Vier Energiespeicher in der Photovoltaik-Stromerzeugung? | Demuda

Juli 27, 2023

Mit der rasanten Entwicklung der Wirtschaft ist das Problem der Energieknappheit immer gravierender geworden. Angesichts des doppelten Drucks der Energienachfrage und des Umweltschutzes haben Länder auf der ganzen Welt Strategien wie die Verbesserung der Energienutzungseffizienz, die Optimierung der Energiestruktur und die Entwicklung erneuerbarer Energien eingeführt. Als Vertreter der neuen Energieerzeugung wird Solar-Photovoltaik (PV) in großem Umfang in der praktischen Produktion eingesetzt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Stromquellen schwankt die Ausgangsleistung von PV-Anlagen jedoch erheblich mit Änderungen der Umweltfaktoren wie Sonnenintensität und Temperatur. Es zeichnet sich auch durch Unkontrollierbarkeit aus. Wenn daher PV-Strom herkömmliche Energiequellen ersetzen und eine groß angelegte netzgekoppelte Stromerzeugung erreichen soll, dürfen die Auswirkungen auf das Stromnetz nicht ignoriert werden. Da zudem der Anteil von PV-Anlagen im Stromnetz weiter zunimmt, ist ein effektives Management der Auswirkungen auf das Stromnetz unerlässlich, um eine sichere und zuverlässige Stromversorgung zu gewährleisten. Der Einsatz von Energiespeichersystemen in PV-Anlagen kann das Problem des Leistungsungleichgewichts beheben und die Anforderungen für den Normalbetrieb erfüllen. Energiespeichersysteme spielen eine entscheidende Rolle für den stabilen Betrieb von PV-Kraftwerken. Sie garantieren nicht nur die Stabilität und Zuverlässigkeit des Systems, sondern bieten auch eine wirksame Lösung für dynamische Probleme mit der Stromqualität, wie z. B. Spannungsspitzen, Überspannungen, Spannungsabfälle und kurzzeitige Stromunterbrechungen.

Hier sind vier gängige Energiespeichertechnologien in PV-Systemen:

1. Batterieenergiespeicher:Die Batteriespeicherung ist eine der vielversprechendsten Speichermethoden. Es zeichnet sich durch hohe Zuverlässigkeit und Modularisierung aus und eignet sich daher für Verteilungsnetze in Gebieten mit hohen Anforderungen an die Stromqualität. Batterieenergiespeicher nutzen die Oxidations-Reduktions-Reaktionen von Batterieelektroden, um Energie zu speichern und freizugeben. Es kann den Energiebedarf bei Systemspitzenlasten decken und zur Blindleistungskompensation beitragen, wodurch Spannungsschwankungen und Flicker unterdrückt werden. Zu den gängigen Batterietypen gehören Blei-Säure-Batterien, Lithium-Ionen-Batterien, Natrium-Schwefel-Batterien und Flow-Batterien. Eine Studie [9] analysiert die Rolle von Batterien in PV-Systemen und hebt deren Energiespeicherfähigkeiten und ihre Fähigkeit hervor, einen großen Momentanstrom zur Regulierung der Arbeitsspannung von Solarzellen bereitzustellen. Eine weitere Studie [10] konzentriert sich auf mehrere gängige chemische Energiespeichertechnologien, wählt wichtige technische Indikatoren aus und sammelt die neuesten Anwendungsdaten bis 2011. Mithilfe der Methode der Datenumhüllungsanalyse (DEA) untersucht die Studie die Vorteile und Anwendungseffekte verschiedener chemischer Energiespeicher Technologien und liefert Vorschläge und Referenzen für zukünftige Forschungsrichtungen in der chemischen Energiespeichertechnologie.

2. Superkondensator-Energiespeicher: Superkondensatoren sind Energiespeicher aus speziellen Materialien mit höherer Dielektrizitätskonstante, größerer Energiedichte und schnellerer Energiefreisetzung im Vergleich zu herkömmlichen Kondensatoren. Superkondensatoren können basierend auf unterschiedlichen Energiespeicherprinzipien in Doppelschichtkondensatoren und elektrochemische Kondensatoren unterteilt werden. Als aufstrebende Energiespeicherkomponente bieten Superkondensatoren im Vergleich zu anderen Speichermethoden viele Vorteile. Sie verfügen über eine hohe Leistungsdichte, eine lange Lebensdauer der Lade-/Entladezyklen, eine hohe Lade-/Entladeeffizienz, eine schnelle Lade-/Entladerate, eine gute Leistung bei hohen und niedrigen Temperaturen und eine lange Lebensdauer der Energiespeicherung. Allerdings weisen Superkondensatoren auch einige Nachteile auf, wie z. B. eine geringe Energiedichte und einen großen Schwankungsbereich der Anschlussspannung sowie das Problem des Spannungsausgleichs bei Reihenkondensatoren. In Anbetracht der Eigenschaften von Batterien und Superkondensatoren weisen beide Technologien hinsichtlich der technischen Leistung eine starke Komplementarität auf. Durch deren Kombination kann die Leistung von Energiespeichern deutlich verbessert werden. Eine Studie [14] ergab, dass durch die Parallelschaltung von Superkondensatoren und Batterien die Leistungsabgabekapazität des Hybrid-Energiespeichersystems erhöht, interne Verluste reduziert und die Entladezeit verlängert werden können. Es kann auch die Anzahl der Lade-Entlade-Zyklen von Batterien reduzieren und ihre Lebensdauer verlängern, außerdem die Größe von Energiespeichergeräten reduzieren und die Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit von Stromversorgungssystemen verbessern.

