Neue Trends der Energiespeichersystem-ESS-Technologie

Der weltbekannte Hersteller industrieller Steuerungsprodukte – C3CONTROLS aus den USA – hat in seinem technischen Whitepaper die neuen Technologietrends des heutigen Energiespeichersystems ESS analysiert, im Folgenden ein Auszug.

Strom in seiner Rohform kann nicht in beliebiger Größenordnung gespeichert werden, aber durch den Einsatz eines Energiespeichersystems (ESS) kann er in andere speicherbare Energieformen umgewandelt werden. Diese Energieformen können bei Bedarf wieder in Strom umgewandelt werden.

Energiespeichersysteme bieten eine breite Palette technologischer Ansätze zur Verwaltung unserer Stromversorgung, um eine widerstandsfähigere Energieinfrastruktur zu schaffen und Kosten für Energieversorger und Verbraucher zu sparen. Zu den aktuellen Energiespeichersystemtechnologien gehören Batterien, Schwungräder, Druckluft, Pumpspeicher und mehr. Heutzutage ist die Gesamtenergiespeicherung all dieser Systeme immer noch begrenzt, doch die Forschung arbeitet weiterhin daran, diese Technologien rasch zu verbessern.

Das US-amerikanische Stromnetz basiert auf einem empfindlichen Gleichgewicht zwischen Stromversorgung und Verbrauchernachfrage. Eine wirksame Möglichkeit, Schwankungen in Stromangebot und -nachfrage auszugleichen, besteht darin, Strom in Zeiten hoher Produktion und geringer Nachfrage zu speichern und ihn dann in Zeiten geringer Produktion oder hoher Nachfrage wieder an das Netz abzugeben.

Hier diskutieren wir, wie die Stromspeicherung uns allen Zuverlässigkeit, wirtschaftliche und ökologische Vorteile bieten kann. Abhängig vom Umfang ihres Einsatzes könnte die Stromspeicherung dazu beitragen, dass das US-amerikanische Stromnetz effizienter läuft, die Wahrscheinlichkeit von Ausfällen während Spitzenlastzeiten verringert und die Nutzung erneuerbarer Ressourcen verstärkt ermöglicht. Bild

Steigende Nachfrage nach Stromspeichern

Seit der Entdeckung der Elektrizität suchen viele Forscher und Wissenschaftler nach effizienten Möglichkeiten, Energie für die bedarfsgerechte Nutzung zu speichern. In den letzten 100 Jahren ist die Energiespeicherbranche als Reaktion auf den sich ändernden Strombedarf und den technologischen Fortschritt gewachsen und hat Innovationen hervorgebracht.

Heutzutage verbrauchen Verbraucher in den Vereinigten Staaten 24 Stunden am Tag Strom. Ob wir wach sind oder schlafen, unser Bedarf an Elektrizität ist konstant. Amerikanische Verbraucher gehen tendenziell davon aus, wie einfach es ist, die Energie zu bekommen, die wir für den Betrieb unserer Geräte, Geräte, Werkzeuge, Maschinen, Fahrzeuge und alles, was wir Tag und Nacht nutzen, benötigen.

Allerdings hat beispielsweise die aktuelle rasante Verbreitung von Elektrofahrzeugen zu einer größeren Belastung des Stromnetzes geführt und muss einen höheren Strombedarf decken. Darüber hinaus waren der technologische Fortschritt und das Wachstum auf dem Markt für erneuerbare Energien (z. B. Sonne, Wind usw.) angesichts der erheblichen Auswirkungen auf das Netz ein wichtiger Treiber für die Nachfrage nach Energiespeichern.

Energiespeichertechnologie

Ein wesentliches Merkmal des Elektrizitätssektors besteht darin, dass die Menge an Strom, die erzeugt werden kann, für kurze Zeiträume festgelegt ist. Stattdessen schwankt der Strombedarf im Tagesverlauf. Die Entwicklung von Technologien zur Speicherung elektrischer Energie, damit diese dann zur Verfügung steht, wenn sie benötigt wird, bedeutet eine große Veränderung in der Art und Weise, wie Strom verteilt wird.

Energiespeichersystem

Energiespeichersysteme (ESS) sind darauf ausgelegt, die Menge an Strom zu verwalten, die zur Versorgung der Kunden während der Spitzenzeiten, wenn die Nachfrage am größten ist, benötigt wird. Dies trägt letztendlich dazu bei, die Nutzung erneuerbarer Energien zu optimieren und sie leichter in das Verteilungssystem einzuspeisen.

Das ESS wird auch dazu beitragen, das Mikronetz auszugleichen, um ein stabiles Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Last zu erreichen. Das Energiespeichersystem kann die Frequenz regulieren – es ist wichtig, die Frequenz des gesamten Systems bei 60 Hz zu halten. Dadurch wird ein Gleichgewicht zwischen Netzlast und erzeugter Leistung gewahrt. Darüber hinaus kann der Einsatz von ESS auch für eine zuverlässigere Stromversorgung von High-Tech-Industrieanlagen sorgen. Energiespeicher und Leistungselektronik sind vielversprechende Aussichten für die Transformation des Energiesektors.

