Die Architektur von Batterieenergiespeichersystemen

Bevor wir uns mit der Architektur und den Typen von Batterie-Energiespeichersystemen (BESS) befassen, ist es wichtig, sich mit der in diesem Bereich häufig verwendeten Schlüsselterminologie vertraut zu machen. Verschiedene Parameter sind entscheidend für die Beschreibung des Verhaltens und der Leistung von BESS.

· Kapazität [Ah]: Dies stellt die Menge an elektrischer Ladung dar, die das System an eine angeschlossene Last liefern kann, während ein akzeptables Spannungsniveau aufrechterhalten wird. Die Kapazität wird durch die Batterietechnologie beeinflusst und wird typischerweise bei bestimmten Temperaturen und Entladeströmen definiert.

· Nennenergie [Wh]: Dies ist die Gesamtenergie, die eine Batterie vom vollständig geladenen Zustand bis zur vollständigen Entladung liefern kann. Sie wird durch Multiplikation der Kapazität mit der Batteriespannung berechnet. Da es von der Kapazität abhängt, wird es auch von Temperatur und Strom beeinflusst.

· Leistung [W]: Die Definition der Ausgangsleistung eines BESS ist komplex, da sie von der angeschlossenen Last abhängt. Die Nennleistung gibt jedoch die Leistung unter typischen Entladebedingungen an.

· Spezifische Energie [Wh/kg]: Dieser Parameter beschreibt die Energie, die eine Batterie im Verhältnis zu ihrer Masse speichern kann.

· C-Rate: Dies bezeichnet die Lade- und Entladerate im Verhältnis zur maximalen Kapazität des Akkus. Bei 1 °C ist der Akku in einer Stunde vollständig entladen.

· Zyklus: Eine vollständige Lade-Entlade-Ladesequenz. Es gibt keinen universellen Standard, der definiert, was einen Zyklus ausmacht.

· Zykluslebensdauer: Die Anzahl der Zyklen, die eine Batterie absolvieren kann, bevor ihre Leistung erheblich nachlässt.

· Entladungstiefe (DoD): Stellt den Prozentsatz der entladenen Batterie dar. Ein DoD von 100 % zeigt eine vollständige Entladung an.

· State-of-Charge (SoC, %): Zeigt den aktuellen Ladezustand einer Batterie an.

· Coulomb-Effizienz: Dies spiegelt die Effizienz der Ladungsübertragung innerhalb der Batterie wider. Es ist das Verhältnis der entladenen Ladung (Ah) zur Ladung, die erforderlich ist, um in den Ausgangszustand zurückzukehren. Die meisten Batterien, mit Ausnahme von Blei-Säure-Batterien, weisen einen nahezu perfekten Coulomb-Wirkungsgrad auf.

Haupttypen elektrochemischer Energiespeichersysteme

Verschiedene Batterietechnologien basieren auf unterschiedlichen chemischen Elementen und Reaktionen. Heutzutage sind Blei-Säure- und Lithium-Ionen-Batterien am weitesten verbreitet, aber auch Nickel-, Schwefel- und Flow-Batterien haben in der Branche eine wichtige Rolle gespielt. Nachfolgend finden Sie einen kurzen Überblick über die Hauptvorteile häufig verwendeter Batterietechnologien.

Blei-Säure-Batterien

Diese werden häufig in alltäglichen Anwendungen verwendet. Sie bestehen aus einer negativen Bleielektrode, einer positiven Elektrode aus Bleidioxid und einer Elektrolytlösung aus Schwefelsäure.

Vorteile: Geringe Kosten und technologische Reife.

Nachteile: Einzelheiten finden Sie in Tabelle 1.

Nickel-Cadmium (Ni-Cd)-Batterien

Diese Batterien dominierten jahrelang die tragbaren Systeme, bevor die Lithium-Ionen-Technologie aufkam. Sie bieten eine starke Leistung und schnelles Aufladen.

Vor- und Nachteile: Siehe Tabelle 2.

Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH), eine Weiterentwicklung von Ni-Cd, bieten eine um etwa 40 % höhere spezifische Energie.

Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion)

Lithium-Ionen-Batterien mit Lithiummetall als Anode liefern außergewöhnliche spezifische Energie. Sie stehen jedoch vor Herausforderungen wie der Dendritenbildung an der Anode, die zu Kurzschlüssen und Überhitzung führen kann.

Vor- und Nachteile: Siehe Tabelle 3.

Zusammensetzung eines BESS

Ein BESS besteht aus mehreren miteinander verbundenen Komponenten, jede mit spezifischen Rollen und Kontrollanforderungen. Nachfolgend finden Sie eine Zusammenfassung dieser Hauptkomponenten:

1. Batteriesystem: Bestehend aus mehreren Batteriepaketen, die miteinander verbunden sind, um die gewünschten Spannungs- und Stromstärken zu erreichen.

2. Batteriemanagementsystem (BMS): Gewährleistet einen sicheren Betrieb, indem es die Spannungs-, Strom- und Temperaturwerte innerhalb der Grenzen hält. Es gleicht auch den Ladezustand zwischen den Zellen aus.

3. Power Conversion System (PCS): Wandelt Gleichstrom von der Batterie in Wechselstrom für den externen Gebrauch um. PCS-Einheiten umfassen häufig Überwachungs- und Hilfsdienste für einen optimalen Betrieb.

4. Energiemanagementsystem (EMS): Überwacht und verwaltet den Energiefluss basierend auf den Anwendungsanforderungen. EMS lässt sich typischerweise in ein SCADA-System (Supervisory Control and Data Acquisition) zur Gesamtsystemüberwachung und -steuerung integrieren.

5. Transformatoren: Zur Netzanbindung werden je nach Anlagengröße Mittelspannungs-/Niederspannungs- oder Hochspannungs-/Mittelspannungstransformatoren eingesetzt.

PV-Module mit BESS integrieren

Da erneuerbare Energien zu einem integralen Bestandteil künftiger elektrischer Systeme werden, verbessert die Integration eines BESS mit erneuerbaren Quellen wie PV-Modulen sowohl das Energiesystem als auch das Kraftwerk.

Vorteile der PV- und BESS-Integration:

· Minderung der Erzeugungsvolatilität: Ein BESS glättet Schwankungen in der Leistungsabgabe, die durch Wolken oder plötzliche Spitzenwerte verursacht werden, und sorgt so für eine stabilere Erzeugungskurve (Abbildung 4).

· Peak Shaving: Reduziert die Peak-Generierung, was zu einer glatteren Kurve führt.

· Netzunterstützung: Bietet Hilfsdienste wie Spannungsregelung, Frequenzregelung und Blindleistungskompensation und ermöglicht so eine bessere Netzintegration.

Kopplungsmöglichkeiten für PV-Module und BESS:

1. DC-Kopplung: PV und BESS sind auf der DC-Seite verbunden und teilen sich Wechselrichter und AC-Komponenten. Häufig in Wohn- und Kleinanlagen, erfordert jedoch eine erweiterte Steuerlogik für die Gleichspannungs- und Batterieverwaltung.

2. AC-Kopplung nach dem Wechselrichter: PV und BESS verfügen jeweils über eigene Wechselrichter, wodurch sie für Wohn- und Großanlagen geeignet sind. Dieser Ansatz vermeidet die Komplexität der DC-Kopplung.

3. AC-Kopplung am Verbindungspunkt (POC): PV- und BESS-Systeme teilen sich nur die Verbindungseinrichtung mit unabhängigen Abschnitten für jedes System.