Batteriespeicher auf dem Prüfstand

Mit dem Zubau von nicht regelbaren erneuerbaren Energien nehmen die Schwankungen im Stromnetz zu. Netzstabilität in den Verteilnetzen ist deshalb von entscheidender Bedeutung. Mit Blindleistung wie sie durch Batteriespeicher generiert wird, können Spannungsschwankungen im Verteilnetz ausgeglichen werden. Auf der Ebene des Übertragungsnetzes geht es um den Ausgleich von Last und Produktion durch Regelenergie. Durch ihre rasche Reaktionsfähigkeit können Batteriespeicher auch Regelenergie liefern.

Bei der EWJR kann der im Jahr 2019 installierte Batteriespeicher zur Regel­energieproduktion eingesetzt werden. Der Batteriespeicher ermöglicht der EWJR ausserdem, die Kosten für Spitzenlast zu verringern («Peak Shaving»). Die EWJR beauftragte Axpo Grid AG als Systemanbieter und Inte­grator mit der Planung, Bewilligung, Lieferung und Inbetriebsetzung eines Batteriespeichers. Wertvolle Erfahrungen konnten bezüglich der Funktionsweise von Batteriespeichern, bei der Einbindung ins Netz, bei der Inbetriebsetzung sowie bei der Anbindung an den Flexpool der Centralschweizerische Kraftwerke AG (CKW – eine Tochtergesellschaft der Axpo) zwecks Erbringung der Regelleistung an Swissgrid gesammelt werden.

Gespanntes Warten im Juni 2019 auf dem Areal der EWJR: Nach einer Schiffsreise von Nanjing (China) nach Hamburg und dem Transport mit zwei Schwertransportern und Begleitfahrzeug in die Schweiz kam der Batteriespeicher in Jona an. Ein Pneukran hob die zwei Schiffs-Container von den Lastwagen und platzierte sie millimetergenau auf die vorbereiteten Fundamente. Nun mussten die beiden Container für eine dauerhafte Installation erdbebenfest montiert und nivelliert werden. Der Batteriespeicher nimmt auf dem Werkhof der EWJR in Jona die Grösse von fünf Parkplätzen ein. Besondere Herausforderungen für den Standort waren die Vorgaben für Lärm, elektromagnetische Verträglichkeit zum direkten Nachbargrundstück und der knappe Installationsraum, da sich der Batteriespeicher nahe dem Fahrweg im Werkhof des EWJR befindet.

Umfangreiche Tests beim Hersteller

Vor der Lieferung des Batteriespeichers gab es verschiedene Vorkehrungen zu treffen. Zunächst erstellte Axpo alle notwendigen Planungen und bereitete die Planungsunterlagen für die erfolgreiche Genehmigung vor. Die Lärmentwicklung durch Wechselrichter, Lüfter und Kühlgeräte wurde berechnet und optimiert. Eine grosse Herausforderung war, den Batteriespeicher mit seinen Komponenten und Installationen nach den gültigen Schweizer Normen fertigen zu lassen. Um eine verzögerungsfreie Abwicklung gegenüber der EWJR zu gewährleisten, wurden beim Hersteller in Ostasien Factory-Acceptance-Tests durchgeführt. Hierbei wurden die beiden Container (ein Container mit Batterien und einer mit den Wechselrichtern, der Mittelspannungsanlage und dem Transformator) zum intensiven Test wie am Einsatzort bei der EWJR voll funktionsfähig konfiguriert und mit dem Mittelspannungsnetz verbunden. Die Funktionstests umfassten unter anderem das Zusammenspiel von Batterie und Wechselrichtern mittels Leittechnik und verschiedene Ladungs- und Entladungsvorgänge. Weiter wurden zur Erfüllung der Schweizer Lärmschutzverordnung Geräuschquellen wie Wechselrichter, Luftdurchsatz der laufenden Lüftungsanlagen und Klimageräte analysiert, mit Lärmdämmmassnahmen eingeschränkt und entsprechend den Grenzwerten eingepegelt.

Aufgrund des knappen Terminplans begannen bereits am Tag nach dem Ablad die Aussenmontage der Lüftungsgehäuse und die Kabelverbindungen für die Eigenbedarfsversorgung (AC) des Batterie-Containers. Axpo und der Lieferant testeten intensiv die Betriebszuverlässigkeit der Batteriemodule mit den Wechselrichtern und dem Steuerungs- und Überwachungssystem. Jede einzelne Zelle wird auf Temperatur, Zellenspannung und Ladezustand überwacht. Durch Elektronik werden bei Bedarf Ausgleichsvorgänge gestartet, die eine immer gleichmässige Ladung der Zellen sicherstellen. Die angeforderte Leistung wird durch eine intelligente Steuerung auf die Wechselrichter verteilt und überprüft, sodass am Anschlusspunkt des Batteriespeichers (Point of Connection) eine Vertragserfüllung der geforderten Leistungen sichergestellt ist.

