Die häufigen Brandunfälle in Energiespeichern auf der ganzen Welt haben nicht nur erhebliche Opfer- und Sachschäden verursacht, sondern auch zu intensiven Überlegungen hinsichtlich des Sicherheitsmanagements und der Überwachung von Energiespeicherkraftwerken geführt.

Das Electric Power Research Institute der Vereinigten Staaten hat durch die Untersuchung mehrerer öffentlich bekannt gewordener Brände in Energiespeicherkraftwerken zwischen 2018 und 2023 eine entsprechende Datenbank erstellt. Nach der Klassifizierung und dem Vergleich der Brandunfälle mit dem Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) des US-Energieministeriums und Twaice aus Deutschland wurde festgestellt, dass neben den Risiken der Batteriezellen und Steuerungssysteme selbst auch die Integration und der Betrieb von Energiespeicherkraftwerken wichtige Faktoren sind, die zu Unfällen führen.

Beunruhigend ist, dass in China zwar die installierte Energiespeicherkapazität deutlich zugenommen hat, die Technologie diversifiziert wurde, Kapital stark ins Land geflossen ist und Industriecluster entstanden sind. Hinter dem Wachstumsrausch verbergen sich jedoch Bedenken hinsichtlich des Aufbaus, aber der Nichtnutzung und der ungeordneten Ausweitung der Produktionskapazität. Der „Preiskrieg“ ist voller Rauch und die Rentabilität und Produktqualität der Unternehmen stehen vor einer doppelten Bewährungsprobe.

Das Wesen der Energiespeicherung besteht eher in der „Anpassung“ als in der „Speicherung“. In Zukunft wird die Energiespeicherung als unterstützende Industrie für das neue Stromsystem in Stromsystemtransaktionen einbezogen und zu kommerziellen Anwendungen zurückkehren, um eine qualitativ hochwertige Entwicklung zu erreichen und den langfristigen Wert der Energiespeicherung voll auszuschöpfen. Derzeit vollzieht sich dieser Marktwandel allmählich.

Aufgrund mehrerer Faktoren kehrt der langfristige Wert der Energiespeicherung allmählich zurück

Im vergangenen Jahr hat sich China unter dem Einfluss mehrerer Faktoren wie politischer Unterstützung, Unternehmensbemühungen und Marktgunst zum größten Wind-, Solar- und Energiespeichermarkt der Welt entwickelt. Laut dem „Energy Storage Industry Research White Paper 2024“ wird die neu installierte Energiespeicherkapazität Chinas im Jahr 2023 um 21,5 GW steigen – ein Rekordhoch.

Im Gegensatz dazu ist der Marktpreis von Energiespeichersystemen aufgrund einer Überlagerung mehrerer Faktoren wie Rohstoffpreissenkungen, erbitterter Konkurrenz und technologischer Homogenität gesunken. Liu Manping, leitender Ökonom am Preisüberwachungszentrum der Nationalen Entwicklungs- und Reformkommission, sagte: „Derzeit wächst die Kapazität der Energiespeicherbranche rasant, und es treten strukturelle Probleme auf. Einige Projekte werden zwar „gebaut, aber nicht genutzt“. Die tatsächliche Auslastung von mit neuer Energie gebauten Energiespeichern ist nicht hoch. Das Betriebsmodell und der Marktmechanismus sind noch nicht perfekt, was zu einem Engpass geworden ist, der die Entwicklung der Branche einschränkt.“ „Involution“ oder „Leerlauf“? Wie kann die Energiespeicherbranche einen Durchbruch erzielen? Die am Markt und an der kommerziellen Anwendung orientierte Wertlogik der Branche muss dringend neu aufgebaut werden.

Die Energiespeicherung selbst ist ein wichtiges unterstützendes System im neuen Energiesystem. Derzeit durchlaufen die Energiesysteme in China und sogar in Industrieländern in Europa und den Vereinigten Staaten einen Wandel: „sauber und kohlenstoffarm, sicher und kontrollierbar, flexibel und effizient, intelligent und freundlich, offen und interaktiv.“ Die Entwicklungsrichtung der Energiespeicherung hängt eng mit mehreren Faktoren wie Politik, Markt und Technologie zusammen.

Aus politischer Sicht wurden bereits 2015 in den „Stellungnahmen des Zentralkomitees der KPCh und des Staatsrates zur weiteren Vertiefung der Reform des Elektrizitätssystems“ (bezeichnet als „Dokument zur Elektrizitätsreform Nr. 9“) die Ziele vorgeschlagen, die Strompreisreform geordnet voranzutreiben, den Mechanismus der Strompreisbildung zu rationalisieren, die Reform des Stromhandelssystems voranzutreiben und den marktorientierten Handelsmechanismus zu verbessern, was die Öffnung des Strommarktes einleitete. Nachdem das „duale Kohlenstoff“-Ziel vorgeschlagen worden war, schlug die Nationale Entwicklungs- und Reformkommission ein 1+N-Politiksystem vor, das ein neues Energiesystem mit neuer Energie als Hauptbestandteil von der obersten Ebene aus rund um Demonstrationsanwendungen für Energiespeicherung, standardisiertes Management, Strompreisreform und diversifizierte und intelligente Anwendungen weiter etablierte.

