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Puffer für Windenergie

In der Windenergie übernehmen Batterien unterschiedliche Aufgaben – von der Netzstabilisierung bis zum Energiepuffer für die Pitchsysteme

In der Windenergie übernehmen Batterien unterschiedliche Aufgaben – von der Netzstabilisierung bis zum Energiepuffer für die Pitchsysteme

Bild 1. Auf den Shetlandinseln unterstützen 3 186 Bleibatterien von Yuasa das Kraftwerk Lerwick bei auftretenden Lastspitzen

Bild 1. Auf den Shetlandinseln unterstützen 3 186 Bleibatterien von Yuasa das Kraftwerk Lerwick bei auftretenden Lastspitzen

Bild 2. Die Bleibatterien der NP-Serie von Yuasa kommen unter anderem in Pitchsystemen zur Steuerung der Rotorblätter von Windrädern zum Einsatz

Bild 2. Die Bleibatterien der NP-Serie von Yuasa kommen unter anderem in Pitchsystemen zur Steuerung der Rotorblätter von Windrädern zum Einsatz

Windräder können Kraftwerke nur dann unterstützen, wenn ausreichend Wind diese antreibt. Deshalb sind sie auf die Unterstützung von Blei- oder Lithium-Ionen-Batterien angewiesen, ob zur Steuerung der Rotorblätter oder als Energiespeicher. Bei der Auswahl der passenden Batterie gilt es, einige Faktoren abzuwägen.

Je nach eingesetzter Technologie besitzen Blei- sowie Lithium-Ionen-Batterien unterschiedliche Merkmale hinsichtlich der Zyklenfähigkeit, Ladeakzeptanz, Entladezeit sowie des möglichen Entladestroms. In die Planung fließen zudem die Statik des Gebäudes und der vorhandene Raum mit ein, da beim Einsatz einer Bleibatterie beispielsweise deutlich mehr Volumen und Gewicht zum Tragen kommen. Nicht zuletzt spielt das vorhandene Budget eine Rolle. In jedem Fall zahlt es sich aus, Batterien von bekannten Markenherstellern einzusetzen, da diese im Rahmen standardisierter Qualitätskontrollen die Eigenschaften und Sicherheitsaspekte der Produkte nachhaltig gewährleisten.

Unterstützung von Windparks
Im Bereich der Windenergie geht es nicht ausschließlich darum, die produzierte Energie zu speichern. Die Aufgabe von Batteriespeichern besteht in Windparks vordergründig darin, das Netz zu stabilisieren, da der Wind nicht zu jedem Zeitpunkt mit der gleichen Stärke auftritt und schnell die Richtung ändern kann. Bei der Auswahl der richtigen Batterie muss sich der Anwender fragen, was diese leisten soll und wie hoch das verfügbare Budget ist. Unterstützung leisten hier Batteriehersteller, wie
Yuasa Battery (Europe), die auch bei der Projektierung und Durchführung eines Projekts beratend zur Seite steht.
Ein Beispiel für die Abwägung zwischen beiden Batterietypen für den Einsatz in einem Kraftwerk ist die Lerwick Power Station auf den Shetlandinseln (Bild 1). Hier hat Yuasa mit 1 MW/3 MWh Europas größten Energiespeicher auf Basis von VRLA-Batterien (valve-regulated lead-acid) installiert. Die Batterien unterstützen das Kraftwerk bei Lastspitzen. Unter den gegebenen Bedingungen fiel die Wahl auf eine Bleibatterie des Typs SLE1000 von Yuasa, da diese ideal in die vorhandenen Räumlichkeiten hineinpasste und sich liegend in vier Etagen übereinander betreiben lässt.

