Startseite > Power > Power Management > Lithium- und Bleibatterien verbinden

Kombinieren statt entweder ... oder

Lithium- und Bleibatterien verbinden

15. September 2024, 14:00 Uhr | Von Thomas Wallraff

In bestimmten Anwendungen empfiehlt sich ein paralleler Betrieb von Lithium-Ionen- und VRLA-Bleibatterien, um die jeweiligen Vorteile der verschiedenen Batterietechnologien für den Anwender nutzbar zu machen.

Zur Zwischenspeicherung nachhaltig erzeugter Energie nur auf reine Lithium-Systeme zu setzen ist nicht der Weisheit letzter Schluss. GS Yuasa setzt darum auf die Kombination von Lithium-Ionen- und VRLA-Bleibatterien um eine verlässliche und leistungsstarke Energiespeicherlösung anbieten zu können.

▶ Diesen Artikel anhören

Bis zum Jahr 2028 soll Energie aus erneuerbaren Quellen mehr als 41 Prozent der weltweiten Stromerzeugung ausmachen – so der Tenor der Internation Energy Agency, IEA. Behalten die Prognosen recht, würde sich dabei zum Beispiel der Anteil von Wind- und Solarenergie auf 25 Prozent erhöhen. Für die Europäische Union würde das einen Leistungszuwachs von 427 Gigawatt bedeuten. Damit liegt die EU aller Investitionen und Bemühungen zum Trotz noch weit hinter China zurück: Allein 2023 hat sich der dortige Marktanteil für Photovoltaik mehr als verdoppelt, auch im Bereich Windenergie weist das Land einen Ausbau von 66 Prozent auf. Diese Investitionen münden bis 2028 in etwa 2.060 Gigawatt an Leistung, die in das Stromnetz überführt wird.

Energiespeichersysteme für erneuerbare Energiequellen

Vor allem PV und Wind sind Energiequellen, die naturgemäß erheblichen Schwankungen unterworfen sind. Aus diesem Grund sind immer mehr und vor allem verlässliche, leistungsstarke Energiespeichersysteme (ESS) notwendig, um die nachhaltig generierte Energie auch nutzen zu können. Dabei müssen reine Lithium-Ionen-Energiespeichersysteme nicht immer der Weisheit letzter Schluss sein.

Lithium-Ionen- und VRLA-Bleibatterien (Valve Regulated Lead Acid) basieren auf unterschiedlichen Technologien und haben dementsprechend auch verschiedene Eigenschaften. VRLA-Batterien sind einfach in Handhabung und Wartung, leicht verfügbar und gelten als wirtschaftlich. Im Gegensatz dazu bieten Lithium-Ionen-Batterien unter anderem die Fähigkeit, problemlos in teilentladenem Zustand verweilen zu können. Vorzüge, die jedoch auch ein höheres Investment nötig machen.

Die Vorteile von Lithium-Batterien auf einen Blick
Leistung und Effizienz ➔ Hohe Energiedichte und Entladerate: bessere Leistungsfähigkeit im Vergleich zu traditionellen Batterien ➔ Schnelle Ladezeiten: volle Aufladung in etwa einer Stunde Lange Lebensdauer: hoher Energiedurchsatz und zahlreiche Entladezyklen bei gleichbleibender Kapazität ➔ Hohe Energieeffizienz: nur etwa 4 Prozent thermischer Verlust bei der Ladung Betrieb und Flexibilität ➔ Teilgeladener Betrieb: kein Kapazitätsverlust durch häufigen teilgeladenen Zustand ➔ Großer Ladetemperaturbereich: flexibler Einsatz ohne Spannungskompensation Kompakte Bauweise: geringer Platzbedarf und niedriges Gewicht Sicherheit und Wartung ➔ Sichere Stromversorgung: integrierte Batteriemanagement-Systeme für die Überwachung und Fehlererkennung jeder einzelnen Zelle ➔ Geringere Betriebskosten: kein Bedarf an Klimatisierung, nur einfache Luftzirkulation nötig

Die Vorteile von Lithium-Batterien auf einen Blick

Leistung und Effizienz
➔ Hohe Energiedichte und Entladerate: bessere Leistungsfähigkeit im Vergleich zu traditionellen Batterien
➔ Schnelle Ladezeiten: volle Aufladung in etwa einer Stunde
Lange Lebensdauer: hoher Energiedurchsatz und zahlreiche Entladezyklen bei gleichbleibender Kapazität
➔ Hohe Energieeffizienz: nur etwa 4 Prozent thermischer Verlust bei der Ladung

