Ein Batterie-Großspeicher ist ein großer Batteriespeicher. Batteriespeicher sind Akkumulatoren, kurz
Akku genannt.

Was ist ein Akkumulator?

Die Bezeichnung Akkumulator ist lateinischen Ursprungs: Das lateinische Wort „accumulator“ lässt sich mit „Sammler“ ins Deutsche übersetzen. Ein Akkumulator ist ein wiederaufladbares Speicherelement (elektrochemische Zelle), das Energie zu speichern vermag. Beim Aufladen eines Akkus wird elektrische Energie (Elektrizität, Strom) in chemische Energie umgewandelt. Schließt man den geladenen Akku an einen Stromverbraucher an, wird die chemische Energie wieder in elektrische Energie zurückgewandelt.

Entsprechend der Menge an Energie, die ein Batteriespeicher speichert, unterteilt man diese in

• herkömmliche (kleine) Batteriespeicher, wie sie zum Beispiel in einem Privathaushalt zum Einsatz kommen, der mit einer Solarstromanlage (Photovoltaik) erneuerbaren Strom zum Eigenverbrauch im Haushalt erzeugt. Der Batteriespeicher, auch Solarbatterie, Solarakkumulator oder kurz Solarakku genannt, speichert den tagsüber erzeugten, nicht direkt verbrauchten und damit überschüssigen Solarstrom, so dass dieser in ertragsarmen oder ertragslosen Zeiten wie abends und nachts zeitversetzt verbraucht werden kann.
• größere Batteriespeicher machen dasselbe wie die kleineren Modelle, allerdings in größerem Maßstab bei größeren Photovoltaik-Anlagen wie sie in Gewerbe-, Landwirtschafts- und Industriebetrieben installiert sind, um den Betriebsstrom zu erzeugen.
• Batterie-Großspeicher, die auch Batterie-Speicherkraftwerke genannt werden.

Wozu anzumerken ist, dass diese Einteilung nicht scharf abgegrenzt ist. Mitunter ist auch von kleinen, mittleren und großen Batterie-Speicherkraftwerken die Rede.

Der Bundesverband Energiespeicher e.V. (BVES) erklärt in einem Leitfaden (hier als PDF-Datei zu lesen) hinsichtlich der Leistung/Kapazität, dass die Obergrenze für Hausspeicher bei 30 Kilowatt (kW)/30 Kilowattstunden (kWh) liege. Demnach beginne oberhalb dieser Grenze der Bereich der Großspeicher. Wobei der Branchenverband darauf hinweist, dass dies lediglich eine Richtgröße sei.

Gut zu wissen sei demnach auch, dass viele Batterie-Speichersysteme heutzutage skalierbar ausgelegt seien und somit die Möglichkeit einer späteren Erweiterung böten.

1. Das Fraunhofer Institut für Solarenergie (ISE) unterteilt Batterie-Großspeicher hier wie folgt: Heimspeicher seien demnach kleinere, dezentrale Batteriespeicher – und längst state-of-the- art in Eigenheimen, wo sie als Zwischenspeicher für PV-Strom dienten, der auf dem Hausdach erzeugt werde.
2. Größer dimensionierte Quartierspeicher würden laut ISE als Zwischenspeicher in Siedlungen und Wohnvierteln zum Einsatz kommen, wo sie die gemeinschaftliche Nutzung des lokal erzeugten Stroms ermöglichten.
3. Ein enormes Potenzial schreibt das ISE dem Ausbau stationärer Batterie-Großspeicher zu, insbesondere in Verbindung mit Solarparks. Diese könnten einerseits die Abschaltung von Atom- und Kohlekraftwerken zu Teilen kompensieren und böten darüber hinaus eine klimafreundliche Perspektive für ehemalige Kraftwerksstandorte.

Wie gibt man die Größe eines Batteriespeichers an?

