Energiespeichersysteme - skaliert

Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeicher - Einsicht in die Vorteile

Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeicher

Die Energiespeicherung ist in der heutigen Gesellschaft unerlässlich, um das Angebot und die Nachfrage nach Energie unter Kontrolle zu halten. Jeder fragt sich, welche Energiespeicherung am effektivsten ist, wenn wir auf eine kohlenstoffarme Zukunft hinarbeiten.

Eine Lösung, die sich im Laufe der Jahre immer wieder bewährt hat, ist die Verwendung von Batterien. Da Lithiumbatterien immer besser verfügbar sind, werden sie heute immer häufiger für Energiespeicher verwendet.

Um den vollen Nutzen aus folgenden Punkten zu ziehen Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeichermüssen Sie mehr wissen als nur den Preis. Für eine effiziente Speicherung und Übertragung elektrischer Energie ist es wichtig, die Komponenten und die Funktionsweise dieses Energiespeichers zu verstehen. Um fundierte Entscheidungen treffen zu können, werden wir in diesem Artikel alle relevanten Informationen über Lithium-Ionen-Batterien als Energiespeicher behandeln.

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    Was ist eine Lithium-Ionen-Batterie als Energiespeicher?

    Der Hauptzweck der Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeichertechnologie besteht darin, elektrische Energie zu speichern, die in Notfallszenarien als Reservestrom verwendet werden kann. Es handelt sich um eine hochentwickelte Technologie, bei der wiederaufladbare Batterien aus lithiumhaltigen Verbindungen verwendet werden, um elektrische Energie zu speichern und abzugeben.

    Diese innovative Lösung kann mit erneuerbaren Energiequellen wie Solar- und Windenergie kombiniert werden, um deren schwankende und intermittierende Leistung auszugleichen. Darüber hinaus kann sie eine Vielzahl von Dienstleistungen für das Netz erbringen, darunter Frequenzregulierung, Spitzenlastverschiebung, Energiemanagement und die Integration erneuerbarer Energien.

    Benutzer können von einer effizienteren, nachhaltigen Energielösung profitieren, die auf ihre individuellen Anforderungen zugeschnitten ist, indem sie Lithium-Ionen-Batterien als Energiespeicher nutzen. In Solar- oder USV-Systemen werden häufig Lithium-Ionen-Batterien zur Energiespeicherung verwendet, da sie eine lange Lebensdauer und einen höheren Innenwiderstand haben.

    Wie funktionieren Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeicher?

    Für den Betrieb von Lithium-Ionen-Batterien müssen die Lithium-Ionen zwischen der positiven und der negativen Elektrode hin und her wandern. Dies ist durch den Betrieb der vier Komponenten in der Batterie möglich:

    ● Positive Elektrode
    ● Negative Elektroden
    ● Ein Elektrolyt (ein Stoff, der Ionen leitet)
    ● Ein Separator (eine Membran, die Kurzschlüsse verhindert)

    Wird eine Lithium-Ionen-Batterie an einen externen Stromkreis angeschlossen, z. B. an ein elektronisches Gerät oder ein Ladegerät, beginnt sie zu arbeiten, was entweder eine Entladung oder eine Ladung sein kann.

    Bei diesem Ladevorgang nimmt die positive oder negative Elektrode einen Teil der von der Kathode oder positiven Elektrode freigesetzten Lithium-Ionen auf. Die Lithium-Ionen werden von der negativen Elektrode aufgenommen und dort gespeichert. Die Potenzialdifferenz zwischen den Elektroden wächst durch die Umwandlung von elektrischer in chemische Energie.Wie funktionieren Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeicher?

    Der Prozess kehrt sich jedoch um, wenn sie an ein Gerät angeschlossen wird. Bei dieser Entladung werden Lithiumionen von der negativen Elektrode (Kathode) entladen und wandern über den Elektrolyten zur Anode (positive Elektrode). Die positive Elektrode nimmt die Lithium-Ionen auf und gibt dabei Elektronen an den äußeren Stromkreis ab. Die Potenzialdifferenz zwischen den Elektroden wird durch diesen Prozess, der chemische Energie in elektrische Energie umwandelt, verringert.