Steuerung für Pitchsysteme
Um die Leistungsabgabe einer Windenergieanlage bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten möglichst konstant zu halten, hat sich die Rotorblattwinkelverstellung etabliert. Dabei misst ein Regelungssystem kontinuierlich die Leistungsabgabe der Anlage und dreht bei starkem Wind die Rotorblätter um die Längsachse aus dem Wind. Die stufenlose Verstellung erfolgt üblicherweise elektrisch über sogenannte Pitchmotoren.
Bei Sturm ab 25 m/s ist es notwendig, die Windenergieanlage abzuschalten, um Schäden am Generator zu vermeiden. Dazu werden die Rotorblätter um nahezu 90° in die Fahnenstellung gedreht. Damit das Pitchsystem auch bei Netzausfall seinen Dienst zuverlässig verrichten kann, puffern Batterien dessen Stromversorgung. Aus Sicherheitsgründen verfügt jeder Motor über eine eigene Pufferbatterie. Diese ist sehr kurzen Autonomien mit sehr hohen Entladeströmen ausgesetzt, die ein Vielfaches der Nennkapazität betragen. Für den anspruchsvollen Anwendungsbereich stellt Yuasa unter anderem die Typen NP7-12L und NPH5-12 bereit (Bild 2). Dank einer Gebrauchsdauer laut Eurobat von drei bis fünf Jahren ist ein Austausch außerhalb der üblichen Serviceintervalle im Normalfall nicht notwendig. Vor allem im Offshore-­Bereich spielt das eine wichtige Rolle, weil dort die Servicekosten sehr hoch sind.
Verbaut werden die Batterien in der Spitze des Rotors in sogenannten Trögen. In dieser Höhe müssen sie enormen Vibrationen sowie kurzen Stößen durch den Wind standhalten. Deshalb orientieren sich Hersteller von batteriegestützten Pitchsystemen an den Normen DIN EN 60068-2-6 (VDE 0468-2-6), DIN EN 61373 und DIN EN 60068-2-27 (VDE 0468-2-27), die ursprünglich aus der Bahntechnik stammen. Als bisher einziger Hersteller hat sich Yuasa für einen unabhängigen Test seiner Batterien durch den TÜV entschieden, der internationale Anerkennung und Aussagekraft besitzt. Diese erhaltenen Zertifikate für die Batterien sind nun nicht nur in der Windenergie von Nutzen, sondern auch bei anderen Anwendungen mit entsprechenden Belastungen.

Unterschiede bei den Batterietypen
Prinzipiell beeinflussen Faktoren wie regelmäßige Entladung, Entladetiefe, Lagerung im teilentladenen Zustand sowie insbesondere die Temperatur und Ladetechnik jeden chemischen Energiespeicher in seiner Lebensdauer. Betrachtet man VRLA-Bleibatterien im Vergleich zu Li-Ionen Batterien, lässt sich grundsätzlich festhalten, dass beide durch regelmäßiges Entladen altern. Dabei spielt die Entladetiefe eine entscheidende Rolle, je tiefer entladen wird, desto weniger Zyklen bleiben und desto geringer ist die Restlebensdauer. Der Unterschied besteht darin, dass Li-Batterien wesentlich mehr Zyklen als VRLA-Batterien liefern. Je nach Entladetiefe findet die Alterung bei VRLA-Batterien über mehrere hundert Zyklen statt, während Li-Batterien über mehrere tausend Zyklen altern.
Auch bei der Lagerung im teilentladenden Zustand gibt es Unterschiede: VRLA-Batterien reagieren hierauf mit sogenannter Sulfatierung und werden dadurch nach einiger Zeit unbrauchbar. Li-Zellen hingegen sind weniger anfällig. Die Ladetechnik spielt bezüglich Alterung eine übergeordnete Rolle, insbesondere beim Überladen der Batterien altern beide Technologien schneller und werden bei dauerhaftem Überladen unbrauchbar. Der größte Feind der Batterie ist allerdings die Temperatur. Werden VRLA- aber auch Li-Typen bei Temperaturen jenseits der 20 °C betrieben oder geladen, beschleunigt sich der Alterungsprozess. Dabei reagiert die VRLA-Batterie wesentlich empfindlicher. Die VRLA-Batterien (ventilgeregelte Blei-Säure-Batterien) sind dafür quasi wartungsfrei dank fast 100%iger Rekombinationsfähigkeit.

Objektive Beratung zum Batterietyp
Da Yuasa sowohl Lithium-Batterien als auch Bleibatterien herstellt, kann das Unternehmen auf den Anwendungsfall hin objektiv beraten und sieht sich nicht gezwungen, eine Technologie in eine Anwendung hineinzupressen, die nicht richtig passt. Prinzipiell stehen zum Beispiel für die Speicherung von erneuerbaren Energien zwei Baureihen zur Auswahl: im Bleibereich die VRLA-Batterien der Serien SLE bzw. SLR mit wahlweise 500 Ah oder 1 000 Ah sowie einer Nennspannung von 2 V. Sie zeichnen sich durch eine für Bleibatterien hohe Ladeakzeptanz aus und leisten bis zu 5 000 Zyklen bei 50 % Entladetiefe. Alternativ erhalten Anwender eine Lithium-Ionen-Zelle mit einer Kapazität von 48 Ah und 3,7 V Nennspannung sowie 11 000 Zyklen bei ebenfalls 50 % Entladetiefe. Beide Zellen werden in Modulform zu entsprechenden Speicher­einheiten zusammengeschlossen. (no)

Raphael Eckert ist Group ­Sales Manager bei der Yuasa Battery (Europe) GmbH in Düsseldorf. raphael.eckert@yuasa-­battery.de

Raphael Eckert ist Group ­Sales Manager bei der Yuasa Battery (Europe) GmbH in Düsseldorf. raphael.eckert@yuasa-­battery.de