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Unabhängig: Fenecon konzipierte mit seinem Partner BYD einen Hybridgroßspeicher, der als einziger seiner Klasse „inselfähig“ ist. Bild: Fenecon
Energieverteilung & -speicherung

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Stromversorgung jenseits vom Netz

Text: Franz-Josef Feilmeier, Fenecon
Speichersysteme sind ein wertvolles Werkzeug, um eine Versorgung mit umweltfreundlichem Strom aus erneuerbaren Quellen nicht nur während ertragsarmer Zeiten, sondern auch jenseits der Netze verwenden zu können. Nachstehend ein Blick auf die erforderliche Technologie.

Gesetzlich geregelte Einspeisetarife gelten in vielen Ländern der Welt als Brückenfinanzierung, um erneuerbare Energiequellen attraktiv für Verbraucher zu gestalten. Doch mit sinkenden Tarifen und steigenden Stromkosten lohnt sich die Bereitstellung von grüner Energie immer weniger – sie selbst zu verbrauchen hingegen immer mehr. Die Nutzung moderner Speichertechnologie weckt dabei den Wunsch nach Autarkie. Die mögliche Notstromfähigkeit der Systeme ist dafür eine unabdingbare Grundvoraussetzung, die netzunabhängige Wiederaufladbarkeit eine willkommene Zusatzleistung.

Insellösungen auf dem Vormarsch

Technisch veraltete und nicht adäquate Netzstrukturen sowie energieintensive Industriebetriebe führen weltweit zu Lastspitzen und Instabilität der Stromversorgung. Gleichzeitig wird Energie auf Grund steigender Nachfrage oder bestehender Knappheit vielerorts teurer. Speichertechnologie stellt gepaart mit erneuerbaren Energieträgern wie Photovoltaik (PV), Wind oder Blockheizkraftwerke (BHKW) eine preisgünstige Alternative dar, die Anwender über Zeiträume von mehr als zwanzig Jahren vor steigenden Stromkosten schützt. Nicht zuletzt auf Grund sinkender Einspeisetarife in unterschiedlichen Märkten nutzen mehr und mehr Verbraucher ihren Strom selbst, immer häufiger auch über sogenannte Insellösungen, also abseits der Stromnetze.

Während beim Eigenverbrauch der Anteil des selbstproduzierten und selbstverbrauchten Stroms eines Haushalts oder eines Unternehmens im Vordergrund steht, gehen dem Einsatz von Insellösungen – den sogenannten Off-Grid-Systemen – im Vergleich zum Netzparallelbetrieb meist andere Überlegungen voraus: Entweder fehlt dabei ein öffentlicher Energieanschluss, die Erschließung ist zu teuer oder der Betreiber möchte seinen Strombedarf schlichtweg unabhängig decken. Die Einsatzszenarien sind vielfältig und reichen von der abgelegenen Berghütte über die Verwendung bei landwirtschaftlichen Betrieben bis hin zur Nutzung durch Camping-Enthusiasten.

Temporäre Inseln durch Stromausfall

Die tatsächliche Gruppe möglicher Nutzer erweitert sich nochmals deutlich bei einem Blick auf die potenzielle Notstromfähigkeit von Energiespeichersystemen: Bei Stromausfall trennt der Wechselrichter aus Sicherheitsgründen die Netzeinspeisung des einspeisenden Geräts. Dadurch entsteht eine temporäre „Insel“ – die Netzverbindung ist unterbrochen, während sowohl die Verbraucher weiter versorgt werden, als auch die Stromproduktion der PV-Anlage sichergestellt ist.

Dabei ist es nicht nur Privathaushalten wichtig, jederzeit gesichert über Energie zu verfügen: Insbesondere Industriebetrieben liegt es daran, bei Stromausfällen ihre Produktion fortsetzen zu können, denn Stillstand an Maschinen und Bändern bedeutet Umsatzverlust und im schlimmsten Fall die Zahlung von Konventionalstrafen.

Allerdings können einphasige Systeme nur einen Teil des Stromnetzes im Haus oder Betrieb versorgen. Das bedeutet, es lassen sich zwar zum Beispiel Waschmaschine und Kaffeemaschine noch gleichzeitig mit Strom aus dem Speicher bedienen; um jedoch intensive und meist Starkstrom benötigende Verbraucher wie eine Wärmepumpe zu bedienen, müssten Privatanwender Strom aus dem Netz nutzen. Das Fehlen dieser Option stört nicht nur bei der Haushaltsführung, sondern verdirbt womöglich ganze Chargen eines Produkts bei industriellen Herstellern.