Einbindung ins Netz und Inbetriebsetzung

Mit der Realisierung eines Erdkabels wurde der Batteriespeicher an das Mittelspannungsnetz der EWJR angeschlossen. Im Rahmen der Inbetriebnahme auf dem Areal der EWJR wurde eine sichere Verbindung zu CKW, die zusammen mit SN Energie AG von EWJR zur Bewirtschaftung des Speichers beauftragt wurde, eingerichtet. Sie dient der Übertragung von Steuerungssignalen und ermöglicht den Fernbetrieb. Zur reibungslosen Bewirtschaftung des Batteriespeichers im Fernbetrieb wurden die Übertragungsprotokolle der Steuerungssignale und die Funktionen des Leitsystems, welche das Zusammenspiel von Batterien und Wechselrichtern steuern, abgestimmt. In Zusammenarbeit mit CKW wurden die auszutauschenden Signale so parametriert, dass die Anforderungen von Swissgrid für Regelleistungserbringung erfüllt werden. Seit der Inbetriebsetzung im Herbst 2019 läuft der Batteriespeicher produktiv und reibungslos, und er generiert Erlöse für die EWJR. Das Projekt zeigt, dass eine Installation innerhalb eines halben Jahres zwischen Bestellung und Inbetriebnahme möglich ist.

Einsatz und Nutzen eines Batteriespeichers

Bereits mit der Standortwahl eines Batteriespeichers im Netzgebiet eines Energieversorgers und Verteilnetzbetreibers werden die Einsatzmöglichkeiten und somit der resultierende Nutzen eines Batteriespeichers beeinflusst. Auch das Ausmass der Einspeisung von Leistungen aus nicht regelbaren erneuerbaren Energieproduktionsanlagen (in der Schweiz primär aus Photovoltaik) spielt eine wichtige Rolle. Eine Analyse der Netzsituation im Vorfeld ist relevant, um den optimalen Standort zu evaluieren, wo mehrere Anwendungen des Batteriespeichers miteinander kombiniert werden können. Für diese Netzanalyse kommen spezielle Simulationsprogramme zum Einsatz, die idealerweise Echtzeitinformationen der Lastflüsse im Netzgebiet am Einsatzstandort als Berechnungsgrundlage nutzen. Der Einsatz von Batteriespeicherlösungen wird durch die regulatorischen Rahmenbedingungen beeinflusst. Diese sind von Land zu Land unterschiedlich ausgeprägt.

Weltweit werden Batteriespeicher am häufigsten zur Erbringung von Systemdienstleistungen in Regelenergiemärkten eingesetzt (siehe obenstehende Grafik). Die Bedienung des Regelenergiemarktes mit Leistungen aus Batteriespeichern bietet eine gute Einsatz- und Ertragsmöglichkeit. Batteriespeicher im Regel­energieeinsatz ermöglichen zusammen mit weiteren Anlagen, die Regelenergie generieren können, das Netz auf der Frequenz von 50 Hz zu stabilisieren und tragen damit zur Stabilität des schweizerischen sowie des europäischen Stromnetzes bei. Batteriespeicher sind aufgrund ihrer schnellen Reaktionsfähigkeit im Einsatz für Systemdienstleistungen sehr gut geeignet. Dank der Reaktionsfähigkeit im Millisekundenbereich können Batteriespeicher auch einen systemrelevanten Beitrag zur Bewältigung von Extremsituationen leisten, zum Beispiel zur Lösung von kritischen Frequenzabweichungen.

Neben dem Einsatz in den Regel­energiemärkten werden Batteriespeicher häufig auch zur Kappung von Lastspitzen eingesetzt. Mit der Reduktion der Spitzenlast durch Einsatz eines Batteriespeichers können Kosten eingespart werden, beispielsweise, indem auf einen Netzausbau verzichtet wird. Die Kombination mehrerer verschiedener Anwendungen eines Batteriespeichers über eine Laufzeit von 10 bis 15 Jahren ist essenziell für den Gesamtnutzen und für einen wirtschaftlichen Betrieb.

Bedarfsentwicklung und Ausblick

Laut der European Association for Storage of Energy (EASE) wurden seit 2015 in Europa Batteriespeicher mit einer Kapazität von insgesamt 5 GWh installiert. Für das Jahr 2020 wird ein Zubau von rund 1,4 GWh erwartet. Laut Branchenexperten liegt die jährliche Wachstumsprognose bis 2025 im zweistelligen Prozentbereich. Die Haupttreiber der Bedarfsentwicklung sind die Nachfrage nach Netzdienstleistungen (zum Beispiel Primärregelleistung, kurzfristige Frequenzhaltung), die Integration von erneuerbaren Energien (insbesondere in Kombination mit PV) und der Einsatz als Haushaltsspeicher. Das Wachstum des Schweizer Marktes wird primär durch die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten bei EVUs (beispielsweise für Peak Shaving, Systemdienstleistungen und Spannungshaltung) und im Gewerbe- und Industriebereich getrieben.

Batteriespeicher haben sich in den letzten Jahren als Energiespeichertechnologie einen festen Platz im Energieversorgungssystem sichern können, das mehr und mehr von nicht regelbarer erneuerbarer Energieproduktion dominiert wird. In der Zukunft wird der Einsatz von Batteriespeichern in verschiedenen Anwendungsfeldern noch weiter an Bedeutung gewinnen. Kenntnisse und Erfahrungen im Umgang mit Batteriespeichern sind mehr denn je gefragt.