3. Schwungrad-Energiespeicher:Schwungrad-Energiespeicher sind eine mechanische Speichermethode, die Vorteile wie hohe Effizienz, kurze Bauzeit, lange Lebensdauer, hohe Energiespeicherkapazität, schnelles Laden, schnelles Entladen, unbegrenzte Lade-Entlade-Zyklen und Umweltfreundlichkeit bietet. Allerdings sind die Wartungskosten von Schwungrad-Energiespeichern im Vergleich zu anderen Speichermethoden relativ höher. In einer Studie [15] wurde eine auf Fuzzy-Steuerung basierende aktive Leistungsglättungssteuerung für PV-Schwungrad-Energiespeichersysteme vorgeschlagen. Die Studie analysierte die Schwungradgeschwindigkeit, die Leistungsabgabe und den Glättungskoeffizienten des PV-Schwungrad-Energiespeichersystems durch Simulation mit der Matlab/Simulink-Plattform und verglich es mit zwei anderen Geräten: ohne Schwungrad-Energiespeicher und mit einfachem Schwungrad-Energiespeicher. In einer anderen Studie [16] wurde das Schwungrad-Energiespeichersystem in PV-Systemen eingeführt, das auf der Verfolgung des maximalen Leistungspunkts und der netzgekoppelten Wechselrichtersteuerung basiert, um eine stabile Stromabgabe an das Netz zu erreichen. Um eine einstellbare und stabile elektrische Energieabgabe des PV-Systems zu gewährleisten, umfasst die Steuerstrategie eine Strom-Innenschleifensteuerung und eine Spannungs-Außenschleifensteuerung während des Ladens sowie eine Strom-Innenschleifensteuerung und Spannungs-Außenschleifensteuerung während des Entladens. Dieser Ansatz ermöglicht die stabile und kontrollierbare Ausgabe von Wirkleistung und unterdrückt effektiv Schwankungen, die durch Schwankungen des Sonnenlichts und der Umgebungstemperatur verursacht werden.

4. Supraleitende Energiespeicherung:Supraleitende magnetische Energiespeichersysteme (SMES) speichern die vom Stromnetz erzeugte Magnetfeldenergie in Spulen aus supraleitenden Drähten und geben die gespeicherte Energie bei Bedarf wieder an das Netz ab. Zu den typischen Komponenten eines SMES-Systems gehören supraleitende Spulen in einem vakuumisolierten Kühlbehälter, Kryo- und Vakuumsysteme sowie leistungselektronische Geräte zur Steuerung. Der Strom in der durch die supraleitenden Spulen gebildeten Induktivität mit geschlossenem Regelkreis zirkuliert ohne jegliche Verlustleistung. Im Vergleich zu anderen Energiespeichertechnologien bietet SMES erhebliche Vorteile. Durch die Fähigkeit, Energie über lange Zeiträume verlustfrei zu speichern, erreicht SMES eine hohe Energierückführungseffizienz. Es verfügt außerdem über eine schnelle Energiefreisetzung, die normalerweise nur wenige Sekunden dauert. Die Einführung von SMES erleichtert die Regulierung von Netzspannung, Frequenz sowie Wirk- und Blindleistung. In einer Studie [17] wurde der Einsatz von SMES-Einheiten zur Stabilisierung der Spannungs- und Frequenzabgabe von Windgeneratoren vorgeschlagen. Die SMES-Einheit wurde an die Sammelschiene eines Asynchrongenerators angeschlossen und der aktive Regler des SMES übernahm die Abweichung der Drehzahl des Asynchrongenerators als Steuersignal. In einer anderen Studie [18] wurde vorgeschlagen, Spannungsabweichungen als Steuersignal für die aktive Steuerung von SMES zu verwenden, um häufige Kurzschlussfehler in der Fahrleitung und Windgeschwindigkeitsstörungen in Windparks zu beheben. Verschiedene Studien haben die hervorragende Leistung von SMES-Geräten bei der Verbesserung der Windparkstabilität gezeigt.

Diese Energiespeichertechnologien spielen in PV-Anlagen eine entscheidende Rolle, denn sie gewährleisten deren stabilen Betrieb und sorgen für eine sichere und zuverlässige Stromversorgung. Mit dem kontinuierlichen technologischen Fortschritt und der Reifung werden Energiespeichertechnologien zunehmend zur Entwicklung erneuerbarer Energien und zum Erreichen nachhaltiger Entwicklungsziele beitragen.

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