    Was sind die Bestandteile von Lithium-Ionen-Batteriespeichern?

    Batterie-System: Die Effizienz und Effektivität des Energiespeichersystems hängt stark vom Batteriesystem ab. Bei der Technologie werden häufig Lithium-Ionen-Zellen in Reihe und parallel geschaltet, um Batteriemodule zu bilden, die dann in Reihe geschaltet werden, um Batteriestränge zu bilden. Um die geeignete Spannung und Stromstärke zu erhalten, wird schließlich ein Gestell entworfen, indem diese Batteriestränge und -module parallel oder in Reihe geschaltet werden.Komponenten von Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeichern

    Batterie-Management-System (BMS): Dieses auf elektronischen Schaltkreisen basierende Echtzeit-Überwachungssystem garantiert die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Batteriesystems. Es überwacht mehrere Batteriezustände, darunter Spannung, Strom, Temperatur, Ladezustand und Gesundheit.

    BMS garantiert, dass der Lade- und Entladevorgang des Batteriesystems sicher gehandhabt wird, indem es Überladung und Überentladung verhindert.

    Das System umfasst auch einen Warn- und einen Notfallschutzmechanismus, um potenzielle Probleme mit dem Batteriesystem anzugehen. Durch die präzise Berechnung des Ladezustands (SOC) des Batteriesystems und seiner Komponenten auf allen Ebenen verbessert das BMS die Leistung des Batteriesystems.

    Energiemanagementsystem (EMS): Ein weiterer wesentlicher Bestandteil der Lithium-Ionen-Batteriespeicher ist das EMS, das für den Betrieb und die Optimierung des Systems verantwortlich ist.

    Das EMS überwacht die Batterie, das PCS, das Netz und die erneuerbaren Energiequellen und wählt mit Hilfe von Algorithmen und Modellen die besten Lade- und Entladetechniken für verschiedene Umstände und Anwendungen aus.

    Das EMS ist auch mit anderen Systemen verbunden, z. B. mit Leitstellen von Versorgungsunternehmen oder Marktbetreibern, um dem Netz und den Verbrauchern zahlreiche Dienste und Vorteile zu bieten.

    Hilfssysteme: Diese Komponenten unterstützen die Wartung und den Betrieb des Systems. Diese Systeme bestehen aus Kühl-, Feuerlösch-, Lüftungs-, Sicherheits-, Kommunikations-, Mess- und anderen Systemen, die die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Systems gewährleisten.

    Wie effizient ist die Energiespeicherung mit Lithium-Ionen-Batterien?

    Die vom Energiespeicherelement gespeicherte Elektrizität im Verhältnis zur zugeführten Energie wird als Energiespeichereffizienz der Lithium-Ionen-Batterie gemessen. Er wird von vielen Faktoren beeinflusst, darunter die Stromstärke, die Temperatur und die Dauer der Lade- und Entladevorgänge, und kann mit der Lebensdauer und den Kosten der Batterie in Verbindung gebracht werden.

    Dank ihres hervorragenden Wirkungsgrads verlieren Lithium-Ionen-Batterien beim Laden und Entladen weniger Energie. Der Round-Trip-Wirkungsgrad kann 99% erreichen, obwohl er bei Anwendungen im Netzbereich normalerweise zwischen 75 und 85% liegt. Es ist wichtig, die Variablen zu verstehen, die die Effizienz der Energiespeicherung in Lithium-Ionen-Batterien beeinflussen, wenn man sie erhöhen will.

    Was sind die Vor- und Nachteile von Lithium-Ionen-Batterien als Energiespeicher?

