Im Jahr 2022 wird sich die Energiespeicherbranche dynamisch entwickeln, und die kumulierte installierte Kapazität neuer Energiespeicher wird 13,1 GW erreichen. Die Anzahl der in China geplanten und im Bau befindlichen neuen Energiespeicherprojekte hat fast 100 GW erreicht und damit die von den zuständigen nationalen Behörden für 2025 prognostizierten 30 GW deutlich übertroffen. 2023 wird zweifellos ein weiteres Jahr mit anhaltend schnellem Wachstum der inländischen elektrochemischen Energiespeicherung sein.
Die neue Energiespeicherbranche ist dynamisch und voller Tatendrang; Hoffnung und Herausforderungen gehen Hand in Hand. Energiespeicher sollten sich in Richtung großflächiger, mittel- bis langfristiger Speicherung mit hoher Belastbarkeit und Sicherheit entwickeln. In den letzten Jahren kam es vermehrt zu Unfällen mit elektrochemischen Energiespeichern. Wie lässt sich das Sicherheitsmanagement von Energiespeichern verbessern?
Flüssigkeitskühlung hat sich im Bereich des Wärmemanagements als beliebte Technologie etabliert und sorgte in letzter Zeit immer wieder für Aufsehen. Im April präsentierte Midea erstmals seine Energiespeichersystemlösungen und eine Reihe neuer flüssigkeitsgekühlter Produkte für das Wärmemanagement von Energiespeichern und stieg damit offiziell in den Markt für Energiespeicher-Wärmemanagement ein. Die Huadian Group startete eine neue zentrale Beschaffungsrunde für Lithium-Eisenphosphat-Energiespeichersysteme und erwarb 2 GWh luftgekühlte und 3 GWh flüssigkeitsgekühlte Energiespeichersysteme.
Um welche Art von Schiene handelt es sich bei der Flüssigkeitskühlungs-Energiespeicherung?
01 Wärmemanagement für Energiespeicher
Aufgrund der thermischen Eigenschaften von Batterien ist das Wärmemanagement zu einem Schlüsselelement in der Wertschöpfungskette der elektrochemischen Energiespeicherindustrie geworden. Betrachtet man Wert und Volumen der Wertschöpfungskette, so entfallen etwa 55 % der Batteriekosten auf das Energiespeichersystem, etwa 20 % auf das Stromverteilungssystem (PCS), etwa 11 % auf das Batteriemanagementsystem (BMS) und das Energiemanagementsystem (EMS) und lediglich 2–4 % auf das Wärmemanagement. Obwohl der Wert des Wärmemanagements relativ gering erscheint, spielt es eine entscheidende Rolle und ist der Schlüssel zum kontinuierlichen und sicheren Betrieb des Energiespeichersystems.
Kraftwerksunfälle ereignen sich häufig, und das thermische Durchgehen von Lithiumbatterien ist eine der Hauptursachen für Sicherheitsvorfälle in Energiespeichersystemen. Diese Systeme erzeugen viel Wärme und bieten nur begrenzten Raum zur Wärmeabfuhr. Eine Temperaturkontrolle ist mit natürlicher Belüftung schwierig, was die Lebensdauer und Sicherheit der Batterie beeinträchtigen kann. Im Vergleich zu Antriebsbatterien weisen die Batterien in Energiespeichersystemen eine höhere Leistung, eine größere Anzahl und eine stärkere Wärmeentwicklung auf. Die enge Anordnung der Batterien führt zu begrenztem Raum für die Wärmeabfuhr, wodurch eine schnelle und gleichmäßige Wärmeabfuhr erschwert wird und leicht Reibung zwischen den Batteriepacks entstehen kann. Wärmestau und übermäßige Betriebstemperaturdifferenzen führen zu häufigen Sicherheitsvorfällen im Energiespeichersystem und beeinträchtigen letztendlich die Lebensdauer und Sicherheit der Batterie.
thermisches Durchgehen von Lithium-Ionen-Batterien
Das Wärmemanagement ist entscheidend für den kontinuierlichen und sicheren Betrieb von Energiespeichersystemen. Idealerweise hält das Wärmemanagement die Temperatur im Energiespeichersystem im optimalen Temperaturbereich (10–35 °C) für den Betrieb von Lithiumbatterien und gewährleistet eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Akkupack. Dadurch werden die Lebensdauer der Batterie verkürzt und die Wärmeabgabe reduziert. Das Risiko eines Kontrollverlusts wird minimiert.
