Effiziente Energiespeichersysteme - das Rückgrat der Energiewende

Um die Klimaziele zu erreichen, beschleunigt die Welt den Ausbau CO2-neutraler, erneuerbarer Energien und treibt die Dekarbonisierung von Wirtschaft und Gesellschaft voran. Diese Entwicklung verändert dabei grundlegend, wie wir als Menschen Energie erzeugen, transportieren und verbrauchen. Die Eigenschaften erneuerbarer Energien zwingen uns dabei, die Frage der Energieversorgung neu zu bewerten: Erstens schwankt die aus erneuerbaren Energien erzeugte Energie je nach Wetter und Jahreszeit. Zweitens erfordert die Erzeugung von Solar- und Windenergie zunehmend dezentralisierte Stromnetze, die eine Vielzahl von Energieerzeugern intelligent integrieren müssen – von großen Offshore-Windparks bis hin zu kleinen Solaranlagen auf Wohngebäuden. Eine digitalisierte, leistungsfähige Energieinfrastruktur, die mit den Besonderheiten von Sonne und Wind umgehen kann, ist daher eine Voraussetzung für den erfolgreichen Umstieg auf erneuerbare Energien. Da solch eine Infrastruktur zwingend notwendig ist, werden auch moderne und effiziente Energiespeichersysteme wichtiger denn je. Sie helfen, Schwankungen auszugleichen, die Stromnetze im Gleichgewicht zu halten und Energieverschwendung zu vermeiden. Marktexperten gehen davon aus, dass im Jahr 2030 bei Energiespeichern weltweit jährlich eine Leistungskapazität von mehr als 30 GW hinzukommen werden.

Durch die Umstellung auf erneuerbare Energien ist die effiziente Speicherung von Energie dringlicher denn je – damit die Energie immer dann zur Verfügung steht, wenn sie gebraucht wird. Der Blick in die Geschichte zeigt, dass Menschen schon immer nach kreativen Lösungen für dieses Thema gesucht haben. So waren beispielsweise Speicher mittels Gewichten lange Zeit eine gängige Form für die Speicherung mechanischer Energie, um beispielsweise Uhrwerke in Kirchtürmen über Tage oder sogar Wochen in Gang zu halten. Jahrhundertelang experimentierte man mit mechanischen Lösungen wie Schwungrädern, Druckluft und nicht zuletzt elektrochemischen Ansätzen, die schließlich zu den Batterien führten. Lange waren Wasserkraft und Pumpspeicherkraftwerke die einzigen Technologien, um Energie im großen Maßstab und über lange Zeiträume zu speichern oder Tag und Nacht auszugleichen. Heute kommen zwei weitere Technologien ins Spiel: Neben leistungsfähigen Batteriesystemen ist das der grüne Wasserstoff, dem man eine große Zukunft voraussagt. Der Grund ist, dass Wasserstoff in großen Mengen gespeichert, transportiert und flexibel zur Verfügung gestellt werden kann. Und es gibt noch einen weiteren Aspekt: Auch tragbare Energiespeicher gewinnen immer mehr an Bedeutung. Sie können als Stromquelle für Outdoor-Aktivitäten wie Camping oder als Notstromaggregat bei einem Netzausfall genutzt werden.

Gleichgewicht von Energieangebot und -nachfrage

Für die Versorger besteht der Wert von Energiespeichersystemen darin, die Zuverlässigkeit und Stabilität des Netzes zu erhöhen. Sie können Kapazitätsengpässe bei der Energieübertragung ausgleichen und wetterbedingte Angebots- und Nachfrageschwankungen bewältigen. Insbesondere sind Energiespeichersysteme eine Lösung, wenn die Verhältnisse unsicher sind, zum Beispiel bei Stromausfällen, Naturkatastrophen oder technischen Problemen. Energiespeichersysteme liefern Energie, wenn andere Quellen nicht verfügbar sind. Bei der Übertragung von Energie können Kapazitätsengpässe problematisch sein, wenn die Nachfrage gleichzeitig stark ansteigt. Hier bieten Energiespeichersysteme eine Möglichkeit, die in Spitzenzeiten benötigte Energie zu strecken. Sie helfen dabei, die Zeit zu überbrücken, in der es keine Sonne oder keinen Wind gibt, und können das Ungleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage ausgleichen. Bei Gewerbe- und Wohngebäuden, die bereits über eine Photovoltaikanlage auf dem Dach verfügen, kann die Energie tagsüber gespeichert werden, um sie nachts zu nutzen oder ins Netz einzuspeisen. Auch die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen hängt schließlich von ihrer Fähigkeit ab, Energie effizient in Batterien zu speichern. Elektrofahrzeuge sind auf kostengünstige, hochdichte und zuverlässige Batteriespeicher angewiesen und können letztlich selbst Teil eines intelligenten Netzes werden. Das bedeutet, dass die Batterie des Fahrzeugs auch dazu genutzt werden kann, die gespeicherte Energie in das Netz oder in ein Gebäude einzuspeisen.