    Vorteile:
    Hohe Effizienz: Der einzigartige Vorteil von Lithium-Ionen-Batteriespeichern ist, dass sie beim Laden und Entladen nur wenig Energie verlieren. Dies ist auf den hohen Wirkungsgrad zurückzuführen, der bis zu 99 % der zugeführten Energie in Energie umwandelt. Da er seine Ladung gut hält, ist er perfekt für den langfristigen Einsatz geeignet, und Sie können Energie länger nutzen, als Sie es sich vielleicht vorstellen können.

    Hohe Flexibilität: Ein weiterer Vorteil von Lithium-Ionen-Batteriespeichern besteht darin, dass sie dem Netz und den Verbrauchern verschiedene Dienste anbieten können, z. B. Frequenzregelung, Spitzenlastverschiebung, Energiemanagement und Integration erneuerbarer Energiequellen. Außerdem können sie in verschiedenen Betriebsarten arbeiten, z. B. im Inselbetrieb oder mit Netzanbindung, und schnell auf Änderungen der Stromnachfrage oder des Stromangebots reagieren.

    Hohe Skalierbarkeit: Je nach Anwendung und Situation können Sie den Lithium-Ionen-Batteriespeicher durch Hinzufügen oder Entfernen von Modulen oder Gestellen einfach vergrößern oder verkleinern. Sie können auch standardisiert und modularisiert werden, um eine einfache Installation zu ermöglichen.Hohe Skalierbarkeit

    Geringer Wartungsaufwand: Lithium-Ionen-Batterien sind aufgrund ihrer langen Lebensdauer und geringen Selbstentladung eine gute Wahl, da sie im Laufe der Zeit seltener ausgetauscht werden müssen. Im Gegensatz zu anderen Batterien sind sie auch einfacher zu verwenden und zu warten, da sie nicht regelmäßig bewässert oder ausgeglichen werden müssen.

    Umweltfreundlichkeit: Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeicher stoßen während des Betriebs keine Treibhausgase oder Schadstoffe aus, was sie umweltfreundlich macht. Da Blei und Kadmium nicht vorhanden sind, stellen Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeicher kein Risiko für die menschliche Gesundheit oder die Umwelt dar.

    Nachteile:

    Kostenfragen: Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeicher haben unter allen verfügbaren Energiespeichertechnologien hohe Anschaffungskosten, die hauptsächlich auf die Kosten der Batteriezellen und der BMS zurückzuführen sind. Aufgrund des Bedarfs an Hilfssystemen wie Kühlung und Brandbekämpfung sind auch die Betriebskosten hoch.

    Ressourcenprobleme: Die Energiespeicherung in Lithium-Ionen-Batterien hängt von teuren, seltenen Elementen wie Lithium, Nickel, Mangan, Kobalt und Graphit ab, die durch geopolitische und Marktunsicherheiten beeinflusst werden. Die Gewinnung und Verarbeitung dieser Ressourcen kann nicht nur die Umwelt und die Menschenrechte beeinträchtigen, sondern auch die Umwelt selbst.

    Wie schneiden Lithium-Ionen-Batteriespeicher im Vergleich zu anderen Arten von Energiespeichern ab?

    Pumpspeicherkraftwerke zur Energiespeicherung
    Bei der Pumpspeicherung von Energie wird Wasser zur Speicherung und Abgabe von Strom verwendet. Sie hat die folgenden Vor- und Nachteile:

    Vorteil: Pumpspeicherkraftwerke bieten die Vorteile einer großen Kapazität, Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Erschwinglichkeit. Sie haben niedrige Energiekosten, eine konstante und kontinuierliche Stromerzeugung, eine lange Lebensdauer mit geringer Verschlechterung und die Möglichkeit, große Energiemengen über längere Zeiträume zu speichern.

    Nachteil: Es gibt ökologische, geografische, regulatorische und Effizienz-Probleme bei der Speicherung von Energie in Pumpspeicherkraftwerken. Sie können sich auf die Ökosysteme und die Wasserqualität der Stauseen auswirken, benötigen eine große Landfläche und ein geeignetes Gelände, stoßen auf den Widerstand der Öffentlichkeit und haben Schwierigkeiten, die erforderlichen Genehmigungen zu erhalten, und verbrauchen einen Teil der Energie beim Pumpen und Erzeugen.Wie schneiden Lithium-Ionen-Batteriespeicher im Vergleich zu anderen Arten von Energiespeichern ab?