Die derzeit gängigsten technischen Ansätze für das Wärmemanagement von Energiespeichern sind Luft- und Flüssigkeitskühlung. Diese Technologien lassen sich im Wesentlichen in Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung, Wärmerohrkühlung und Phasenwechselkühlung unterteilen, wobei Wärmerohr- und Phasenwechselkühlung noch nicht ausgereift sind.
1. Luftkühlung
Die Batterietemperatur wird durch Gaskonvektion gesenkt. Das System zeichnet sich durch einfache Bauweise, Wartungsfreundlichkeit und niedrige Kosten aus, weist jedoch eine geringe Wärmeabfuhreffizienz, -geschwindigkeit und Temperaturhomogenität auf. Es eignet sich für Anwendungen mit geringer Wärmeentwicklung.
2. Flüssigkeitskühlung
Die Batterietemperatur wird durch Flüssigkeitskonvektion gesenkt. Die Wärmeabfuhr ist effizient, schnell und gleichmäßig, jedoch sind die Kosten hoch und es besteht die Gefahr des Auslaufens der Kühlflüssigkeit. Das Verfahren eignet sich für Anwendungen mit hoher Energiedichte des Akkus, schnellen Lade- und Entladezeiten sowie starken Schwankungen der Umgebungstemperatur.
3. Wärmerohr & Phasenwechsel
Die Wärmeabfuhr der Batterie erfolgt durch die Verdampfung und Wärmeaufnahme des Mediums im Wärmerohr sowie durch die Phasenumwandlung des Materials.
Die Flüssigkeitskühlung leitet Wärme direkt durch Konvektion ab und ermöglicht so eine präzise Temperaturregelung der Batterie sowie eine gleichmäßige Kühlung. Luftkühlung ist zwar kostengünstiger, bietet aber eine geringere Wärmeabfuhr und erlaubt keine präzise Temperaturregelung. Daher ist Luftkühlung bei geringem Leistungsbedarf weiterhin Standard, während Flüssigkeitskühlung bei mittlerem und hohem Leistungsbedarf dominiert. Flüssigkeitskühlsysteme zeichnen sich durch hohe spezifische Wärmekapazität und schnelle Kühlung aus und ermöglichen so eine effektivere Temperaturregelung der Batterie und damit einen stabilen Betrieb des Energiespeichers.
02 Markt für Energiespeicherung durch Flüssigkeitskühlung
Der heimische Markt für Energiespeicher boomt, und Systemintegratoren sowie Batteriehersteller setzen frühzeitig auf Flüssigkeitskühlung in Energiespeichern und entwickeln neue Produkte sowie Produktaktualisierungen mit neuen Technologien. Dank der zunehmenden praktischen Anwendung etablieren sich flüssigkeitsgekühlte Energiespeichersysteme rasant als Standardtechnologie auf dem Markt.
Derzeit nimmt der Anteil der Flüssigkeitskühlungstechnologie in neuen Großspeicherprojekten auf der Stromerzeugungs- und Netzseite rasant zu. Beispiele hierfür sind das Demonstrationsprojekt des 100-MW/200-MWh-Energiespeicherkraftwerks der Ningxia Power Investment Ningdong Base und das 100-MW/400-MWh-Energiespeicherkraftwerksprojekt in Linze, Gansu. Diese Technologien nutzen die Flüssigkeitskühlung zur Temperaturregelung. Auch in realen Projekten findet die Flüssigkeitskühlung zunehmend Anwendung. So wurde beispielsweise das Energiespeicherkraftwerk Meizhou Baohu von Southern Power Grid in Wuhua County, Meizhou, Provinz Guangdong, kürzlich offiziell in Betrieb genommen. Es handelt sich dabei um das weltweit erste flüssigkeitsgekühlte Energiespeicherkraftwerk. Erstmals tauchte die China Southern Grid Energy Storage Company die Batterie direkt in das Kühlmittel ein, um eine direkte, schnelle und ausreichende Kühlung zu erreichen und so den Betrieb der Batterie im optimalen Temperaturbereich zu gewährleisten.
