Wie ein neues Batteriesystem in der Bronx funktionieren wird

Der Staat hat sich zum Ziel gesetzt, bis 2030 sechs Gigawatt Batteriespeicher ans Netz zu bringen. Schauen Sie sich an, wie ein kleines System funktionieren wird.

Von Rob Verger | Veröffentlicht am 13. Mai 2023, 7:00 Uhr EDT

Auf einem kleinen Stück Land im Nordosten der Bronx in New York City steht ein ordentliches, aber leistungsstarkes Batteriespeichersystem. Das Batteriesystem befindet sich gegenüber einem beigen Mittelschulgebäude und nicht weit von einem Planet Fitness und einem Dollar Tree entfernt und ist so konzipiert, dass es an heißen Sommernachmittagen und -abenden zu Spitzenzeiten Strom ins Netz einspeist.

Der Staat New York hat das Ziel, in den nächsten sieben Jahren satte sechs Gigawatt an Batteriespeichersystemen ans Netz zu bringen, und dieses System ist mit etwa drei Megawatt ein sehr kleiner, aber hoffentlich hilfreicher Teil davon. Diese drei Megawatt Leistung sollen über einen Zeitraum von vier Stunden, typischerweise zwischen 16 und 20 Uhr, abgestrahlt werden könnenan den heißesten Tagen des Jahres, mit dem Ziel, ein belastetes Stromnetz etwas weniger belastet und im Idealfall etwas sauberer zu machen.

Der örtliche Energieversorger Con Edison hat das Batteriesystem kürzlich ans Netz angeschlossen. Hier erfahren Sie, wie es funktioniert und warum Systeme wie dieses wichtig sind.

Die Stromquelle für diese Batterien sind die vorhandenen Stromverteilungsleitungen, die entlang der Spitze nahegelegener Masten verlaufen. Diese Leitungen führen eine Spannung von 13.200 Volt, das Batteriesystem selbst muss jedoch mit einer viel niedrigeren Spannung arbeiten. Aus diesem Grund muss der Strom über Transformatoren geleitet werden, bevor er überhaupt zu den Batterien gelangt.

Während eines Rundgangs durch die Website für Populärwissenschaft im Januar öffnet Adam Cohen, der CTO von NineDot Energy, dem Unternehmen hinter diesem Projekt, eine graue Metalltür. Dahinter befinden sich Transformatoren. „Sie sehen wirklich ordentlich aus“, sagt er. Tatsächlich sehen sie hübsch aus – drei gelbliche Einheiten, die diese Spannung aufnehmen und in 480 Volt umwandeln. Dieser Batteriekomplex besteht eigentlich aus zwei Systemen, die sich gegenseitig spiegeln, daher befinden sich weitere Transformatoren in zusätzlichen Geräten in der Nähe.

Nachdem diese Transformatoren ihre Arbeit erledigt und die Spannung in einen niedrigeren Wert umgewandelt haben, fließt der Strom zu riesigen weißen Tesla Megapack-Batterieeinheiten. Bei diesen Batterien handelt es sich um große weiße Kisten mit abschließbaren Schränken, und darüber befinden sich Brandbekämpfungsgeräte. Diese Batterieeinheiten speichern nicht nur den Strom, sondern verfügen auch über Wechselrichter, um den Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln, bevor der Saft gespeichert werden kann. Wenn der Strom aus den Batterien fließt, wird er wieder in Wechselstrom umgewandelt.

Der Batteriespeicher ist auf einen bestimmten Rhythmus ausgelegt. Zwischen 22 Uhr und 8 Uhr morgens werde es schrittweise aufgeladen, sagt Cohen. Dies sei eine Zeit, „in der das Netz über mehr Verfügbarkeit verfügt, der Strom billiger und sauberer ist und das Netz nicht überlastet ist“, sagt er. Wenn der Tag beginnt und das Stromnetz stärker belastet wird, hören die Batterien auf zu laden.

In der Sommerhitze, wenn es ein „Grid-Ereignis“ gibt, geschieht das Wunder, sagt Cohen. Ab etwa 16 Uhr können die Batterien ihren Strom wieder ins Netz einspeisen, um das System zu entlasten. Laut einer Schätzung der New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA) werden sie in diesem Zeitraum von vier Stunden genug Saft produzieren können, um etwa 1.000 Haushalte mit Strom zu versorgen.

[Verwandt: Wie die riesige „Flow-Batterie“, die zu einer Armeeeinrichtung in Colorado kommt, funktionieren wird]

Der Strom fließt zurück in die gleichen Leitungen, die sie zuvor aufgeladen haben, und dann zu den Kunden. Ziel ist es, das Stromnetz etwas sauberer bzw. weniger schmutzig zu machen, als es ohne Batterien der Fall gewesen wäre. „Es gleicht die schmutzige Energie aus, die sonst geflossen wäre“, sagt Cohen.