Die „Größe“ eines Batterie-Speicherkraftwerks bezieht sich

• entweder auf dessen Leistung,
• auf dessen Energiedichte
• oder auf dessen Speicherkapazität, also auf die Menge an Energie, die der Batteriespeicher speichern kann.

Die Leistung gibt man in Watt (W) pro Kilogramm (kg) oder Liter (l) an. Diese Kennzahl ist wichtig, denn sie beziffert die Einspeicherleistung wie die Ausspeicherleistung. Anders ausgedrückt: Die Leistung eines Batteriespeichers informiert Sie zu dessen Ladeleistung und Entladeleistung als in einer bestimmten Zeit verrichtete Arbeit.

Die Energiedichte wird in Wattstunden (Wh) je Kilogramm (kg) oder je Liter (l) beziffert. Damit lässt sich das Anwendungsspektrum der Speicher beschreiben. Die sogenannte Leistungsdichte sagt etwas über die Leistung des Batteriespeichers in Bezug auf sein Gewicht oder Volumen aus.

Mit der Speicherkapazität wird der Anteil des Stroms beziffert, den der Batteriespeicher überhaupt zu speichern vermag. Es geht hier also um den nutzbaren Energieanteil des Speichers. Dabei handelt es sich um eine Arbeit, die in Wattstunden (Wh) angegeben wird.

Was ist der Unterschied zwischen kW und kWh?

Um den Unterschied zwischen den beiden Maßeinheiten Kilowatt und Kilowattstunde zu erklären, brechen wir diese zunächst auf Watt und Wattstunde herunter. Ein Kilowatt sind 1.000 Watt, eine Kilowattstunde sind 1.000 Wattstunden. Watt gilt in der Physik als Maßeinheit für die Leistung. Das heißt, dass ein Watt (als Maßeinheit für Energie in Zeit) für die mechanische Arbeit von einem Joule (J) in einer Sekunde (s) steht.

Eine Kilowattstunde ist demnach die Energie, die beispielsweise eine Maschine mit einer Leistung von 1.000 Watt, die in diesem Fall 1.000 Joule (1 Kilojoule) pro Sekunde verrichtet, wenn sie eine Stunde (h) lang läuft (arbeitet).

Laut dem BVES können Batterie-Großspeicher vielseitig eingesetzt werden. Meist würde der Einsatz von Batterie-Großspeichern demnach der sogenannten Netzstabilität dienen und damit helfen, die Energiewende, also den Systemwechsel von fossiler auf erneuerbar in der Energiewirtschaft zu vollziehen.

Was ist Netzstabilität?

Der Begriff Netzstabilität beschreibt die Balance zwischen Stromproduktion und Stromverbrauch. Diese Balance ist elementar, um eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zu gewährleisten. Weil Strom sich im Übertragungsnetz nicht speichern lässt, muss stets genauso viel Strom ins Netz eingespeist werden wie ausgespeist wird.

Das Stromnetz gilt als stabil, wenn weder die Netzspannung noch die Netzfrequenz schwanken. Geraten die beiden aus dem Takt, sprich: liegen sie außerhalb der festgelegten Toleranzbereiche, schadet das möglicherweise den an das Stromnetz angeschlossenen Geräten. Schlimmstenfalls bricht die Stromversorgung zusammen.

Was ist die Herausforderung hinsichtlich der Netzstabilität mit erneuerbaren Energien?

In fossilen Energiezeiten wurde der Strom zumeist zentral von Großkraftwerken erzeugt. Er floss von dort zunächst zu den Lastzentren und dann zu den Verbrauchern. Anders gesagt: Die fossile Stromerzeugung fußte auf einem reinen Wechselspannungssystem mit einseitigem Energiefluss.

Typisch für erneuerbare Energiezeiten ist, dass Energie dezentral erzeugt und möglichst nahe ihrem Erzeugungsort verbraucht wird. Die erneuerbaren Energieerzeugungsanlagen beeinflussen die Stromnetzqualität – zum Beispiel mit der sogenannten Netzrückwirkung von Solaranlagen.