Deswegen sollten Stromspeicher drei Phasen gleichzeitig bedienen können. Für Industriebetriebe ergibt sich zusätzlich der Vorteil, dass sie nicht nur ihre energieintensiven Produk­tionsanlagen entweder weiterbetreiben oder zumindest geregelt herunterfahren können – vielmehr lassen sich so auch Lastspitzen abfedern. Das schont die Netze und ermöglicht Unternehmen zusätzliche Einsparungen bei Netzentgelten und Leistungskosten.

Ermittlung eines Lastprofils

Vor der Installation eines Inselspeichers sollten Interessenten oder deren Service-Anbieter genau kalkulieren, wie viel Energie der Verbraucher benötigt. Hierbei sollte die Watt-Zahl der vorhandenen Geräte mit der vorgesehenen Betriebszeit in Stunden multipliziert werden. Zusätzlich hilft der Einbau von Energiespargeräten sowie LED-Technologie, um den Energieverbrauch und die Anschaffungskosten einer Insellösung zu senken.

Ein entsprechendes Lastprofil, das Experten ermitteln können, erfasst zudem über einen längeren Zeitraum den durchschnittlichen Stromverbrauch. Dabei geht es nicht um Nachkommastellen, sondern um ein realistisches Abbild des in der Realität ohnehin schwankenden Bedarfs. In Summe ergibt sich in den meisten Fällen, dass ein inselfähiger Speicher nicht allzu groß dimensioniert werden muss. Für ein Einfamilienhaus reichen zum Beispiel in der Regel etwa 7 bis 10 kWh, während ein auf „Zulieferung“ optimierter saldierender Speicher bereits in der Größenordnung von 4 bis 7 kWh sinnvoll ist.

Die Kombination einer PV-Anlage mit einem BHKW oder einer Windkraftanlage erhöht die Effizienz und Sicherheit eines solchen Systems. Eine autarke Anlage muss komplett inselfähig sein, um jederzeit ohne Netz die Versorgungssicherheit bei Stromausfällen zu gewährleisten. Als Notstromversorgung sollten im Idealfall mindestens zwei unabhängige Stromquellen verfügbar sein. Hier empfiehlt sich beispielsweise PV auf der DC-Seite. Als AC-Quelle lässt sich ein Generator nutzen. Leistungsfähige Speichersysteme sollten zudem in der Lage sein, schnell und flexibel sämtliche Stromerzeuger und Verbraucher zu integrieren sowie Lade- und Entladevorgänge intelligent zu steuern. Zur Bedienung lastintensiver Verbraucher gilt es, auch Starkstrom durch eine hohe Ausgangs- oder auch Wechselrichterleistung bereitstellen zu können.

Sicherheit auch für Off-Grid-Lösungen

Die Sicherheit von Speichersystemen mit Lithium-​​Ionen-Technologie ist ein kritischer Punkt. Das grundsätzliche Problem: Bei einer Beschädigung des sogenannten Separators, der positive und negative Elektrode trennt, können Kurzschlüsse innerhalb der Zelle den Akku binnen Minuten abbrennen oder gar explodieren lassen. Die thermische, mechanische und elektrische Belastung der Lithium-Ionen-Akkus stellen dabei die drei größten Herausforderungen dar. Bei stationären Systemen ist die mechanische Sicherheit relativ gesehen von geringster Bedeutung, da in der Regel keine großen physikalischen Belastungen auftreten sollten. Späte Folgeschäden von unsachgemäßem Transport könnten aber auch hier brandverursachend wirken.

Von größerer Wichtigkeit ist die Frage nach der elektrischen und damit verbunden der thermischen Belastung, wie sie etwa durch Überladung entstehen können. Moderne Sicherheitsarchitekturen, wie man sie aus dem Elektroauto kennt, können helfen, den gefürchteten Kurzschlüssen vorzubeugen. Lithium-Eisen-Phosphat-Elektroden haben außerdem im Vergleich zu Lithium-Mischoxiden wie Lithium-Cobalt-Dioxid den Vorteil, dass bei Überhitzung kein brandfördernder Sauerstoff frei wird. Ein Batteriemanagement vermag überdies den unerwünschten Überladungszustand zu vermeiden oder im Schadensfall die betroffenen Zellen abzuschalten. Dazu messen solche Systeme wichtige elektrische Kenndaten sowie die Temperaturen. Grundsätzlich sollten die Systeme über einen zertifizierten Überlastschutz zur Vermeidung von Kurzschlüssen verfügen.

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