Funktionsprinzip von Energiespeichersystemen für Wohngebäude

Ein Energiespeichersystem für Privathaushalte besteht in der Regel aus drei Hauptkomponenten: einem photovoltaischen (PV) Stromerzeugungssystem, einem Energiespeicher-Teilsystem und elektrischen Lasten. Das PV-System wandelt Sonnenenergie in Gleichstrom um. Das Energiespeicher-Teilsystem umfasst eine Batteriebank und einen bidirektionalen Wechselrichter, die für die bidirektionale Umwandlung zwischen Gleichstrom und Wechselstrom (AC) sowie für das Lade- und Entlademanagement der Batterien zuständig sind. Bei den elektrischen Lasten handelt es sich um verschiedene Haushaltsgeräte, die den vom System ausgegebenen Wechselstrom verbrauchen.

Während des Betriebs wird der von den PV-Anlagen erzeugte Gleichstrom zunächst vom Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt, um die Haushaltsgeräte mit Strom zu versorgen, wobei die überschüssige Energie in der Batteriebank gespeichert wird. In der Nacht oder in Zeiten ohne Sonneneinstrahlung entlädt sich die Batteriebank, und die elektrische Energie wird durch den Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt, um die Haushaltslasten kontinuierlich zu versorgen. Im Falle eines Leistungsdefizits kann das System auch Strom aus dem Stromnetz als Zusatzstrom beziehen. Dieses System nutzt die Solarstromerzeugung effizient, reduziert Spitzenlasten im Netz, spart Stromkosten und kann als im Haushalt eingebettetes "Mikrokraftwerk" betrachtet werden.

Dieses integrierte System, das Solarstromerzeugung, Energiespeichermanagement und intelligente Energienutzung kombiniert, ist eine praktikable und vielversprechende Richtung für zukünftige Energieanwendungen in Privathaushalten.

Batterietechnologien für Energiespeichersysteme

Die Batteriebank ist die Kernkomponente eines Energiespeichersystems. Die wichtigsten Batterietechnologien und ihre Funktionsprinzipien sind wie folgt:

Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien verwenden Lithium-Metalloxid / Lithium-Metalloxid oder Lithium-Metalloxid / Kohlenstoff-Materialien als positive und negative Elektrodenmaterialien. Sie zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte, eine lange Lebensdauer und keinen Memory-Effekt aus, was sie zur derzeit optimalen Wahl für Energiespeicheranwendungen in Privathaushalten macht. Lithium-Ionen-Batterien werden auch häufig in Elektrofahrzeugen, Laptops und anderen Anwendungen eingesetzt.

Blei-Säure-Batterien

Blei-Säure-Batterien sind eine relativ traditionelle Art von Sekundärbatterien, bei denen Blei und seine Oxide als positive und negative Elektrodenmaterialien verwendet werden. Die Blei-Säure-Batterietechnologie ist zwar relativ ausgereift und kostengünstig, hat aber eine relativ geringe Energiedichte, eine kurze Zykluslebensdauer und erfordert regelmäßige Wartung und Elektrolytnachschub. Blei-Säure-Batterien werden hauptsächlich in Start-Stopp-Systemen für Kraftfahrzeuge, Telekommunikationsbasisstationen und Notstromversorgungen für Rechenzentren eingesetzt.

Blei-Kohlenstoff-Batterien

Blei-Kohlenstoff-Batterien enthalten kohlenstoffmodifizierte Materialien in der positiven Elektrode herkömmlicher Blei-Säure-Batterien, wodurch die Selbstentladungsraten im Standby-Modus reduziert und die Entladeleistung bei hohen Entladungsraten verbessert werden. Ihre allgemeinen Leistungsparameter sind jedoch mit denen von Blei-Säure-Batterien vergleichbar, und sie leiden auch unter einer kurzen Lebensdauer und einem großen Platzbedarf.

Vollvanadium-Redox-Flow-Batterien

All-Vanadium-Redox-Flow-Batterien nutzen zwei verschiedene Oxidationszustände von Vanadium in flüssigen Elektrolytlösungen als positive und negative aktive Materialien, wobei die Energie in den Flüssigkeiten und nicht in den Elektrodenmaterialien gespeichert wird. Zu ihren Hauptvorteilen gehören eine lange Lebensdauer (> 10.000 Zyklen), volle Lade- und Entladefähigkeit und Umweltfreundlichkeit, was sie zu einem potenziellen Kandidaten für Energiespeicheranwendungen in Privathaushalten und im großen Maßstab macht.