    Druckluftenergiespeicher
    Die Druckluftspeicherung nutzt Luft zur Speicherung und Abgabe von Strom. Sie hat die folgenden Vor- und Nachteile:

    Vorteil: Druckluftspeicher bieten mehrere Vorteile, darunter eine große Kapazität, Skalierbarkeit, Flexibilität und niedrige Kosten. Sie können das Netz mit verschiedenen Dienstleistungen versorgen, z. B. Lastausgleich oder Frequenzregelung, und haben niedrige Energiekosten. Außerdem lässt er sich durch Hinzufügen oder Entfernen von Kompressoren oder Turbinen leicht vergrößern oder verkleinern.

    Nachteil: Die Speicherung von Druckluftenergie ist mit technischen, wirtschaftlichen, geografischen und ökologischen Problemen verbunden. Bei der Verbrennung oder dem Entweichen von Luft können Treibhausgase oder andere Schadstoffe freigesetzt werden, die Luft muss in unterirdischen Kavernen oder Tanks gespeichert werden, bei der Kompression oder Expansion wird Energie verbraucht, und es ist schwierig, den Luftdruck und die Temperatur konstant zu halten.

    Schwungrad-Energiespeicher
    Die Schwungrad-Energiespeicherung nutzt die kinetische Rotationsenergie, um Strom zu speichern und abzugeben. Sie hat die folgenden Vor- und Nachteile:

    Vorteil: Schwungrad-Energiespeicher sind sehr effektiv, haben eine hohe Leistungsdichte, eine schnelle Reaktion, eine lange Lebensdauer und sind umweltfreundlich. Sie können Millionen von Zyklen ohne Verschlechterung funktionieren, speichern mehr Energie pro Masseneinheit als aktuelle Technologien, laden und entladen sich schnell und mit wenig Verlust und setzen keine Treibhausgase oder Schadstoffe frei.

    Nachteil: Die Energiespeicherung mit Schwungrädern hat eine geringe Kapazität, Skalierbarkeit, Haltbarkeit und Sicherheit. Zu den Einschränkungen gehören die begrenzte Kapazität für die kurzfristige Energiespeicherung, die Schwierigkeit, die Kapazität durch Hinzufügen oder Entfernen von Schwungrädern aufgrund von Synchronisationsproblemen zu erhöhen oder zu verringern, die Anfälligkeit für mechanische Ausfälle oder den Verschleiß von Lagern oder Rotoren sowie das Explosions- oder Fragmentierungspotenzial im Falle einer Beschädigung oder Übergeschwindigkeit.

    Was sind die häufigsten Anwendungen für Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeicher?

    Einige der Anwendungen, die Lithium-Ionen-Batterien als Energiespeicher benötigen, sind

    Elektrofahrzeuge (EVs): Elektrofahrzeuge erfreuen sich zunehmender Beliebtheit, da sie den Verkehr einfacher, schneller und umweltfreundlicher machen. Diese Elektrofahrzeuge benötigen eine leichte, langlebige und schnell aufladbare Energiequelle, die Lithium-Ionen-Batterien bieten. Lithium-Ionen-Batterien verfügen über eine hohe Energiedichte und eine geringe Selbstentladung. Daher eignen sie sich am besten für den Betrieb von Elektrofahrzeugen, mit denen man lange Strecken mit geringer Ladezeit zurücklegen kann.

    UPS: Lithium-Ionen-Batterien speichern große Energiemengen über längere Zeiträume und sind daher eine gute Energie-Backup-Quelle, wenn die Stromversorgung unterbrochen ist. USVs und andere Notstromaggregate nutzen Lithium-Ionen-Batterien als Energiespeicher, um bei Stromausfällen sofortige Energieversorgung zu gewährleisten.