Hochspannungs-Leistungselektronik

Hochspannungs-Leistungselektronik wie Schalter, Steuerungen und Wechselrichter steuern den Strom schnell und präzise, ​​um die Übertragung über große Entfernungen zu ermöglichen. Diese Hochspannungsgeräte ermöglichen einen effizienteren Betrieb des Systems und eine schnellere Reaktion auf Störungen. Eine weitere große Herausforderung besteht darin, die Kosten für Energiespeichertechnologie und Leistungselektronik zu senken, um die Marktakzeptanz zu beschleunigen.

DOE-Energiespeicherprogramm

Das vom Office of Electricity (OE) des US-Energieministeriums eingerichtete Energy Storage Program (ESP) betreibt Forschung und Entwicklung zu verschiedenen Energiespeichertechnologien. Diese breite Technologiebasis umfasst Batterien (konventionell und fortschrittlich), elektrochemische Kondensatoren, Schwungräder, Leistungselektronik, Steuerungssysteme und Softwaretools zur Speicheroptimierung und -dimensionierung. ESP arbeitet eng mit Industriepartnern zusammen – viele seiner Projekte unterliegen in hohem Maße einer Kostenteilung.

Das Energy Storage Program (ESP) bietet Versorgungsunternehmen und staatlichen Energiebehörden die Möglichkeit, bei der Planung, Beschaffung, Installation und Inbetriebnahme großer bahnbrechender Speicheranlagen mit einer Größe von bis zu mehreren Megawatt zusammenzuarbeiten. Darüber hinaus unterstützt es analytische Studien zur technischen und wirtschaftlichen Leistungsfähigkeit von Speichertechnologien sowie technische Bewertungen von Energiespeichersystemkomponenten und Betriebssystemen.

Eine verbesserte Energiespeicherung kann der Energiewirtschaft und ihren Privatkunden sowie industriellen Fertigungsunternehmen und Handelsunternehmen zahlreiche Vorteile bieten. Zu diesen Vorteilen gehören eine verbesserte Stromqualität und eine zuverlässige Stromlieferung an die Kunden sowie eine erhöhte Stabilität und Zuverlässigkeit der Übertragungs- und Verteilungssysteme.

Das Energy Storage Program (ESP) ermutigt Energieversorger, vorhandene Geräte nachzurüsten, um kostspielige Upgrades aufzuschieben oder zu eliminieren – wodurch die Verfügbarkeit verbessert und der Marktwert dezentraler Energie erhöht wird. ESPs bieten Versorgungsunternehmen und Lieferanten eine höherwertige Erzeugung erneuerbarer Energien und niedrigere Kosten durch höhere Kapazität und Aufschub der Übertragungszahlungen.

ESP arbeitet außerdem daran, die Energiespeicherdichte durch die Erforschung fortschrittlicher Elektrolyte für Durchflussbatterien, die Entwicklung von Niedertemperatur-Natriumbatterien und nanostrukturierten Elektroden mit verbesserter elektrochemischer Leistung zu erhöhen. Im Bereich der Leistungselektronik schreitet die Forschung an neuen Hochspannungs-, Hochleistungs-, Hochfrequenz- und Wide-Bandgap-Materialien wie Siliziumkarbid und Galliumnitrid voran. Darüber hinaus wird derzeit an fortschrittlichen Energieumwandlungssystemen geforscht, die fortschrittliche Magnetik, Hochspannungskondensatoren, Gehäuse und fortschrittliche Steuerungen nutzen, um die Leistungsdichte und Leistung deutlich zu steigern.

Energieplanet

Die Energy Earthshots Initiative ist eine weitere Initiative des US-Energieministeriums mit dem Ziel, innerhalb eines Jahrzehnts den Durchbruch zu mehr verfügbaren, erschwinglichen und zuverlässigen Lösungen für saubere Energie zu beschleunigen. Die Verwirklichung der Energy Earthshots-Initiative wird den USA dabei helfen, die größten Hindernisse bei der Bewältigung der Klimakrise zu überwinden, eine Wirtschaft mit sauberer Energie aufzubauen und bis 2050 schneller auf Netto-CO2-Emissionen von Null zu kommen.

DOE – Earthshots zur langfristigen Energiespeicherung

Long Duration Storage Energy Earthshots (LDSEE) hat sich zum Ziel gesetzt, die Kosten für die Energiespeicherung im Netzmaßstab für Systeme mit einer Laufzeit von mehr als 10 Stunden innerhalb eines Jahrzehnts um 90 Prozent zu senken. Die Energiespeicherung hat das Potenzial, die vollständige Dekarbonisierung des Netzes zu beschleunigen.

Derzeit werden Speicher mit kürzerer Laufzeit installiert, um das heutige Niveau der erneuerbaren Energieerzeugung zu unterstützen. Da immer mehr erneuerbare Energien im Netz eingesetzt werden, sind Speichertechnologien mit längerer Laufzeit erforderlich. Eine kostengünstigere und effizientere Speicherung wird es einfacher machen, erneuerbare saubere Energie zu erfassen und zu speichern, um sie dann zu nutzen, wenn die Energieproduktion nicht verfügbar ist oder unter die Nachfrage fällt.