Natrium-Schwefel-Batterien

Natrium-Schwefel-Batterien verwenden geschmolzenes Natrium und geschmolzenen Schwefel als negative bzw. positive Elektrodenmaterialien und arbeiten bei hohen Temperaturen von 300-350 ° C. Aufgrund ihrer außergewöhnlichen Hochtemperaturleistung eignen sie sich für die Energiespeicherung in tropischen Regionen, aber ihre Nachteile, wie schnelle Selbstentladung, geringe Zykluseffizienz und Sicherheitsbedenken, haben ihren Einsatz in großem Maßstab eingeschränkt.

Festkörperbatterien

Festkörperbatterien ersetzen herkömmliche Flüssigkeits- oder Gelelektrolyte durch anorganische Feststoff- oder Polymer-Festelektrolyte und bieten eine höhere thermische Stabilität, Sicherheit und volumetrische Energiedichte. Sie gelten als Zukunftsrichtung für Batterien mit hoher Energiedichte und werden derzeit hauptsächlich in Stromquellen für tragbare Geräte im Mikrobereich eingesetzt.

Anwendungen und Aussichten von Energiespeichertechnologien

Energiespeichersysteme sind eine Schlüsseltechnologie, um die Energiewende zu ermöglichen und die Nutzung erneuerbarer Energiequellen zu erhöhen. Bei intermittierenden Kraftwerken für erneuerbare Energien, wie Solar- und Windkraftanlagen, kann der bei Tageslicht oder in windigen Zeiten erzeugte Strom nicht sofort verbraucht werden, so dass Energiespeichersysteme erforderlich sind, um den überschüssigen Strom zu speichern. In der Nacht oder in Zeiten ohne erneuerbare Energien kann die gespeicherte Energie zur Versorgung der Lasten abgeführt werden, wodurch das zeitliche und räumliche Ungleichgewicht der Energieressourcen wirksam ausgeglichen wird.

Kommerzielle Anwendungen

Im gewerblichen Bereich gehören zu den Hauptanwendungen von Energiespeichersystemen:

Spitzenrasur und Talfüllung:

Durch das Aufladen der Batterien mit kostengünstigem Strom in Schwachlastzeiten und das Entladen in Spitzenlastzeiten kann ein effektives Stromkostenmanagement erreicht werden.

Lastverschiebung:

Durch den Einsatz von Energiespeichersystemen zur Deckung eines Teils des Lastbedarfs können die Auswirkungen von Lastspitzen auf das Netz reduziert werden, was eine geringere vertraglich vereinbarte Stromkapazität und grundlegende Stromkosteneinsparungen ermöglicht.

In dem Maße, wie sich die Energiespeichertechnologien weiterentwickeln und die Preise für Batteriesysteme sinken, werden Energiespeichersysteme im kommerziellen Maßstab allmählich wirtschaftlich rentabel.

Wohnanwendungen

Im privaten Sektor machen kostengünstige Energiespeichersysteme für zu Hause den Einsatz dezentraler Solar-PV und anderer erneuerbarer Energiesysteme praktikabler. Traditionell war ein großer Nachteil der Solarstromerzeugung das Missverhältnis zwischen der Energieerzeugung am Tag und dem nächtlichen Energiebedarf. Durch die Integration von Energiespeichersystemen kann tagsüber erzeugte Solarenergie effizient gespeichert und die gespeicherte Energie genutzt werden, um den Haushalt nachts kontinuierlich mit Strom zu versorgen, was eine Nutzung der Solarstromerzeugung rund um die Uhr ermöglicht.

Praktische Anwendungen

Das ultimative Ziel der Entwicklung von Energiespeichertechnologien ist die Bereitstellung von Unterstützungsdiensten für große Netzsysteme. Mit Hilfe der groß angelegten Energiespeicherung kann der von intermittierenden erneuerbaren Quellen wie Wind-, Solar-, Wasserkraft- und Gezeitenkraftwerken erzeugte Strom effizient gespeichert und als Stromregulierung ins Netz geleitet werden, wodurch traditionelle mit fossilen Brennstoffen befeuerte Kraftwerke ersetzt und der kohlenstoffarme und saubere Übergang der Energiewirtschaft gefördert werden. Die Entwicklung und Anwendung von Energiespeichertechnologien wird die Grundlage für eine breite Nutzung erneuerbarer Energiequellen und den endgültigen vollständigen Ersatz fossiler Brennstoffe schaffen.