    Technologien für tragbare Energiespeicher: Powerbanks und andere tragbare Energiespeichersysteme werden mit Lithium-Ionen-Batterien gebaut. Lithium-Ionen-Batterien sind leicht, wenn Sie Ihre Powerbank mit sich herumtragen.

    Tragbare elektronische Geräte: Laptops und mobile Geräte nutzen Lithium-Ionen-Batterien als zuverlässige Energiequelle. Unternehmen, die tragbare elektronische Geräte herstellen, bevorzugen Lithium-Ionen-Batterien wegen ihrer Langlebigkeit, des schnellen und einfachen Aufladens, der hohen Energiedichte, des geringen Gewichts und der einfachen Wartung.

    Die Projektbeispiele für Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeicher in Industrie und Gewerbe

    FPL Manatee Energy Storage Center: Mit einer Kapazität von 409 MW/900 MWh ist das FPL Manatee Energy Storage Center in Florida das größte integrierte solarbetriebene Batteriesystem der Welt. In Kombination mit einer bestehenden 74,5-MW-Solaranlage kann es mehr als zwei Stunden Strom für 329.000 Häuser liefern. Darüber hinaus können die Kunden mehr als $100 Millionen einsparen, da der Bedarf an fossilen Brennstoffen reduziert wird.

    Moss Landing Energy Storage Facility, Phase II: Mit einer Kapazität von 400 MW/1.600 MWh gehört das Projekt Moss Landing Energy Storage Facility, Phase II in Kalifornien, zu den größten Batteriesystemen der Welt. Es kann rund 300.000 Haushalte vier Stunden lang mit Strom versorgen und befindet sich auf dem Gelände eines stillgelegten Gaskraftwerks. Es kann auch dazu beitragen, die Treibhausgasemissionen zu verringern und mehr erneuerbare Energie in das System einzuspeisen.

    Gambit Energiespeicherung: Mit einer Kapazität von mehr als 100 MW/200 MWh ist das Gambit-Energiespeicherprojekt in Texas ein weiteres bemerkenswertes Batteriesystem in den Vereinigten Staaten. Es kann Netzdienstleistungen anbieten, darunter Frequenzmanagement, Spannungsunterstützung und Lastverschiebung, und ist im Besitz von Tesla. Außerdem kann es die Widerstandsfähigkeit des Netzes bei ungünstigen Wetterbedingungen verbessern.

    Wie berechnet man die Kosten für die Energiespeicherung in Lithium-Ionen-Batterien?

    Die Kosten für die Energiespeicherung mit Lithiumbatterien lassen sich anhand der Stromgestehungskosten (LCOES) ermitteln, die das Verhältnis zwischen den Gesamtkosten des Batteriesystems und der während seiner Lebensdauer bereitgestellten Gesamtenergie darstellen. Die Anschaffungskosten, die laufenden Kosten, die Effektivität, die Lebensdauer und die Entladetiefe der Batterie sind nur einige der Variablen, die die LCOES beeinflussen.

    Um die LCOES zu berechnen, können Sie diese Formel verwenden:

    LCOES = (Vorlaufkosten + Betriebskosten) / (Gesamtenergie, die während des gesamten Lebenszyklus erzeugt wird)

    Schlussfolgerung

    Um Strom mit hoher Effizienz, Flexibilität, Skalierbarkeit, minimalem Wartungsaufwand und Umweltfreundlichkeit zu speichern und freizugeben, werden Lithium-Ionen-Akkus zur Energiespeicherung eingesetzt.

    Sie können mehr Energie pro Volumen- oder Masseneinheit speichern als herkömmliche Batterien, reagieren schnell auf Änderungen des Energiebedarfs oder -angebots, arbeiten in vielen Betriebsarten, überstehen Hunderte von Zyklen und stoßen weder Treibhausgase noch Schadstoffe aus. Insgesamt ist sie eine hervorragende Möglichkeit, Energie in kleinem oder großem Maßstab zu speichern.

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