Im besten Fall wäre es natürlich so, dass die Batterien ihren Strom aus erneuerbaren Quellen wie Sonne oder Wind beziehen würden und der Standort über ein kleines Solardach verfügt, das eine winzige Menge sauberer Energie ins Netz einspeisen könnte. Aber New York City und die anderen angrenzenden Gebiete im US-Bundesstaat sind derzeit stark auf fossile Brennstoffe angewiesen. Laut einem aktuellen Bericht des New York Independent System Operator wurde beispielsweise in New York City im Jahr 2022 die Energieerzeugung im Versorgungsmaßstab zu 100 Prozent aus fossilen Brennstoffen gewonnen. (Eine von mehreren Lösungen, die derzeit für dieses Problem in Arbeit sind, beinhaltet eine neue Übertragungsleitung.) Das bedeutet, dass die Batterien Strom aus einem Netz beziehen, das überwiegend auf fossilen Brennstoffen basiert, dies jedoch nachts, wenn dieses Netz hoffentlich weniger umweltschädlich ist.

Strom ist in hohem Maße ein On-Demand-Produkt. Was wir konsumieren, „muss sofort hergestellt werden“, stellt Cohen am Steuer seines Nissan Leaf fest, als wir an einem Freitag im Januar zum Batteriespeicher in der Bronx fahren. Batterien können diese Dynamik natürlich ändern und den Saft für den Fall speichern, dass er benötigt wird.

Dieses Projekt in der Bronx ist so etwas wie ein elektronischer Tropfen auf den heißen Stein: Mit drei Megawatt sind die Batterien ein kleiner Schritt in Richtung des Ziels des Staates New York, bis 2030 sechs Gigawatt oder 6.000 Megawatt Batteriespeicher am Netz zu haben. Allerdings Obwohl diese eine Anlage in der Bronx weniger als ein Prozent dieses Ziels darstellt, kann sie dennoch nützlich sein, sagt Schuyler Matteson, ein leitender Berater mit Schwerpunkt auf Energiespeicherung und -politik bei NYSERDA. „Kleine Geräte spielen eine wirklich wichtige Rolle“, sagt er.

Kleine Geräte wie diese können unter anderem dadurch helfen, dass sie in der Nähe der Menschen platziert werden können, die sie in ihren Häusern oder Unternehmen nutzen, so dass Strom nicht verloren geht, wenn er von weiter weg eingespeist wird. „Sie sind im Verteilungsnetz sehr nah an den Kunden, und wenn sie zu Spitzenzeiten Strom liefern, vermeiden sie einen Großteil der Übertragungsverluste, die zwischen fünf und acht Prozent der Energie betragen können“, sagt Matteson sagt.

Und die Nähe zu einer Gemeinschaft bietet interessante Möglichkeiten. Ein Campus der Bronx Charter Schools for Better Learning befindet sich im dritten Stock der Mittelschule auf der anderen Straßenseite. Dort haben zwei Dutzend Studenten in Zusammenarbeit mit einem lokalen Künstler, Tijay Mohammed, an einem Wandgemälde gearbeitet, das schließlich am grünen Zaun vor den Batterien hängen wird. „Sie sind so stolz, mit dem Projekt verbunden zu sein“, sagt Karlene Buckle, die Leiterin des Bereicherungsprogramms an den Schulen.

Der Hauptvorteil einer solchen Anlage besteht darin, dass sie das Stromnetz an heißen Sommertagen entlastet. Denn wenn in New York City Höchsttemperaturen herrschen, steigt auch der Energiebedarf, da alle ihre Klimaanlagen aufdrehen.

Um diesen Strombedarf zu decken, ist die Stadt auf mehr als ein Dutzend Spitzenkraftwerke angewiesen, die schmutziger und weniger effizient sind als ein normales Kraftwerk für fossile Brennstoffe. Peaker-Pflanzen wirken sich unverhältnismäßig stark auf Gemeinden in ihrer Nähe aus. „Die Risiken für die öffentliche Gesundheit, die das Leben in der Nähe von Spitzenpflanzen mit sich bringt, reichen von Asthma über Krebs bis hin zum Tod, und dies kommt zu den anderen Gesundheitskrisen und wirtschaftlichen Schwierigkeiten hinzu, mit denen Umweltgerechtigkeitsgemeinschaften bereits konfrontiert sind“, bemerkt Jennifer Rushlow, die Dekanin der Fakultät für Umweltgerechtigkeit Environment at Vermont Law and Graduate School per E-Mail. Nach Angaben der American Lung Association gibt es in der South Bronx beispielsweise Spitzenpflanzen, und im gesamten Bezirk gibt es schätzungsweise 22.855 Fälle von Asthma bei Kindern. Ihre Stilllegung oder Reduzierung ihres Verbrauchs dient nicht nur der Energiesicherheit, sondern ist auch eine Frage der Umweltgerechtigkeit.