Bis 2023 erließen die Nationale Entwicklungs- und Reformkommission und die Nationale Energieverwaltung die „Grundregeln des Strom-Spotmarkts (Testphase)“, die spezifische Anreizpläne auf der Ebene des Stromsystems umsetzten. Es wird erwartet, dass der Strommarkt bis 2025 schrittweise liberalisiert wird, um ein offenes und interaktives Stromsystem zu bilden. Der Aufstieg der Energiespeicherindustrie ist grundsätzlich ein wichtiger unterstützender Faktor beim Aufbau eines offenen und marktorientierten Stromsystems.

Aus Sicht des Marktes ist die Betriebszeit von inländischen Energiespeichersystemen lang und auch die Systemauslastung verbessert sich ständig. Die „Statistischen Daten zu Sicherheitsinformationen von elektrochemischen Energiespeicherkraftwerken im Jahr 2023“ zeigen, dass im ersten Quartal 2024 die durchschnittliche tägliche Betriebszeit von inländischen Energiespeicherkraftwerken von 3,12 Stunden auf 4,16 Stunden gestiegen ist und der durchschnittliche Auslastungsindex von 27 % auf 41 % gestiegen ist.

Mit der Veröffentlichung der „Mitteilung zur Förderung der Netzanbindung und des Einsatzes neuer Energiespeicher“ durch die Nationale Energieverwaltung wurde die funktionale Positionierung neuer Energiespeicher weiter geklärt und die Förderung des Einsatzes und der Nutzung neuer Energiespeicher beschleunigt. Energiespeicherprojekte sind nicht mehr nur ein Anhängsel, um die „starke Zuteilungspolitik“ neuer Energie zu erfüllen, sondern ein Vermögenswert, der den Eigentümern echte, langfristige und nachhaltige Vorteile bringen kann.

Aus technischer Sicht hängt die Zuverlässigkeit von Energiespeicherkraftwerken in hohem Maße von der Leistung der Energiespeicherbatterien ab. Das Batteriesystem ist eng mit den Batteriemanagement- und Integrationsfunktionen verbunden. Am Beispiel des Batteriekonsistenzmanagements können während der Verwendung von Energiespeicherzellen aufgrund von Produktionsunterschieden, Alterung, Temperaturschwankungen oder unterschiedlichen Lastbedingungen Spannung und Kapazität zwischen den Zellen unterschiedlich sein. Dieser Unterschied wird mit zunehmender Anzahl der Lade- und Entladezyklen größer, wodurch die wirtschaftlichen Vorteile des Systems schlechter werden.

Daher werden in kommerziellen und reifen Märkten immer mehr Batterieausgleichstechnologien eingesetzt. Laut einem Forschungsbericht von Wood Mackenzie, einem international renommierten Beratungsunternehmen, ist der Strommarkt aufgrund des Auslandsmarktes offener und die Eigentümer von Energiespeichern sind stärker an der Wirtschaftlichkeit des Projekts während seines gesamten Lebenszyklus interessiert. Die Vorteile der aktiven Ausgleichstechnologie bei der Reduzierung der Kosten des Energiespeichersystems während seines gesamten Lebenszyklus sind allgemein anerkannt und ihre Anwendung in Energiespeicherprojekten im Ausland hat 74 % erreicht.

Branchenkenner sagten, dass die Energiespeicherbranche aufgrund mehrerer Faktoren auf eine Phase hochwertiger Entwicklung zusteuert. Anfang 2024 wurden umfassende Richtlinien für Strommarkttransaktionen eingeführt, die die neuen Veränderungen in der Entwicklung der chinesischen Stromvermarktung beschleunigen und auch zu einer wichtigen treibenden Kraft für die Werttransformation der Energiespeicherbranche werden.

Um das langfristige Ziel der Energiespeicherung zu erreichen, haben die Hersteller der Branche in Bezug auf Preis und Wert in mehreren Dimensionen geforscht, entwickelt und untersucht, darunter: Optimierung der Energiespeicherbatterie: Auswahl von Materialien für positive und negative Elektroden sowie Membranen mit besserer Wärmestabilität; Auswahl eines Laminierungsprozesses mit geringerer Dicke und größerer Oberfläche; Verkürzung der Polöffnung zur Verringerung des Widerstands und andere Optimierungen.

Fortschrittliche Temperaturkontrolltechnologie: Von herkömmlichen Luftkühlungslösungen hin zu Flüssigkeitskühlungslösungen mit höheren Wärmeübertragungskoeffizienten und besseren Kühleffekten, um der wachsenden Marktnachfrage nach Wärmemanagementsystemen gerecht zu werden.

