r.energy berichtet über Long Duration Energy Storage mit Eisen-Salz von VoltStorage
Für Solar- und Windkraftbetreiber wird es in den kommenden Jahren deutlich wichtiger werden, Versorgungslücken in wind- und sonnenarmen Zeiten zu überbrücken und damit die Bereitstellung der Grundlast zu sichern. Um jedoch auch bei Windstille oder Sonnenlicht-armen Zeiten eine kontinuierliche Grundlastversorgung sicherzustellen, kommt Long Duration Energy Storage eine zentrale Rolle zu.
Long Duration Energy Storage mit Eisen-Salz: Bindeglied zwischen nachhaltiger Energieerzeugung und zuverlässiger Energieversorgung
Von Michael Peither, CTO VoltStorage GmbH
(Dieser Artikel ist erschienen in r.energy, Heft 4/23, September 2023)
Für Solar- und Windkraftbetreiber wird es in den kommenden Jahren deutlich wichtiger werden, Versorgungslücken in wind- und sonnenarmen Zeiten zu überbrücken und damit die Bereitstellung der Grundlast zu sichern – nicht zuletzt, weil immer mehr Unternehmen zur Emissionsreduktion und für das Ziel der Klimaneutralität auf erneuerbare Energien setzen und letztlich auch die Versorger hierfür gerüstet sein müssen. Um jedoch auch bei Windstille oder Sonnenlicht-armen Zeiten eine kontinuierliche Grundlastversorgung nicht nur auf täglicher, sondern auch auf jährlicher Basis sicherzustellen, kommt entsprechenden Speichern für die sogenannte Long Duration Energy Storage eine zentrale Rolle zu.
Was ist Long Duration Energy Storage?
Long Duration Energy Storage bezeichnet Energiespeichersysteme, die über einen Zeitraum von mehr als acht Stunden aufgeladen oder entladen werden können. Um die Versorgung mit schwankender erneuerbarer Energie wie Wind- und Solarenergie zu überbrücken und sie so für das Stromnetz nutzbar zu machen, sind in Deutschland sogar Entladezeiten von bis zu 48 Stunden erforderlich.
Hierfür sind Technologien gefragt, mit denen sich die Grundlastversorgung durch Wind- und Solarenergie sicherstellen lässt. Gleichzeitig sollten solche Lösungen nicht nur effizienter, sondern auch kostengünstiger als herkömmliche Lösungen wie Li-Ionen- oder Blei-Säure-Batterien sein. Ein weiterer Bedarf ergibt sich aus der Tatsache, dass bisher noch kein System auf dem Markt ist, das praktisch überall aufgebaut werden kann und die üblichen Servicevereinbarungen konventioneller Kraftwerke von 95 Prozent abdeckt. Diese ist typischerweise die Verfügbarkeitsrate, um Grundlastleistung bei einer bestimmten Leistungseinstellung über das gesamte Jahr bereitzustellen.
Was ist die Eisen-Salz-Batterie?
Die Antwort auf diese Anforderungen liefert die Eisen-Salz-Batterie. Sie basiert auf der bewährten Redox-Flow-Technologie, die klare Vorteile in Bezug auf die Langzeitspeicherung im Vergleich zu herkömmlichen Speichertechnologien bietet.
In einer im Jahr 2020 von VoltStorage installierten Testanlage wurde die Eisen-Salz-Batterie als Speicherlösung mit einer Speicherkapazität von 10kWh verwendet. In den Ausmaßen eines herkömmlichen 20-Fuß-ISO-Containers wurde sie auf eine Leistung von bis zu 9,4 MW oder 235 MWh pro Hektar ausgelegt. Die Batterie eignet sich für stationäre Anwendungen mit einem Leistungsbedarf von 10 bis 100 Stunden und erreicht eine Effizienz von ca. 70 Prozent. Damit liegt sie deutlich über den Werten, die andere Langzeitspeichertechnologien wie Eisen-Luft-Batterien (45 Prozent), Power-to-Gas-to-Power (P2G2P, 35 Prozent), thermische Energiespeicherung oder Druckluftspeicherung (CAES, 40-55 Prozent) erreichen können.
Mit Packkosten von unter 50 USD/kWh und Gesamtsystemkosten von weniger als 100 USD/kWh ist die Eisen-Salz-Technologie sehr kostengünstig. Diese Kostenvorteile steigen sogar mit zunehmender Speicherdauer, was sie aus wirtschaftlicher Sicht besonders interessant als Langzeitbatterie macht.