Betrieb und Flexibilität
➔ Teilgeladener Betrieb: kein Kapazitätsverlust durch häufigen teilgeladenen Zustand
➔ Großer Ladetemperaturbereich: flexibler Einsatz ohne Spannungskompensation
Kompakte Bauweise: geringer Platzbedarf und niedriges Gewicht

Sicherheit und Wartung
➔ Sichere Stromversorgung: integrierte Batteriemanagement-Systeme für die Überwachung und Fehlererkennung jeder einzelnen Zelle
➔ Geringere Betriebskosten: kein Bedarf an Klimatisierung, nur einfache Luftzirkulation nötig

Lösungen für Dual-Chemistry-Konzepte

In bestimmten Anwendungen empfiehlt sich deshalb ein paralleler Betrieb beider Batterietechnologien: Auf Zellebene betrachtet erscheint der gleichzeitige Einsatz beider Technologien zunächst schwierig, da sie unterschiedliche Nennspannungen haben. AGM-Bleibatterien (Absorbent Glass Mat) haben eine Nennspannung von 2 V pro Zelle, während LMO-Lithium-Ionen-Zellen (Lithium Mangan Oxid) mit 3,8 V pro Zelle fast doppelt so hoch liegen.

Durch die richtige Anordnung der Zellen kann jedoch der Spannungsbereich einer Anwendung abgebildet und ein paralleler Betrieb ermöglicht werden. GS Yuasa hat hierzu eine Dual-Chemistry-Lösung für 48-V-Systeme entwickelt. Diese verwendet vier 12-V/100-Ah-ENL100FT-Frontterminal-Batterien auf Bleibasis (24 Zellen) und 14 in Serie geschaltete LIM50EN-Lithium-Ionen-Zellen.

In der Zusammenarbeit der unterschiedlichen Zelltypen zeigt sich folgendes Profil:
Zunächst wird die LIM50EN-Batterie bis zu 70 Prozent entladen, um das Spannungsniveau der vollständig geladenen Bleibatterie zu erreichen. Danach beginnt das Entladen der Bleibatterie bis zur gewünschten Entlades-chlussspannung. Damit ist es möglich, Lithium-Ionen- und Bleibatterien parallel zu schalten, um die geforderte Gesamtkapazität zu erzielen.

Als einziges Unternehmen weltweit entwickelt und produziert GS Yuasa in relevantem Maßstab sowohl Li-Ionen- als auch VRLA-Batterien und kann so konstant eine hohe Qualität gewährleisten. Innerhalb der jeweiligen Technologie variieren dabei verschiedene Konstruktionsarten. Im Bleibereich gibt es sowohl verschlossene AGM-Typen als auch geschlossene Batterien mit »freier« Säure. Bei Lithium-Ionen stehen ebenfalls unterschiedliche Zellen zur Verfügung, die je nach Anwendungsbereich mit einer möglichst hohen Energiedichte (LIM-High-Energy-Module) oder für eine maximale Hochstromfähigkeit (LIM-High-Power-Module) entwickelt wurden.

Dual-Chemistry-Systeme in der Praxis

Bereits 2019 wurde die weltweit erste Energiespeicherplattform auf Container-Basis gelauncht, die GS Yuasa Battery Europe mitentwickelt und -gebaut hat. Eine Kombination aus Blei-Säure- und Lithium-Ionen-Batterien speist hier einen Energiewandler und kontrolliert die Einspeisung von lokal erzeugter erneuerbarer Energie ins Netz. Im Dual-Chemistry-System wird die schnelle Ladefähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien mit der langen Entladedauer von Blei-Säure-Batterien kombiniert. Dies führt zu einer wirtschaftlichen und nachhaltigen Lösung, bei der die Stärken beider Technologien optimal genutzt werden.

Für die Entwicklung der »Advanced Multi-Energy Management and Optimisation Time Shifting Platform« (ADEPT) arbeitete GS Yuasa mit der Infinite Group, der University of Sheffield und Innovate UK zusammen. Gebaut wurde das System in der Batterieproduktionsanlage von GS Yuasa im Rassau Industrial Estate in Ebbw Vale, Wales, Großbritannien.

In einem eigenständigen Seefrachtcontainer untergebracht, funktioniert der Einsatz von ADEPT ganz unkompliziert. Damit lässt sie sich schnell in jede Microgrid-Konfiguration für erneuerbare Energien integrieren und benötigt keinen zusätzlichen Innenraum. Zusammengesetzt ist die Plattform aus zwei Batteriesystemen von GS Yuasa: ein Lithium-Ionen-Batteriesystem mit 75 kWh inklusive 36 LIM50-Modulen sowie ein ventilgeregeltes Blei-Säure-Batteriesystem mit 250 kWh inklusive 240 SLR500-Zellen. Beide Systeme sind an eine bidirektionale 100-kW-Energieumwandlungs-Unit sowie an vollständige Überwachungs- und Batteriemanagementsysteme angeschlossen.