Beispielsweise kann nachts bei steigendem Bedarf erneuerbare Energie wie tagsüber erzeugter Solarstrom genutzt werden, bei steigendem Bedarf kann in Zeiten geringer Nachfrage erzeugte Kernenergie genutzt werden. LDSS berücksichtigt alle Arten von Technologien – elektrochemische, mechanische, thermische, chemische Träger oder jede Kombination, die das Potenzial hat, die für die Netzflexibilität erforderlichen Dauer- und Kostenziele zu erreichen.

Mittel

Mehrere DOE-Büros führen Energiespeicherungsaktivitäten durch, und der Budgetantrag des Präsidenten für das Geschäftsjahr 2022 sieht einen Gesamtbetrag von 1,16 Milliarden US-Dollar für diese Aktivitäten vor, der im Querschnitt der Energy Storage Grand Challenge verfolgt wird. Bis zur Finanzierung durch Zuschüsse rechnet das DOE mit Finanzierungsmöglichkeiten und anderen Aktivitäten, um den Fortschritt bei der Erreichung der LDSS-Ziele im Einklang mit der Energy Storage Grand Challenges-Roadmap des DOE voranzutreiben.

Erreichen des Ziels von Netto-CO2-Null-Emissionen

Die Ziele der langfristigen Erdspeicherung (LDSS) sind von entscheidender Bedeutung, um bis 2035 Netto-CO2-Emissionen für das Netz und für die gesamte Wirtschaft bis 2050 zu erreichen. Energiespeicherung kann die lokale Kontrolle des Stromsystems verbessern und die Widerstandsfähigkeit von betroffenen Gemeinden stärken häufige Stromausfälle oder keinen Zugang zum Stromnetz. Durch die Entwicklung von Technologie und Fertigung zur Erfüllung der LDSS-Kostenziele wird auch ein neuer Sektor für die Herstellung von Speicherprodukten in den Vereinigten Staaten entstehen.

Da die Kosten für Solar- und Windtechnologien rapide sinken, wird ein zunehmender Anteil variabler erneuerbarer Energien in Zukunft zur Norm werden. Der Einsatz von Elektrofahrzeugen beschleunigt die Bemühungen zur Dekarbonisierung des Verkehrssektors.

Die Notwendigkeit, eine schwankende Energieversorgung zu ermöglichen, während der Energiesektor eine unterbrechungsfreie Produktion liefert, ist ein erreichbares Ziel. Bemühungen, erneuerbare Energien wie Sonne, Wind und andere erneuerbare Ressourcen in Endverbrauchssektoren zu integrieren, haben ein erhebliches Potenzial und die entscheidende Bedeutung der Stromspeicherung für eine umfassende Dekarbonisierung gezeigt.

Die Stromspeicherung auf der Grundlage sich rasch verbessernder Batterien und anderer Technologien wird eine größere Systemflexibilität ermöglichen, ein wichtiger Vorteil, da der Anteil variabler erneuerbarer Energien weiter zunimmt. Die Stromspeicherung kann einen von Elektrofahrzeugen dominierten Transportsektor ermöglichen, effiziente 24-Stunden netzunabhängige Solarhaussysteme ermöglichen und zu 100 Prozent erneuerbare Mikronetze unterstützen.

internationale Prognose

In dem Bericht Electricity Storage and Renewable Energy: Costs and Markets analysiert die Internationale Agentur für Erneuerbare Energien (IRENA) die aktuellen Kosten und die Leistung einer Reihe von Stromspeichertechnologien in stationären Anwendungen sowie deren Potenzial für Kostensenkung und Leistungsverbesserung durch 2030 bis 2030.“

Der Bericht kommt zu dem Schluss, dass sich die gesamte Stromspeicherkapazität in Bezug auf die Energie bis 2030 verdreifachen könnte. Mit der raschen Einführung erneuerbarer Energien dürfte dies ausreichen, um den Anteil erneuerbarer Energien am globalen Energiemix in weniger als 15 Jahren zu verdoppeln. Batteriestromspeicher könnten um das {{2}Fache wachsen und die Kosten für Batteriespeichertechnologie könnten um bis zu 66 Prozent sinken.

Diese Forschung zeigt, dass Batteriespeichersysteme ein enormes Potenzial für den Einsatz und die Kostensenkung haben. Die gesamten Installationskosten könnten bis 2030 um 50 bis 60 Prozent sinken, wobei die Batteriekosten noch stärker sinken würden. Dies alles ist auf die Optimierung der Produktionsanlagen sowie eine bessere Zusammensetzung und einen geringeren Materialverbrauch zurückzuführen.

Energiespeichersystemtechnik

Energiespeichersysteme (ESS) bieten eine breite Palette technologischer Ansätze zur Verwaltung unserer Stromversorgung, um eine widerstandsfähigere Energieinfrastruktur zu schaffen und Kosten für Versorgungsunternehmen und Verbraucher zu sparen. Im Folgenden werden die verschiedenen Ansätze erörtert, die derzeit weltweit eingesetzt werden.