Große Energiekonzerne haben begonnen, Ausschreibungen für flüssigkeitsgekühlte Energiespeichersysteme zu starten. Statistiken zufolge haben die China National Nuclear Corporation, PetroChina, die National Energy Group, die Huadian Group und weitere Unternehmen Beschaffungsprojekte für solche Systeme durchgeführt. Die Speicherkapazität der Systeme beträgt rund 5,4 GWh, der Einkaufspreis liegt zwischen 1,42 und 1,61 Yuan/Wh.
Laut öffentlich zugänglichen Statistiken haben zahlreiche Hersteller, darunter Kehua Data Energy, Sungrow Power, Yiwei Lithium Energy, Cairi Energy, Xingyun Times, HyperStrong, Haichen Energy Storage, Zhongtian Technology, Shanghai Electric Guoxuan, Trina Energy Storage und Ashi sowie Te und Shenghong, dem Trend zur Flüssigkeitskühlung gefolgt. Die neu auf den Markt gebrachten Produkte basieren allesamt auf dieser Technologie und decken verschiedene Anwendungsbereiche ab, von der Stromnetzebene über Industrie und Gewerbe bis hin zur Energiespeicherung in Privathaushalten.
Für Unternehmen der Temperaturregelungstechnik liegt die Kernkompetenz in der Anpassungsfähigkeit sowie in langjähriger Erfahrung und umfassendem Know-how im Bereich Wärmemanagementlösungen. GGII geht davon aus, dass sich die Marktverteilung mittel- und langfristig auf Unternehmen mit ausgereifteren kundenspezifischen Lösungen, besseren Sonderanfertigungen und kosteneffizienteren Produkten konzentrieren wird. Daher liegt die Kernkompetenz von Unternehmen der Temperaturregelungstechnik in der Anpassungsfähigkeit und der langjährigen Erfahrung, insbesondere im Bereich Wärmemanagementlösungen.
03 Zukunftspotenzial der Flüssigkeitskühlung als Energiespeicher
Der Boom im Energiespeichermarkt wird anhalten. Um den Einsatz erneuerbarer Energien effektiv zu fördern, wird die Inbetriebnahme von großflächigen und leistungsstarken Energiespeicherkraftwerken beschleunigt. Als wichtiger Bestandteil des Energiespeichersystems profitiert das Wärmemanagementsystem von der steigenden installierten Speicherkapazität. Der Markt für Temperaturregelung in Energiespeichern dürfte daher weiter wachsen.
Statistiken zufolge werden Chinas neue Energiespeicherprojekte im Jahr 2022 eine Leistung von 7,3 GW/15,9 GWh erreichen, die kumulierte installierte Kapazität wird sich auf 13,1 GW/27,1 GWh belaufen. Unter Berücksichtigung der Planungssituation in verschiedenen Regionen wird geschätzt, dass die kumulierte installierte Kapazität inländischer Energiespeicher bis Ende 2025 nahezu 80 GW erreichen wird. Laut einer Analyse des Advanced Industry Research Institute (GGII) werden die Lieferungen von temperaturgeführten Energiespeichern in China im Jahr 2025 einen Wert von 16,5 Milliarden Yuan erreichen. Mit steigender Energiespeicherkapazität und Lade-/Entladerate wird der Anteil von flüssigkeitsgekühlten Energiespeichern mittlerer und hoher Leistung zunehmen. Es wird erwartet, dass sich die Flüssigkeitskühlung durch stetige Verbesserungen zukünftig als Standardlösung etablieren wird und der Marktanteil dieser Technologie bis 2025 voraussichtlich bei etwa 45 % liegen wird.
Prognose für den chinesischen Markt für Temperaturregelung und Flüssigkeitskühlung von Energiespeichern (100 Millionen Yuan)
Zukünftig, da neue Kraftwerke und netzunabhängige Energiespeicher größere Batteriekapazitäten und höhere Leistungsdichten erfordern, wird der Anteil flüssigkeitsgekühlter Energiespeicher stetig steigen und sich aufgrund ihrer umfassenden Vorteile mit Sicherheit als Marktführer etablieren. Dies wird die Hersteller von Energiespeichersystemen zu kontinuierlicher Entwicklung neuer Produkte und Technologien anspornen und die Sicherheit und Wirtschaftlichkeit von Energiespeichersystemen verbessern.
Veröffentlichungsdatum: 22. September 2023