Dimensionierung und Betriebsführung von Lithiumionen-Batterie-Speichersystemen unter Berücksichtigung von Degradationseffekten

Abstract

Verschiedene Maßnahmen zum angestrebten Klimaschutz gehen mit einer verstärkten Verwendung elektrischer Energie einher. Dabei stellt sich bei der Nutzung volatiler regenerativer Energiequellen wie Sonne und Wind die Herausforderung einer räumlichen und zeitlichen Abstimmung von Erzeugung und Verbrauch elektrischer Energie. Batteriespeicher können hier einen effektiven Beitrag leisten (z.B. in Haushalten, im Verkehrssektor und in der Industrie). Im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit erfordert dies eine zielgerichtete Dimensionierung und Betriebsführung entsprechender Batterie-Energie-Speichersysteme (BESS) unter Berücksichtigung der für den Verschleiß und die Alterung von (Lithiumionen-)Batterien relevanten Faktoren. Hierbei wird zwischen der nutzungsabhängigen (zyklischen) und der altersabhängigen (kalendarischen) Degradation unterschieden, welche die noch verfügbare Kapazität (gemäß State of Health, SoH) und damit die Lebensdauer und entsprechende Kosten von Batterien nicht-linear beeinflussen. In der Literatur finden sich hierzu unterschiedliche Annahmen und Ansätze, wie sich die Verwendung von Batterien auf den SoH auswirkt und wie ein wirtschaftlicher Einsatz von Batterien unter Berücksichtigung der Degradationseffekte gestaltet werden kann. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über diese Problematik unter Berücksichtigung neuerer Arbeiten aus der Literatur und dort noch nicht ausreichend adressierter Aspekte. Es wird ein integratives Modell für die Auslegung und den Betrieb von BESS entwickelt, welches die Auswirkungen beider Degradationsarten auf die Dimensionierung und Nutzung eines BESS einbezieht. Dabei wird berücksichtigt, dass ein abnehmender SoH bei gleichbleibendem Energiebedarf zu einer höheren Degradation führt, da dann die Zyklenanzahl zunimmt und das BESS schneller degeneriert. Darüber hinaus ist zu beachten, dass die Betriebsführung von BESS mit verschiedenerlei Unsicherheiten behaftet ist (sowohl bei der Erzeugung als auch beim Verbrauch, was sich auch in dynamischen Preisen im Stromnetz zeigt). Das formulierte Basiskonzept zur wirtschaftlichen Auslegung des Batteriebetriebs soll die Grundlage für weiterführende stochastische sequenzielle Entscheidungsverfahren und zugehörige Analysen bilden, die zu einer kosteneffizienten Dimensionierung und Betriebsführung von BESS beitragen.