Betrieb und Wartung digitaler Technologien: Verwenden Sie digitale Technologien wie BMS, EMS und KI, um den Betriebsstatus von Kraftwerken zu überwachen, visuelle Analysen des Betriebsstatus des Batterielebenszyklus durchzuführen, frühe Anzeichen von Ausfällen zu erkennen und Sicherheitswarnungen bereitzustellen.

Technischer Support zur Brandbekämpfung: Die Mainstream-Produkte der Branche verfügen über ein dreischichtiges Brandbekämpfungssystem auf Zell-, Paket- und Systemebene, um eine detailliertere und präzisere Brandbekämpfungswirkung zu erzielen.

Effizientes Batteriemanagement: Das Batteriemanagementsystem (BMS) verwendet fortschrittliche Algorithmen, um die Spannung jeder Zelle während der Entladung zu überwachen und den Ladezustand (SOC), den Gesundheitszustand (SOH), den Leistungszustand (SOP) usw. der Batterie zu bewerten. Da die Lebensdauer des Akkupacks auch von der Zelle mit der kürzesten Lebensdauer abhängt, wird die Entladung des gesamten Akkupacks beendet, wenn die niedrigste Einzelzellenspannung die Entladeschlussspannung erreicht. Das Ausbalancieren der Zustandsparameter von Energiespeicherzellen ist die einzige Möglichkeit geworden, die Batterielebensdauer zu maximieren und die Zykluseffizienz des Energiespeichersystems zu verbessern, insbesondere in Anwendungsszenarien mit hoher Leistung und großer Kapazität wie Großspeichern und industriellen und gewerblichen Speichern.

Aufgrund der Nachfrage nach Optimierung und Verbesserung der Akkupackkonsistenz entstand zum erforderlichen Zeitpunkt die Energiespeicher-BMS-Ausgleichstechnologie. Darunter gibt es zwei Hauptmethoden zum Batterieausgleich im Batteriemanagementsystem: passiver Ausgleich und aktiver Ausgleich.

Beim passiven Ausgleich wird die Batterie durch die Freisetzung von Elektrizität durch Widerstandserwärmung während des Entladevorgangs des Batteriepacks ausgeglichen. Diese Methode erfordert keine komplexen Controller und Schaltkreise, aber die Ausgleichsgeschwindigkeit ist langsam und es entsteht Energieverschwendung. Außerdem wird während des Vorgangs Wärme erzeugt, was das Risiko eines thermischen Durchgehens erhöht.

Beim aktiven Ausgleich wird die elektrische Energie direkt zwischen den Zellen über einen DC-DC-Wandler übertragen, der die Spannungsdifferenz zwischen den Zellen im Batteriepack innerhalb eines bestimmten Bereichs steuern kann, wodurch der durch Ungleichgewicht verursachte Verlust an Zykluseffizienz deutlich reduziert wird. Diese Technologie erfordert normalerweise den Einsatz spezieller Ausgleichsregler und ein äußerst anspruchsvolles Schaltungsdesign, um letztendlich einen vollständigen Verbindungsausgleich von der PACK-Ebene über die Clusterebene bis hin zur Systemebene und sogar zur Stationsebene zu erreichen.

Im Vergleich zur herkömmlichen passiven Ausgleichstechnologie vermeidet der aktive Ausgleich nicht nur Energieverschwendung, sondern verbessert auch die Gesamtleistung des Energiespeichersystems durch Umverteilung der Energie, Reduzierung der Betriebskosten und Verbesserung der Systemsicherheit.

Aufgrund von Faktoren wie Kosten und Preis sind derzeit laut der Jahresdatenstatistik 2023 der EESA fast alle inländischen Energiespeicherprojekte passive Ausgleichsprojekte (98,4 %). Auf den ausländischen Märkten nutzen etwa 70 % der Projekte „aktiven Ausgleich“. Am Beispiel des von Clou Electronics betriebenen Projekts TX10 in Texas: Laut der Statistik von Modo Energy gehören die Einnahmen von 9 Standorten alle zu den 30 umsatzstärksten Kraftwerken in Texas.

John Smith, Analyst bei Wood Mackenzie, wies darauf hin: „Im aktuellen Kontext des verschärften Marktwettbewerbs kann eine fortschrittliche Batteriemanagementtechnologie nicht nur die Systemsicherheit und -zuverlässigkeit verbessern, sondern auch die Betriebskosten deutlich senken und so den wirtschaftlichen Nutzen des Projekts steigern.“ In Zukunft werden mit zunehmender Vermarktung des heimischen Stroms die wirtschaftlichen Vorteile der aktiven Ausgleichstechnologie im langfristigen Betrieb von Kraftwerken allmählich deutlich. Da die kommerzielle Nutzung der häuslichen Energiespeicherung zunimmt, wird die aktive Ausgleichstechnologie zunehmend eingesetzt.