Die Eisen-Salz-Batterie ist zudem vielseitig einsetzbar. Sie ist besonders temperaturbeständig und kann selbst in klimatisch anspruchsvollen Regionen von bis zu 50°C eingesetzt werden. Dabei benötigt sie keine massiven Investitionen in die Bereitstellung einer geeigneten Infrastruktur oder spezielle geologische Bedingungen: Eisenchlorid ist ein Nebenprodukt der Stahlproduktion und wird häufig in der Elektronikindustrie und zur Reinigung von Abgasen verwendet. Daher ist es in großen Mengen und zu geringen Kosten verfügbar. Die anderen Komponenten bestehen hauptsächlich aus gängigen Salzen und Wasser, die ebenfalls überall verfügbar sind. Zudem ist das eisenbasierte Elektrolyt der Eisen-Salz-Batterie nicht entflammbar, da es hauptsächlich aus reinem Wasser und Eisen besteht. Mit einer Lebensdauer von mehr als 20 Jahren und über 10.000 Ladezyklen verspricht die Eisen-Salz-Batterie darüber hinaus eine hohe Haltbarkeit.
Onshore-Windenergie und -speicherung als Grundlasterzeuger
Im der oben genannten Anwendung erzeugte eine Onshore-Windturbine des Typs Senvion 3.4M-104 mit einer installierten Nennleistung von 3,37 MW eine Leistung von insgesamt 6,49 GWh. Dies entspricht 1.926 Volllaststunden oder einer Auslastung von 21,98 Prozent, wie es in den meisten mitteleuropäischen Regionen zu erwarten ist.
Die theoretische durchschnittliche Stromversorgung über das gesamte Jahr dieser spezifischen Turbine beträgt 741 kW, jedoch ist die Stromerzeugung vom Wetter abhängig und daher recht schwankend: In den Herbst- und Wintermonaten ist die Windproduktion deutlich höher ist als in den Frühlings- und Sommermonaten, wobei mit 59,5 Prozent der Großteil der Energie zwischen September und Februar erzeugt wird. Durch Hinzufügen einer Eisen-Salz-Batterie (12 bis 48 Stunden) zur Windturbine ist es möglich, Grundlaststrom an das Netz abzugeben – damit wird auch die oben genannte Anforderung an Verfügbarkeit von über 95 Prozent erfüllt.
Die folgende Grafik gibt einen Überblick darüber, wie durch Windkraft in Kombination mit verschiedenen Speicherkapazitäten und -leistungen zuverlässiger Grundlaststrom bereitgestellt werden kann. Um beispielsweise einen Grundlaststrom von 100 kW zu realisieren, muss das Speichersystem für eine Ausgangsleistung von 100 kW ausgelegt sein, damit es selbst in Zeiten ohne Produktion übernehmen kann. Die Speicherzeit definiert dann die benötigte Energiekapazität.
Die vertikale Achse listet verschiedene Grundlastleistungen auf, die horizontale Achse verschiedene Speicherzeit-Konfigurationen und damit Energiekapazitäten. Hieraus lässt sich eine Übersichtsmatrix ableiten, die den Prozentsatz der Zeit im Jahr angibt, in der die kombinierte Konfiguration (Wind + Speicher) die jeweilige Grundlast abdecken kann.
Kombination von Wind, Sonne und Eisen-Salz-Batterien
Das Bild ändert sich, wenn die Windturbine mit einer 2,5 MW Solaranlage kombiniert wird, um die Lücken in der windarmen Zeit im Sommer auszugleichen. Beide Kraftwerke haben zusammen eine Gesamtnennleistung von 5,87 MW und erzeugen über den gleichen Zeitraum insgesamt 8,59 GWh. Dies entspricht 1.463 Vollaststunden und einer theoretischen durchschnittlichen Stromversorgung von 980 kW über das Jahr. Die Stromproduktion ist über das Jahr deutlich ausgeglichener:
Grafik 2: Stromproduktion der Windturbine in Kombination mit einer Solarstromanlage über ein Jahr (im Abstand von 10 Minuten). Die blaue Linie ist der Durchschnitt der Produktion im 3-Tagesmittel.
Größenverhältnis von 2,5 MW Solarpark, 3,4 MW Windkraft und 24 MWh Eisensalzbatterie
Im Vergleich zu Speichersystemen auf Basis von Wasserstoff oder Pumpspeicherkraftwerken erfordert die Eisensalzbatterie keine massiven Investitionen in die Bereitstellung einer geeigneten Infrastruktur. Das Speichersystem kann platzsparend und dezentral an bestehende Infrastrukturen angeschlossen werden.