In diesem Speichersystem werden die von Windkraftanlagen erzeugte Energie sowie die Energie der Solarpanels auf dem Dach des Containers gespeichert und dann, kontrolliert durch den ADEPT-Microgrid-Manager, in das GS-Yuasa-Werk eingespeist.

Mit einer ähnlichen Container-Lösung belieferte GS Yuasa auch das Port-Energy-Systems-Optimization(PESO)-Projekt in Portsmouth, England. Dort lag die Herausforderung des internationalen Hafens insbesondere in der örtlichen Ladeinfrastruktur für E-Fahrzeuge. So war die Leistung, die aus dem öffentlichen Stromnetz bezogen werden konnte, zu gering, um ein schnelles Laden zu ermöglichen. Leider ist dies an vielen Standorten der Fall, was den Ausbau der Ladeinfrastruktur vor große Probleme stellt. So liegt die maximale Leistung, die ein mittelgroßes Geschäft oder ein Autohaus beziehen kann, häufig im Bereich von 30 bis 50 kW. Jedoch reicht die Batteriekapazität von Standardelektrofahrzeugen von 50 bis 90 kWh mit Ladeleistungen jenseits 100 kW.

Ein schnelles Laden aus dem Netz ist somit nicht möglich. Lösen lässt sich das Problem durch einen stationären Batteriespeicher, welcher kontinuierlich aus dem Netz gespeist wird und in der Lage ist, kurzfristig die benötigten hohen Leistungen für die Schnellladung von E-Fahrzeugen zur Verfügung zu stellen. Durch die Containerlösung von GS Yuasa wird die Notwendigkeit teurer Umbauarbeiten vermieden, das Gleiche gilt für Leistungserweiterungen, was die Projektkosten und die Umweltbelastung erheblich reduziert.

Dieses Dual-Chemistry-Energiespeichersystem befindet sich in einem wetterfesten Container und hat eine Leistung von 100 kW. Dafür nutzt es die Lithium-Ionen-Technologie sowie die Standard-Blei-Säure-Batterietechnologie der ENL-Serie von GS Yuasa. Während die Bleibatterien im Ebbw Vale Werk von GS Yuasa in Wales hergestellt werden, wo auch die Endmontage und Integration des gesamten Systems erfolgt, stammen die Lithiumbatterien für das System aus Japan.

Für maximale Kapazität und Leistungsfähigkeit bietet GS Yuasa zudem ein reines Lithium-Energiespeichersystem an. Damit lässt sich eine noch höhere Anzahl von Elektrofahrzeugen noch schneller und kosteneffizienter aufladen, was es zur derzeit leistungsstärksten Lösung auf dem Markt macht: Einen Meilenstein im Bereich der Speicherung erneuerbarer Energien bildet die Zusammenarbeit mit der North Hokkaido Wind Energy Transmission Corporation, in deren Auftrag GS Yuasa Lithium-Ionen-Energiespeichersysteme für ein Übertragungsnetz für die Windenergieerzeugung auf der Insel Hokkaido lieferte.

Mit 240 MW Leistung und einer Kapazität von 720 MWh (das entspricht ca. 45.000 Elektrofahrzeugen) ist diese Anlage einer der größten Container-Energiespeicher der Welt. Dieses System trägt zur Stabilisierung des Stromnetzes sowie zur Erreichung der »Sustainable Development Goals (SDGs)« der Vereinten Nationen bei, die im Rahmen globaler Problemlösungen unter anderem eine saubere Energie für alle anstreben.

Da der weltweite Energiebedarf mit dem Bevölkerungs- und Wirtschaftswachstum steigt, bedarf es eines verstärkten Einsatzes erneuerbarer Energien anstelle von fossilen Brennstoffen. Die Einführung von Batteriesystemen zur Stabilisierung der Ausgangsschwankungen trägt hier einen wesentlichen Anteil zur effektiven Nutzung der Energie bei, die durch Windkraft und Sonnenenergie erzeugt wird. Auch künftig will GS Yuasa an der Verbreitung erneuerbarer Energien im Hinblick auf eine nachhaltige Gesellschaft mitwirken.

Der Autor

Thomas Wallraff ist Manager Reserve & Renewable Energy & Technical, GS Yuasa Battery, Germany.