Wobei nicht nur erneuerbare Energiequellen die Stromversorgung komplexer machen. Auch energiesparende Haushaltsgeräte, moderne Leistungselektronik und die Elektromobilität haben einen Anteil daran. Um trotz der gestiegenen Anforderungen weiterhin eine hohe Ausfallsicherheit der Stromnetze zu gewährleisten müssen die Anlagen und Netze miteinander abgestimmt werden.

Welche Rolle spielen Speicher in einer dezentralen, erneuerbaren Stromversorgung?

Der zentrale Faktor für die Netzstabilität in erneuerbaren Energiezeiten sind Energiespeicher. Denn sie puffern überschüssige Energie aus Erzeugungsspitzen, um sie zeitversetzt wieder abzugeben.

Mögliche Anwendungen für Batterie-Großspeicher sind laut dem BVES:

1. Netzdienstleistungen wie Frequenzregelung, Primär- und Sekundärregelleistung, Blindleistungskompensation, Fahrplanerfüllung, Energiehandel u.a.
2. Autarkie-Services wie Inselbetrieb, Quartierspeicher, Eigenverbrauch (Power/Timeshifting), u.a.
3. Industriedienstleistungen wie Peak Shaving, Anschlussleistungsbegrenzung, Ersatz- /Notstrombetrieb, Energiemanagement, Eigenverbrauch (Power/Timeshifting), Primärregelleistung u.a.
4. Infrastrukturdienstleistungen wie Spannungsstabilisierung, Power Boosting (Schwarzstart, Bereitstellung hoher Leistung in schwach ausgebauten Netzen), Netzausbauvermeidung, Unterstützung dezentrale Energieversorgung, Quartierspeicher u.a.

Ein moderner Batterie-Großspeicher ist laut dem BVES eine individuell geplante Elektrosystemanlage, die aus mehreren Einheiten/Komponenten bestünden, darunter

• (kaskadierbare) Batterieschränke mit BMS,
• DC/DC Wandler,
• Wechselrichtereinheit mit/ohne Netzentstörungskomponenten,
• Niederspannungsanlage,
• Transformator,
• Mittelspannungsanlage,
• Zählereinheit,

die in einem Container/Gebäude mit Klima- sowie Brandüberwachungseinheit und IT-Infrastruktur untergebracht werden können.

Batteriespeicherkraftwerke verfügen über jede Menge zu Gruppen zusammengefasster Akkumulatoren, um darin elektrische Energie zu speichern. Die einzelnen Batterien sind dabei meist in raumhohen Racks sortiert und so eng übereinandergeschichtet, dass jedes Element eine eigene Belüftung benötigt: Denn zu hohe Temperaturen würden die Lebensdauer der Akkus verkürzen.

Die Kapazitäten sind nach oben hin nahezu offen, sodass nur der zur Verfügung stehende Platz die Menge an Batterie-Racks begrenzt.

Vom Aufbau her lassen sich Batterie-Großspeicher durchaus mit unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) vergleichen, wie sie beispielsweise in Rechenzentren zum Einsatz kommen, auch wenn sie deutlich größer ausfallen. Die eigentlichen Akkus werden zur Sicherheit in eigenen Hallen (bei provisorischen Anlagen in Containern) untergebracht.

Wie eine USV können auch die elektrochemischen Akkus Strom grundsätzlich nur in Form von Gleichspannung speichern beziehungsweise abgeben, während elektrische Energienetze in der Regel mit Wechselspannung betrieben werden. Deshalb braucht es extra Wechselrichter, die bei Batterie-Speicherkraftwerken wegen der höheren Leistung und Anbindung mit Hochspannung arbeiten. Um Strom speichern zu können, muss dieser zunächst über Hochspannungs-Gleichrichter in Gleichspannung umgewandelt werden. Wird im Anschluss wieder Strom entnommen, muss auch hier eine Konversion zurück in Wechselspannung erfolgen. Es wird laut der Wikipedia dabei Leistungselektronik mit sogenannten GTO-Thyristoren eingesetzt, die auch bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) üblich ist.

Als Akkus kommen je nach Anlage verschiedene Systeme zum Einsatz. Die ersten Batterie- Großspeicher in den 1980er-Jahren arbeiteten Großteils mit Bleiakkumulatoren. In den folgenden

Dekaden setzte man auch zunehmend auf Nickel-Cadmium-Akkumulatoren und Akkumulator-Typen wie den Natrium-Schwefel-Akkumulator.

Wegen der fallenden Preise (seit 1991 seien die Preise um rund 97 Prozent gesunken) hätten seit den 2010er-Jahren Lithium-Ionen-Akkumulatoren die Nase vorn, schreibt die Wikipedia hier. Es gäbe jedoch auch weitere Technologien im Einsatz: Blei-, Natrium-Schwefel-, Natrium-Nickelchlorid- sowie Nickel-Cadmium-Akkumulatoren. Dazu gesellen sich noch einige Redox-Flow-Zellen (Flüssigbatterien), berichtet das Portal Ingenieur.de hier online.

Dem BVES zufolge sei für das Aufstellen eines Batterie-Großspeichers ein abgeschlossener elektrischer Betriebsraum beziehungsweise Batterieraum für den Speicher selbst (und dessen Systemkomponenten) nötig, zu dem nur geschultes Personal Zugang haben dürfe. Ein Großspeicher lasse sich demnach grundsätzlich

• in jeder Art von Gebäude (darunter Wohn-, Gewerbe-, Lager- oder Industriegebäude),
• freistehend
• oder in einem Container unterbringen.

Ein Solarpark oder Windpark – ausgelegt als Hybridanlage mit Batterie-Großspeicher – verursacht zwar zunächst höhere Investitionskosten. Doch er bringt auch neue Möglichkeiten zur Vermarktung des Solarstroms und Windstroms: Dank des Speichers lassen sich der tagsüber erzeugte Solarstrom sowie der Windstrom zwischenspeichern – und zu Zeiten mit höheren Strompreisen ins öffentliche Netz einspeisen. Weitere einträgliche Geschäftsmodelle seien: die Bereitstellung von Primärregelleistung oder das Intraday-Trading.

Dank der höheren Vergütung für Hybridprojekte im Rahmen der Innovationsausschreibungen lasse sich die Wirtschaftlichkeit eines Solarparks plus Speicher mit der reiner Solarparks durchaus vergleichen, bei kleineren Projekten sei sie tendenziell sogar besser, schreibt das Portal ErneuerbareEnergien.de. Eine andere Möglichkeit sei demnach der Einsatz des Batteriespeichers für Primärregelleistung oder im Intraday-Handel. Wegen der jüngsten Entwicklungen am Strommarkt seien die Erlöse in beiden Bereichen deutlich gestiegen.

Stationäre Batterie-Großspeicher werden auch Front-of-the-Meter-Speicher genannt. Dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) zufolge könnten sie

• als schnell verfügbare Kurzzeitspeicher helfen, große Mengen an erneuerbaren Energien (EE) ins Stromnetz zu integrieren.
• genutzt werden, um die Übertragungskapazitäten der Stromnetze zu erhöhen und reduzieren damit den benötigten Netzausbau.

Demnach käme ihnen wegen ihrer hochdynamischen Regelbarkeit eine große Bedeutung bei derynamischen Stabilisierung der Stromnetze zu.

Batterie-Großspeicher würden dem ISE zufolge benötigt, um beispielsweise die Netzregelungsaufgaben (Spannungs- und Frequenzregelung) von konventionellen Must-Run- Kraftwerken zu übernehmen oder große Mengen an überschüssigem EE-Strom zwischenzuspeichern und zu einem späteren Zeitpunkt bedarfsgerecht und gewinnbringend wieder ins Netz einzuspeisen.

Wichtige Aufgabe der Batterie-Großspeicher sei es demnach, das Stromnetz angesichts fluktuierender Einspeisung seitens Photovoltaik (PV) und Wind stabil und ausfallsicher zu halten. Darüber hinaus würden die dezentralen Speicher, eingesetzt in Industrie und Gewerbe, den Anteil der solaren Selbstversorgung erhöhen und angesichts stark steigender Energiemarktpreise, ökonomische und ökologische Einsparungspotenziale bieten. Intelligente Leistungselektronik und Energiemanagementsysteme optimierten dabei das Zusammenspiel von Erzeugern, Verbrauchern, Speichern und Stromnetzen.

Die ökonomischen Vorteile von Batterie-Großspeichern seien laut dem ISE:

• Sie trügen zur Optimierung der Netzauslastung mit intelligenter Leistungselektronik bei.
• Sie machen Deutschland unabhängiger von Strom-Importen.
• Das Abschalten konventioneller Kraftwerke werde damit unrentabler.
• Sie böten Betreibern von Solarparks und Windparks neue Vermarktungsoptionen.
• Sie würden die Versorgungssicherheit und Netzstabilität gewährleisten-
• Sie würden Netznutzungsentgelte und Stromkosten senken.
• Sie erlaubten intelligente Netzintegration von Ladestationen für Elektrofahrzeuge.
• Sie trügen dank des hohen PV-Stromanteils zur Preisautarkie bei.

Hinzu kämen laut ISE diese ökologischen Vorteile von großen Batteriespeichern:

• Sie seien Teil einer treibhausgasneutralen Stromproduktion (Reduktion der CO 2 -Emissionen).
• Sie erlaubten ein umfangreiches Integrieren erneuerbarer Energien in die Stromproduktion.
• Sie leisteten einen positiven Beitrag zur Umweltbilanz, weil sie als Second-Life-Speicher genutzt werden könnten.
• Sie würden den Netzausbaubedarf senken.
• Sie seien Teil einer intelligenten (Smarten) Sektorenkopplung.

Die installierte Leistung von Batterie-Großspeichern in Deutschland (Stand 2021) beziffert das ISE auf rund 750 MWh.
 

Der gesamte Speicherbedarf in Deutschland werde im Jahr 2030 demnach bei 104 GWh liegen, im Jahr 2045 bei 180 GWh. Dem ISE zufolge könnten Batterie-Großspeicher einen erheblichen Anteil davon abdecken.

Für die Systemintegration des fluktuierenden Stroms werden bis 2030 etwa 100 GW und bis 2045 etwa 180 GW an stationären Batteriespeichern benötigt. Grafik: ©Fraunhofer ISE

Das Portal Ingenieur.de nennt als die drei größten Batterie-Großspeicher in Deutschland:

1. Netzbooster Kupferzell (250 MWh) – nach Fertigstellung im Jahr 2025 der größte Batterie- Speicher Europas
2. Batteriespeicher Jardelund (59 MWh) im Kreis Schleswig-Flensburg in Schleswig-Holstein
3. Batteriespeicher Cremzow (38,4 MWh) in Brandenburg

Noch sei demnach der Batterie-Großspeicher „Stockham PelhamFacility“ im britischen Hertfordshire mit einer Kapazität von 50 MWh der größte in Europa. Er erstrecke sich auf rund 4.500 Quadratmeter (m²) und bestehe aus 7 E-Häusern (Fertighäuser) sowie 27 Wechselrichtern. Rund 150.000 einzelne Lithium-Ionen-Akkus seien verbaut und über einen 132-kV-Netzanschluss (kV steht für Kilovolt) mit einem nahe gelegenen Umspannwerk verbunden. Die maximale Ausgangsleistung beziffert das Portal in seinem Bericht auf 50 MW. Geladen werde der Batteriespeicher vorwiegend aus überschüssiger Energie von Solarzellen.