Die Kombination einer Solaranlage mit einer Long Duration Energy Storage-Lösung erhöht die Grundlastfähigkeit deutlich. Mit einer Batterie mit einer Laufzeit von 48 Stunden, wie sie beispielsweise VoltStorage als Eisen-Salz-Batterie entwickelt, kann das kombinierte System bis zu 500 kW Grundlastleistung bereitstellen und dabei die Verfügbarkeitsanforderungen von 95% erfüllen.
Wie wirtschaftlich ist die Lösung?
Im Laufe einer Lebensdauer von 20 Jahren wird das System ein Äquivalent von 1.012 Vollzyklen durchlaufen. Die Levelized Cost of Storage (LCOS) pro MWh betragen 159 USD. Sie berücksichtigen einen Wirkungsgrad von 70 Prozent sowie Wartungskosten über die Lebensdauer in Höhe von 25 Prozent des ursprünglichen Kaufpreises. Dies ist wesentlich niedriger als bei jeder anderen Batterietechnologie auf dem Markt: Nur ein Bruchteil (ca. 25 Prozent) des angebotenen Grundlaststroms wird vom Speichersystem bereitgestellt. Wenn dies zum LCOE (Levelized Cost of Electricity) für Windenergie an diesem Standort (36 USD/MWh) und Solarstrom (durchschnittlich 35,5 USD/MWh) hinzugefügt wird, ergibt sich ein Gesamt-LCOE für Grundlaststrom von 70,4 USD/MWh. Je nach Standort der Windturbine können die Kosten sogar im Bereich von 50-65 USD/MWh liegen. Dies ist niedriger als bei jeder direkten fossil/nuklear betriebenen Erzeugungsart.
Welchen Einfluss kann die Technologie auf CO2-Emissionen haben?
Die Bereitstellung von Grundlast aus erneuerbaren Energien ist entscheidend, um Emissionen und das globale Erwärmungspotenzial (GWP) unserer Stromnutzung zu reduzieren. Die effektiven Emissionen der Solar- und Windenergieerzeugung sind signifikant niedriger als bei Kohle. Die kombinierte Solar- und Windenergieproduktion hat effektive Emissionen (CO2-Äquivalent) von etwa 20,8 g/kWh im Vergleich zu Kohlekraftwerken mit 800 g/kWh.
Im beschriebenen Fall liefert ein 48-Stunden-Eisen-Salz-Batteriesystem eine Grundlast von 0,5 MW. Über ein Jahr hinweg hat diese Grundlast ein effektives GWP von 121,7 tCO2-Äquivalent. Diese Zahl berücksichtigt die Emissionen für die Produktion erneuerbarer Energie, den Eigenverbrauch und Verluste im Batteriesystem sowie Emissionen während der Herstellung und Inbetriebnahme des Eisen-Salz-Energiespeichersystems. Im Vergleich dazu hat Kohle als Grundlast ein um das 29-fache höheres jährliches GWP von 3.504 tCO2-Äquivalent. Mit einem einzigen 48-Stunden-Eisen-Salz-Batteriesystem lassen sich jährliche CO2-Einsparungen von 2.282 tCO2-Äquivalent für die Stromnutzung erreichen.
Fazit
Batterien auf Eisen-Salz-Basis können die sichere Versorgung mit erneuerbaren Energien und der Absicherung von Grundlast im Netz gewährleisten. Auch unabhängig von ökologischen Aspekten wie geringeren CO2-Emissionen oder längerer Lebensdauer kommt der Technologie eine Schlüsselrolle in der Energiewende zu. Mit ihrer Hilfe lässt sich eine Energieversorgung autark und ressourcenunabhängig aufstellen - somit stellt sie einen elementaren Standortfaktor für die Industrie dar.
VoltStorage arbeitet seit vielen Jahren intensiv an der Entwicklung entsprechender Speicherlösungen auf Basis der Eisen-Salz-Technologie. Dazu gehört auch der Ausbau des Entwicklungsteams sowie die Investition in den Aufbau eines größeren Standortes in München. Hier werden ab Herbst 2023 bestmögliche Voraussetzungen für Forschung, Entwicklung und Produktion geschaffen, um dem eigenen Anspruch von „grüner Speichertechnologie für grüne Energie made in Germany“ gerecht werden zu können.
Weitere Informationen zu den Long Duration Energy Storage Entwicklungen von VoltStorage finden Sie hier.
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