Wenn also der Strombedarf seinen Höhepunkt erreicht, „müssen wir normalerweise zusätzliche Erdgasanlagen oder in manchen Fällen sogar Ölanlagen in der Downstate-Region hochfahren, um diesen Spitzenstrom bereitzustellen“, sagt Matteson. „Und so gleicht jede Speichereinheit, die wir dort ablegen können, um in Spitzenzeiten Strom zu liefern, einige dieser schmutzigen, marginalen Einheiten aus, die wir sonst hochfahren müssten.“

Indem man nachts auflädt, statt tagsüber, und dann den Saft zu Spitzenzeiten aussendet, „kompensiert man tatsächlich den lokalen Kohlenstoff, man gleicht lokale Feinstaubpartikel aus, und das hat einen wirklich großen Vorteil für die Luftqualität.“ gesundheitliche Auswirkungen für New York City“, sagt er.

[Verwandt: Im größten Kraftwerk von New York City wird die Umstellung auf saubere Energie einem Viertel das Atmen erleichtern]

Stellen Sie sich vor, sagt Matteson, dass ein Spitzenkraftwerk 45 Megawatt Strom produziert. Ein 3-Megawatt-Batteriesystem, das ans Netz geht, könnte bedeuten, dass die Betreiber die schmutzige Anlage stattdessen auf 42 Megawatt herunterfahren könnten. Aber in einer idealen Welt kommt es überhaupt nicht online. „Wir wollen, dass 15 [dieser 3-Megawatt-]Projekte eine Leistung von 45 Megawatt erreichen. Wenn sie also dauerhaft zu Spitzenzeiten auftauchen können, wird dieser marginal schmutzige Generator vielleicht gar nicht erst angerufen“, sagt er. „Wenn das genug passiert, gehen sie vielleicht in den Ruhestand.“

Auf nationaler Ebene besteht in den meisten Teilen der USA an heißen Sommertagen ein Spitzenbedarf an Strom, genau wie in New York City, mit einigen geografischen Ausnahmen, sagt Paul Denholm, ein leitender Forschungsmitarbeiter mit Schwerpunkt auf Energiespeicherung am National Renewable Energy Laboratory in Colorado. „Die meisten Länder des Landes erreichen ihren Höhepunkt im Sommer, an den späten Nachmittagen“, sagt er. „Und so bauen wir traditionell Gasturbinen – wir haben Hunderte von Gigawatt an Gasturbinen, die in den letzten Jahrzehnten installiert wurden.“

Während das Drei-Megawatt-Projekt in der Bronx keineswegs ein Peaker-Kraftwerk ersetzen wird, geht laut Denholm der Trend generell dahin, dass Batterien die Aufgaben von Peaker-Kraftwerken übernehmen. „Wenn diese Kraftwerke alt werden und stillgelegt werden, muss man etwas Neues bauen“, sagt er. „Innerhalb der letzten fünf Jahre haben wir diesen Wendepunkt erreicht, an dem die Speicherung neue herkömmliche Gasturbinen im Hinblick auf die Lebenszykluskosten übertreffen kann.“

Derzeit sind im Bundesstaat New York bereits 279 Megawatt Batteriespeicher online, was etwa 5 Prozent des Gesamtziels von 6 Gigawatt entspricht. Denholm schätzt, dass landesweit bereits fast neun Gigawatt Batteriespeicher online sind.

„Die Verwendung von [Batterie-]Speichern als Peaker bietet erhebliche quantifizierbare Vorteile“, sagt Denholm. Einer dieser Vorteile sind weniger lokale Emissionen, was wichtig ist, weil „viele dieser Spitzenkraftwerke an Orten liegen, die in der Vergangenheit von [Umweltgerechtigkeit] betroffenen Regionen waren.“

„Selbst wenn sie fossile Kraftwerke aufladen, nutzen sie in der Regel effizientere Einheiten“, fügt er hinzu.

Wenn alles nach Plan läuft, werden die Batterien diesen Sommer an den schwülsten Tagen ihren Saft verlieren.

Rob Verger ist Technologieredakteur bei Popular Science, wo er ein Team von Journalisten leitet, die alles von Transport und Militär bis hin zu künstlicher Intelligenz und Cybersicherheit abdecken. Kontaktieren Sie den Autor hier.