die Anpassung von Hochleistungs-Halbleiterbauelementen voraus, um das Beste aus jeder Batterie herauszuholen.“

Die Glättung des Stromnetzes

Laut Zhang sind der Ausbau der Solar- und Windenergie und die verstärkte Verbreitung von Elektrofahrzeugen grundsätzlich eine gute Nachricht für den Planeten. Die Schwierigkeit besteht darin, dass die Stromnetze ursprünglich nicht für diese neuen Energiebedarfs-Profile ausgelegt wurden. 

„Es ist heute einfacher als noch vor einigen Jahren, die Menschen zum Umstieg auf Elektrofahrzeuge zu bewegen“, sagt er. „Das wachsende Problem besteht aber darin, eine Netzinfrastruktur zu schaffen, die nicht nur die EVs versorgen, sondern auch den übrigen Energiebedarf decken kann.“

Die Herausforderung, so Wong, sei die Instabilität der Stromnetze, also die Volatilität der Stromerzeugung und des Stromverbrauchs. Schwankungen in der Energieversorgung treten bei der Solar- und Windstromerzeugung auf, wobei insbesondere der vollständige Ausfall der Solarenergie in der Nacht zu berücksichtigen ist. Angebots- und Nachfrageschwankungen können zudem auch durch die Ladegewohnheiten der Fahrzeugbesitzer verursacht werden. 

„Wenn alle abends nach Hause fahren und ihr Elektroauto über Nacht aufladen, kann das Stromnetz dies nicht verkraften“, gibt Wong zu bedenken. 

Samuel Wong, Vice President Battery Management Solutions bei TI (links), und Richard Zhang von der Virginia Tech diskutieren über die Auswirkungen von Batteriespeichersystemen. 

Wong und Zhang sind sich, wie die meisten Energieexperten, über die Lösung für das Problem der Stromnetzinstabilität einig: Energiespeichersysteme (ESS) – in der Regel in Form von Batterien – können überschüssige Energie aufnehmen und im Netz halten, wenn das Angebot groß und die Nachfrage gering ist, um sie zu anderen Zeiten wieder abzugeben. Man denkt jetzt vielleicht an die relativ kleinen und leichten Batteriezellen, die in Elektroautos verwendet werden. Für das Stromnetz aber könnte ein ESS aus einem waggongroßen Stapel größerer, schwerer Zellen bestehen, von denen jede bis zu 4 Megawattstunden (MWh) liefern kann – genug Energie, um Tausende von Haushalten zu versorgen.

Durch die Platzierung von Speichersystemen an verschiedenen Stellen im Netz wird deren Fähigkeit optimiert, ganze Stadtviertel gezielt und zum jeweils benötigten Zeitpunkt mit großen Mengen an elektrischer Energie zu versorgen. Dies kann bedeuten, dass ein ESS neben einer Solarfarm platziert wird, wo es tagsüber die überschüssige Energie aufnimmt, um sie nachts wieder in das Stromnetz einzuspeisen. Ebenso kann ein ESS, das in einer Ortschaft installiert ist, leichter Energie von den Solarzellen auf den Hausdächern aufnehmen und später den zusätzlichen Strom liefern, der zum Aufladen von Elektrofahrzeugen im Umkreis benötigt wird. „Ein ESS kann somit als lokales Energiereservoir für eine Ortschaft dienen“, so Wong.

Verwaltung der Batterie- und Systemleistung

Herzstück der Speichersysteme sind Hochspannungs-Batteriemodule – meist Lithium-Eisenphosphat-Zellen – die bei zu schnellem Laden oder Entladen enorme Wärmemengen erzeugen können. Außerdem kann sich die Lebensdauer dieser Module verkürzen, wenn sie übermäßig oft vollständig entladen werden. 

Laut Wong erfordert die Überwachung der Temperatur und des Ladezustands bei diesen Batterien extrem präzise Halbleiter wie den für Industrieanwendungen vorgesehenen Batteriemonitor BQ79616. Schließlich können bereits kleinste Temperatur- und Spannungsschwankungen ein Indiz dafür sein, dass eine Batterie möglicherweise gewartet werden muss. 

„Man muss auf ein Millivolt genau wissen, wieviel Ladung noch in einer Batterie ist“, so Wong.

Die umfassende Erfahrung unseres Unternehmens mit hochpräzisen Batteriemonitoren ist für die ESS-Industrie von entscheidender Bedeutung, wenn es um die Entwicklung von Systemen geht, die die Stromnetze mit wichtigen Batteriemanagement-Daten versorgen. Die Ergebnisse können laut Wong großen Einfluss auf die Kosteneffizienz eines ESS haben. 

„Wenn man die Ladung in einem 10-MWh-ESS nur mit einer Genauigkeit von 5 % messen kann, können nicht mehr als 9,5 MWh sicher genutzt werden“, fügt er hinzu. „Unsere Batteriemonitore erreichen jedoch eine Messgenauigkeit von 1 %, was eine Nutzung von immerhin 9,9 MWh ermöglicht.“

Neben einer genauen Überwachung der Batterien benötigen netzdienliche Energiespeichersysteme, wie sie in großen Solaranlagen integriert sind, eine effiziente Hochspannungsumwandlung, die dazu beiträgt, die Verluste beim Transfer elektrischer Energie in das Stromnetz und zurück zu reduzieren. Außerdem stützen sich diese Systeme auf Sensor- und Isolationstechnologien, die zur Aufrechterhaltung der Systemsicherheit und -stabilität beitragen, was für die Steuerung der Elektrizitätsübertragung mit Spannungen bis zu 1500 V von entscheidender Bedeutung ist. 

Die Zukunft gestalten 

In absehbarer Zukunft werden Innovationen im Bereich der batteriegestützten Energiespeichersysteme der Schlüssel für die Transformation der Stromnetze und für deren Schutz angesichts der Schwankungen bei Sonnen- und Windenergie sowie beim Aufladen von Elektrofahrzeugen sein. 

„Es ist wirklich spannend, mit Innovationen im Bereich der Energiespeicherung zur Stärkung der Stromnetze beizutragen“, so Wong. „Wir können bereits heute viel tun, aber wir werden noch viel mehr bewirken können, wenn wir das Smart Grid (intelligente Stromnetz) von morgen realisieren.“