Halbleiter sorgen für Stabilität in hochkomplexen verteilten Netzen

Das Stromnetz entwickelt sich weiter: von einer Einbahnstraße vom Kraftwerk zu den industriellen Verbrauchern und Endkonsumenten hin zu einem hochkomplexen verteilten Netz. Deshalb werden mobile und stationäre Energiespeichersysteme, die durch Halbleitertechnologien erst ermöglicht werden, zu einem wesentlichen Bestandteil der gesamten Energieversorgungskette. Halbleiter bieten ein breites Spektrum an technologischen Lösungen. Mit ihnen bewältigen Energiespeichersysteme die veränderte Angebots-Nachfrage-Situation, die durch die Umstellung auf erneuerbare Energiequellen bedingt ist. Modernste Halbleitertechnologien werden überall benötigt, sei es für die effiziente Energieumwandlung an verschiedenen Punkten der Energieversorgungskette oder für das Batteriemanagement, um die Speicher optimal zu nutzen. Da potenziell jeder Punkt, an dem Strom erzeugt und verbraucht wird, zu einem aktiven, intelligenten Knoten im System werden kann, ist die von Infineon-Halbleitern ermöglichte Energieeffizienz an allen Schnittstellen entscheidend.

Anwendungsseite: Energieübertragung und -verteilung

Anwendungsseite: Batteriemanagementsystem

Was Energiespeichersysteme ausmacht: Energieumwandlung und Batteriemanagement

Energiespeichersysteme haben zwei Hauptfunktionen, die erst durch Halbleiter ermöglicht werden: die energieeffiziente Energieumwandlung und das Batteriemanagementsystem. Das Energieumwandlungssystem (Power Conversion System, PCS) sorgt für die Umwandlung von Wechsel- in Gleichstrom und umgekehrt. Dabei fließt die Energie in die Batterien, um sie zu laden, oder sie wird aus dem Batteriespeicher in Wechselstrom umgewandelt und in das Netz eingespeist. Die Effizienz dieses Energieumwandlungsprozesses hängt stark von der Halbleitertechnologie ab.

Bei der Energiespeicherung ist es jedoch ebenso wichtig, die Batterie sicher und effizient zu verwalten. Aus diesem Grund ist das Batteriemanagementsystem (BMS) eine Schlüsselkomponente von Energiespeichersystemen. Basierend auf speziellen integrierten Schaltkreisen (IC) und ergänzt durch einen Mikrocontroller, der die Systemsteuerung und Kommunikation übernimmt, ist das Batteriemanagementsystem zuständig für den Schutz der Zellen, das Laden und Entladen, das Zellen-Balancing, die Leistungsoptimierung und die Zustandsüberwachung.

Unser Ziel ist es, die Nachhaltigkeit in diesem Bereich voranzutreiben, indem wir Lösungen entwickeln, um auch aus gebrauchten Batterien so viel wie möglich herauszuholen. Infineon unterstützt daher Batteriemanagementansätze, die alten Batterien mit Hilfe von Halbleitertechnologien ein zweites Leben geben.

Anwendungsseite: Energiespeichersysteme

Vertiefung: Whitepaper, Anwendungspräsentation, On-Demand-Webinar

Breit aufgestelltes Infineon-Portfolio für Energiespeicherlösungen

Die Halbleiterlösungen von Infineon unterstützen die Entwicklung von Energiespeichersystemen. Unser einzigartiges Know-how in den Bereichen Energieerzeugung, Energieübertragung, Energieumwandlung und Batteriemanagement macht uns zum natürlichen Partner für die Weiterentwicklung von Energiespeicherlösungen (Energy Storage Solutions, ESS) im Hinblick auf Effizienz, Innovation, Leistung und optimale Kosten.

Infineon bietet Produkte, die im Markt führend sind und sich ideal für eine Vielzahl von Energiespeichersystemen eignen. Das gilt sowohl für diskrete als auch für modulare Lösungen. Wide-Bandgap-Halbleiter der neuesten Generation wie CoolSiC™-MOSFETs ermöglichen beispielsweise eine signifikante Steigerung des Wirkungsgrads bei der Leistungsumwandlung um bis zu 50 % in Systemen zur Solarstromerzeugung und den zugehörigen Energiespeichern. CoolSiC™ trägt zur Reduktion der Energieverluste bei, was zusätzliche Energie bedeutet. Ein Wechsel von Super-Junction-MOSFETs zu CoolSiC™-MOSFETs in der Batteriebank ermöglicht ca. 2 % zusätzliche Energie, ohne die Batterie zu vergrößern.

Energieumwandlung:

Battery Management Systems:

In diesen Bereichen kann die Energieeffizienz gesteigert werden: