Entwurf robuster Energiespeichersysteme: Ein globaler Leitfaden

Energiespeichersysteme (ESS) werden in der globalen Energielandschaft immer wichtiger. Sie ermöglichen die Integration erneuerbarer Energiequellen, verbessern die Netzstabilität, senken die Energiekosten und liefern bei Ausfällen Notstrom. Dieser umfassende Leitfaden untersucht die wichtigsten Aspekte bei der Entwicklung robuster und effektiver ESS für verschiedene Anwendungen weltweit.

1. Grundlagen von Energiespeichersystemen verstehen

Ein ESS ist ein System, das zu einem bestimmten Zeitpunkt erzeugte Energie für die spätere Nutzung speichert. Es umfasst verschiedene Technologien, von denen jede ihre eigenen Eigenschaften und ihre Eignung für unterschiedliche Anwendungen hat. Die grundlegenden Komponenten eines ESS umfassen typischerweise:

• Energiespeichertechnologie: Die Kernkomponente, die für die Speicherung von Energie verantwortlich ist, wie Batterien, Schwungräder oder Druckluftspeicher (CAES).
• Leistungsumwandlungssystem (PCS): Wandelt Gleichstrom aus der Speichertechnologie in Wechselstrom für den Netzanschluss oder Wechselstromverbraucher um und umgekehrt zum Laden.
• Energiemanagementsystem (EMS): Ein Steuerungssystem, das den Energiefluss innerhalb des ESS überwacht und verwaltet, die Leistung optimiert und einen sicheren Betrieb gewährleistet.
• Balance of Plant (BOP): Umfasst alle anderen Komponenten, die für den Betrieb des ESS erforderlich sind, wie Schaltanlagen, Transformatoren, Kühlsysteme und Sicherheitsausrüstung.

1.1 Gängige Energiespeichertechnologien

Die Wahl der Energiespeichertechnologie hängt von Faktoren wie Energiekapazität, Nennleistung, Reaktionszeit, Zyklenlebensdauer, Effizienz, Kosten und Umweltauswirkungen ab.

• Lithium-Ionen-Batterien: Die am weitesten verbreitete Technologie aufgrund ihrer hohen Energiedichte, schnellen Reaktionszeit und relativ langen Zyklenlebensdauer. Geeignet für eine Vielzahl von Anwendungen, vom Wohnbereich bis zum Netzmaßstab. Zum Beispiel nutzt die Hornsdale Power Reserve (Tesla-Batterie) in Südaustralien Lithium-Ionen-Technologie, um Netzstabilisierungsdienste bereitzustellen.
• Blei-Säure-Batterien: Eine ausgereifte und kostengünstige Technologie, jedoch mit geringerer Energiedichte und kürzerer Zyklenlebensdauer im Vergleich zu Lithium-Ionen. Oft für Notstromversorgungen und unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) verwendet.
• Flussbatterien: Bieten eine hohe Skalierbarkeit und lange Zyklenlebensdauer, was sie für netzgebundene Anwendungen mit Langzeitspeicherung geeignet macht. Vanadium-Redox-Flussbatterien (VRFBs) sind ein gängiger Typ. Zum Beispiel hat Sumitomo Electric Industries VRFB-Systeme in Japan und anderen Ländern eingesetzt.
• Natrium-Ionen-Batterien: Entwickeln sich als vielversprechende Alternative zu Lithium-Ionen und bieten potenziell niedrigere Kosten und höhere Sicherheit. Forschung und Entwicklung laufen weltweit.
• Schwungräder: Speichern Energie als kinetische Energie in einer rotierenden Masse. Bieten sehr schnelle Reaktionszeiten und eine hohe Leistungsdichte, was sie für Frequenzregelung und Anwendungen zur Stromqualität geeignet macht.
• Druckluftenergiespeicher (CAES): Speichert Energie durch Komprimieren von Luft und Freisetzen dieser, um bei Bedarf eine Turbine anzutreiben. Geeignet für groß angelegte Langzeitspeicherung.
• Pumpspeicherkraftwerke (PHS): Die ausgereifteste und am weitesten verbreitete Form der Energiespeicherung, bei der Wasser zwischen Reservoirs auf unterschiedlichen Höhen gepumpt wird. Geeignet für groß angelegte Langzeitspeicherung.

2. Definition der Systemanforderungen und -ziele

Vor Beginn des Entwurfsprozesses ist es entscheidend, die Systemanforderungen und -ziele klar zu definieren. Dies beinhaltet die Berücksichtigung der folgenden Faktoren:

• Anwendung: Ist das ESS für Anwendungen im Wohn-, Gewerbe-, Industrie- oder Netzmaßstab vorgesehen?
• Bereitgestellte Dienste: Welche Dienste wird das ESS bereitstellen, wie z. B. Spitzenlastkappung, Lastverschiebung, Frequenzregelung, Spannungsunterstützung, Notstromversorgung oder Integration erneuerbarer Energien?
• Energie- und Leistungsanforderungen: Wie viel Energie muss gespeichert werden und welche Ausgangsleistung ist erforderlich?
• Entladedauer: Wie lange muss das ESS Strom bei der erforderlichen Ausgangsleistung liefern?
• Zyklenlebensdauer: Wie viele Lade-Entlade-Zyklen werden über die Lebensdauer des ESS erwartet?
• Umgebungsbedingungen: Was sind die Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit und andere Umgebungsbedingungen, unter denen das ESS betrieben wird?
• Netzanschlussanforderungen: Was sind die Normen und Anforderungen für den Netzanschluss in der jeweiligen Region?
• Budget: Welches Budget steht für das ESS-Projekt zur Verfügung?

2.1 Beispiel: ESS für den Eigenverbrauch von Solarstrom im Wohnbereich

Ein für den solaren Eigenverbrauch konzipiertes ESS für den Wohnbereich zielt darauf ab, die Nutzung von lokal erzeugter Solarenergie zu maximieren und die Abhängigkeit vom Netz zu verringern. Die Systemanforderungen könnten umfassen:

• Energiekapazität: Ausreichend, um überschüssige Solarenergie, die während des Tages erzeugt wird, für die Nutzung am Abend und in der Nacht zu speichern. Ein typisches Wohnhaussystem könnte eine Kapazität von 5-15 kWh haben.
• Nennleistung: Ausreichend, um die wesentlichen Lasten im Haus während des Spitzenbedarfs zu versorgen. Ein typisches Wohnhaussystem könnte eine Nennleistung von 3-5 kW haben.
• Entladedauer: Lang genug, um die Abend- und Nachtstunden abzudecken, wenn die Solarstromerzeugung gering oder nicht vorhanden ist.
• Zyklenlebensdauer: Hoch genug, um eine lange Lebensdauer zu gewährleisten, da das System täglich zyklisch betrieben wird.

3. Dimensionierung des Energiespeichersystems

Die Dimensionierung des ESS ist ein entscheidender Schritt, der die Bestimmung der optimalen Energiekapazität und Nennleistung zur Erfüllung der definierten Anforderungen umfasst. Mehrere Faktoren müssen berücksichtigt werden:

• Lastprofil: Das typische Energieverbrauchsmuster der versorgten Last.
• Erzeugungsprofil erneuerbarer Energien: Das erwartete Energieerzeugungsmuster der erneuerbaren Energiequelle, wie Sonne oder Wind.
• Spitzenbedarf: Der maximale Leistungsbedarf der Last.
• Entladetiefe (DoD): Der Prozentsatz der Batteriekapazität, der bei jedem Zyklus entladen wird. Ein höherer DoD kann die Batterielebensdauer verkürzen.
• Systemeffizienz: Die Gesamteffizienz des ESS, einschließlich Batterie, PCS und anderer Komponenten.

3.1 Dimensionierungsmethoden

Zur Dimensionierung des ESS können verschiedene Methoden verwendet werden, darunter:

• Faustregel: Verwendung allgemeiner Richtlinien auf der Grundlage typischer Lastprofile und Erzeugungsmuster erneuerbarer Energien.
• Simulationsmodellierung: Verwendung von Software-Tools zur Simulation der Leistung des ESS unter verschiedenen Szenarien und zur Optimierung der Größe auf der Grundlage spezifischer Anforderungen. Beispiele hierfür sind HOMER Energy, EnergyPLAN und MATLAB.
• Optimierungsalgorithmen: Verwendung mathematischer Optimierungsalgorithmen zur Bestimmung der optimalen Größe, die die Kosten minimiert oder den Nutzen maximiert.

3.2 Beispiel: Dimensionierung eines gewerblichen ESS zur Spitzenlastkappung

Ein für die Spitzenlastkappung konzipiertes gewerbliches ESS zielt darauf ab, den Spitzenbedarf eines Gebäudes zu reduzieren und dadurch die Stromkosten zu senken. Der Dimensionierungsprozess könnte Folgendes umfassen:

1. Analyse des Lastprofils des Gebäudes, um den Spitzenbedarf und die Dauer der Spitze zu identifizieren.
2. Bestimmung der gewünschten Reduzierung des Spitzenbedarfs.
3. Berechnung der erforderlichen Energiekapazität und Nennleistung basierend auf der Reduzierung des Spitzenbedarfs und der Dauer der Spitze.
4. Berücksichtigung des DoD und der Systemeffizienz, um sicherzustellen, dass die Batterie nicht überentladen wird und das System effizient arbeitet.

4. Auswahl der geeigneten Technologie

Die Auswahl der geeigneten Energiespeichertechnologie hängt von den spezifischen Anwendungsanforderungen und den Eigenschaften der verschiedenen Technologien ab. Eine Trade-off-Analyse sollte durchgeführt werden, um die verschiedenen Optionen auf der Grundlage von Faktoren wie den folgenden zu bewerten:

• Leistung: Energiedichte, Leistungsdichte, Reaktionszeit, Effizienz, Zyklenlebensdauer und Temperaturempfindlichkeit.
• Kosten: Investitionskosten, Betriebskosten und Wartungskosten.
• Sicherheit: Entflammbarkeit, Toxizität und Risiko des thermischen Durchgehens.
• Umweltauswirkungen: Ressourcenverfügbarkeit, Emissionen bei der Herstellung und Entsorgung am Ende der Lebensdauer.
• Skalierbarkeit: Fähigkeit, das System an zukünftige Energiespeicherbedürfnisse anzupassen.
• Reifegrad: Technologiereifegrad und Verfügbarkeit von kommerziellen Produkten.

4.1 Technologie-Vergleichsmatrix

Eine Technologie-Vergleichsmatrix kann verwendet werden, um die verschiedenen Energiespeichertechnologien anhand der wichtigsten Auswahlkriterien zu vergleichen. Diese Matrix sollte sowohl quantitative als auch qualitative Daten enthalten, um einen umfassenden Überblick über die Vor- und Nachteile jeder Technologie zu geben.

5. Entwurf des Leistungsumwandlungssystems (PCS)

Das PCS ist eine kritische Komponente des ESS, die Gleichstrom aus der Speichertechnologie in Wechselstrom für den Netzanschluss oder Wechselstromverbraucher umwandelt und umgekehrt zum Laden. Der PCS-Entwurf sollte die folgenden Faktoren berücksichtigen:

• Nennleistung: Das PCS sollte so dimensioniert sein, dass es der Nennleistung der Energiespeichertechnologie und der zu versorgenden Last entspricht.
• Spannung und Strom: Das PCS muss mit den Spannungs- und Stromeigenschaften der Energiespeichertechnologie und des Netzes oder der Last kompatibel sein.
• Effizienz: Das PCS sollte eine hohe Effizienz aufweisen, um Energieverluste zu minimieren.
• Steuerungssystem: Das PCS sollte über ein hochentwickeltes Steuerungssystem verfügen, das Spannung, Strom und Frequenz des Wechselstroms regeln kann.
• Netzanschluss: Das PCS muss die Normen und Anforderungen für den Netzanschluss in der jeweiligen Region erfüllen.
• Schutz: Das PCS sollte über integrierte Schutzfunktionen verfügen, um das ESS vor Überspannung, Überstrom und anderen Störungen zu schützen.

5.1 PCS-Topologien

Es stehen verschiedene PCS-Topologien zur Verfügung, von denen jede ihre eigenen Vor- und Nachteile hat. Gängige Topologien umfassen:

• Zentralwechselrichter: Ein einzelner großer Wechselrichter, der das gesamte Energiespeichersystem versorgt.
• String-Wechselrichter: Mehrere kleinere Wechselrichter, die an einzelne Stränge von Batteriemodulen angeschlossen sind.
• Modul-Wechselrichter: In jedes Batteriemodul integrierte Wechselrichter.

6. Entwicklung des Energiemanagementsystems (EMS)

Das EMS ist das Gehirn des ESS und verantwortlich für die Überwachung und Steuerung des Energieflusses innerhalb des Systems. Der EMS-Entwurf sollte die folgenden Faktoren berücksichtigen:

• Steuerungsalgorithmen: Das EMS sollte Steuerungsalgorithmen implementieren, die die Leistung des ESS basierend auf den spezifischen Anwendungsanforderungen optimieren können.
• Datenerfassung: Das EMS sollte Daten von verschiedenen Sensoren und Zählern sammeln, um die Leistung des ESS zu überwachen.
• Kommunikation: Das EMS sollte mit anderen Systemen kommunizieren, wie z. B. dem Netzbetreiber oder dem Gebäudemanagementsystem.
• Sicherheit: Das EMS sollte über robuste Sicherheitsfunktionen verfügen, um das ESS vor Cyberangriffen zu schützen.
• Fernüberwachung und -steuerung: Das EMS sollte die Fernüberwachung und -steuerung des ESS ermöglichen.

6.1 EMS-Funktionen

Das EMS sollte die folgenden Funktionen ausführen:

• Ladezustandsschätzung (SoC): Genaue Schätzung des SoC der Batterie.
• Leistungssteuerung: Steuerung der Lade- und Entladeleistung der Batterie.
• Spannungs- und Stromregelung: Regulierung der Spannung und des Stroms des PCS.
• Wärmemanagement: Überwachung und Steuerung der Temperatur der Batterie.
• Fehlererkennung und -schutz: Erkennung von und Reaktion auf Störungen im ESS.
• Datenprotokollierung und Berichterstattung: Protokollierung von Daten über die Leistung des ESS und Erstellung von Berichten.

7. Gewährleistung von Sicherheit und Konformität

Sicherheit hat beim Entwurf von ESS oberste Priorität. Der ESS-Entwurf muss allen anwendbaren Sicherheitsstandards und -vorschriften entsprechen, einschließlich:

• IEC 62933: Elektrische Energiespeichersysteme (EES) – Allgemeine Anforderungen.
• UL 9540: Energiespeichersysteme und -ausrüstung.
• Lokale Brandschutz- und Bauvorschriften.

7.1 Sicherheitsaspekte

Wichtige Sicherheitsaspekte umfassen:

• Batteriesicherheit: Auswahl von Batterien mit robusten Sicherheitsmerkmalen und Implementierung geeigneter Wärmemanagementsysteme zur Verhinderung des thermischen Durchgehens.
• Brandbekämpfung: Installation von Brandbekämpfungssystemen zur Minderung des Brandrisikos.
• Belüftung: Bereitstellung einer angemessenen Belüftung, um die Ansammlung von brennbaren Gasen zu verhindern.
• Elektrische Sicherheit: Implementierung einer ordnungsgemäßen Erdung und Isolierung, um Stromschläge zu vermeiden.
• Notabschaltung: Bereitstellung von Notabschaltverfahren und -ausrüstung.

7.2 Globale Normen und Vorschriften

Verschiedene Länder und Regionen haben ihre eigenen Normen und Vorschriften für ESS. Es ist wichtig, sich dieser Anforderungen bewusst zu sein und sicherzustellen, dass der ESS-Entwurf ihnen entspricht. Zum Beispiel:

• Europa: Die Europäische Union hat Vorschriften zur Batteriesicherheit, zum Recycling und zu den Umweltauswirkungen.
• Nordamerika: Die Vereinigten Staaten und Kanada haben Normen für die Sicherheit von ESS und den Netzanschluss.
• Asien: Länder wie China, Japan und Südkorea haben ihre eigenen Normen und Vorschriften für ESS.

8. Planung von Installation und Inbetriebnahme

Eine ordnungsgemäße Planung von Installation und Inbetriebnahme ist für ein erfolgreiches ESS-Projekt unerlässlich. Dies umfasst:

• Standortwahl: Auswahl eines geeigneten Standorts für das ESS unter Berücksichtigung von Faktoren wie Platz, Zugang und Umgebungsbedingungen.
• Genehmigungen: Einholung aller erforderlichen Genehmigungen und Zulassungen von den örtlichen Behörden.
• Installation: Befolgung ordnungsgemäßer Installationsverfahren und Einsatz qualifizierter Auftragnehmer.
• Inbetriebnahme: Testen und Überprüfen der Leistung des ESS, bevor es in Betrieb genommen wird.
• Schulung: Schulung des Personals, das das ESS bedienen und warten wird.

8.1 Best Practices für die Installation

Best Practices für die Installation umfassen:

• Befolgung der Anweisungen des Herstellers.
• Verwendung kalibrierter Werkzeuge und Ausrüstung.
• Dokumentation aller Installationsschritte.
• Durchführung gründlicher Inspektionen.

9. Betrieb und Wartung

Regelmäßiger Betrieb und Wartung sind unerlässlich, um die langfristige Leistung und Zuverlässigkeit des ESS zu gewährleisten. Dies umfasst:

• Überwachung: Kontinuierliche Überwachung der Leistung des ESS.
• Vorbeugende Wartung: Durchführung regelmäßiger Wartungsarbeiten wie Reinigung, Inspektion und Tests.
• Korrektive Wartung: Reparatur oder Austausch fehlerhafter Komponenten.
• Datenanalyse: Analyse von Daten über die Leistung des ESS, um potenzielle Probleme zu identifizieren und den Betrieb zu optimieren.

9.1 Wartungsplan

Ein Wartungsplan sollte auf der Grundlage der Empfehlungen des Herstellers und der spezifischen Betriebsbedingungen des ESS entwickelt werden. Dieser Plan sollte sowohl Routineaufgaben als auch umfassendere Inspektionen umfassen.

10. Kostenanalyse und Wirtschaftlichkeit

Eine gründliche Kostenanalyse ist unerlässlich, um die Wirtschaftlichkeit eines ESS-Projekts zu bestimmen. Diese Analyse sollte die folgenden Kosten berücksichtigen:

• Investitionskosten: Die anfänglichen Kosten des ESS, einschließlich Batterie, PCS, EMS und Balance of Plant.
• Installationskosten: Die Kosten für die Installation des ESS.
• Betriebskosten: Die Kosten für den Betrieb des ESS, einschließlich Stromverbrauch und Wartung.
• Wartungskosten: Die Kosten für die Wartung des ESS.
• Ersatzkosten: Die Kosten für den Austausch der Batterie oder anderer Komponenten.

Die Vorteile des ESS sollten ebenfalls berücksichtigt werden, wie z. B.:

• Energiekosteneinsparungen: Einsparungen durch Spitzenlastkappung, Lastverschiebung und reduzierte Leistungspreise.
• Umsatzgenerierung: Einnahmen aus der Bereitstellung von Netzdienstleistungen wie Frequenzregelung und Spannungsunterstützung.
• Notstromversorgung: Der Wert der Bereitstellung von Notstrom bei Ausfällen.
• Integration erneuerbarer Energien: Der Wert, der die Integration erneuerbarer Energiequellen ermöglicht.

10.1 Wirtschaftliche Kennzahlen

Gängige wirtschaftliche Kennzahlen zur Bewertung von ESS-Projekten umfassen:

• Kapitalwert (NPV): Der Barwert aller zukünftigen Cashflows abzüglich der Anfangsinvestition.
• Interner Zinsfuß (IRR): Der Abzinsungssatz, bei dem der Kapitalwert gleich Null ist.
• Amortisationszeit: Die Zeit, die benötigt wird, bis die kumulierten Cashflows der Anfangsinvestition entsprechen.
• Stromgestehungskosten für Speicherung (LCOS): Die Kosten für die Speicherung von Energie über die Lebensdauer des ESS.

11. Zukünftige Trends bei der Energiespeicherung

Die Energiespeicherbranche entwickelt sich rasant, und ständig entstehen neue Technologien und Anwendungen. Einige wichtige Trends sind:

• Sinkende Batteriekosten: Die Batteriekosten sinken rapide, was ESS wirtschaftlicher macht.
• Fortschritte in der Batterietechnologie: Es werden neue Batterietechnologien mit höherer Energiedichte, längerer Zyklenlebensdauer und verbesserter Sicherheit entwickelt.
• Zunehmende Netzintegration: ESS spielt eine immer wichtigere Rolle bei der Netzstabilisierung und der Integration erneuerbarer Energien.
• Entstehung neuer Anwendungen: Es entstehen neue Anwendungen für ESS, wie z. B. das Laden von Elektrofahrzeugen und Microgrids.
• Entwicklung neuer Geschäftsmodelle: Es werden neue Geschäftsmodelle für ESS entwickelt, wie z. B. „Energy Storage as a Service“.

12. Fazit

Der Entwurf robuster und effektiver Energiespeichersysteme erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung verschiedener Faktoren, darunter Technologieauswahl, Dimensionierung, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit. Indem Ingenieure und Projektentwickler die in diesem Leitfaden beschriebenen Richtlinien befolgen, können sie ESS entwerfen, die den spezifischen Anforderungen ihrer Anwendungen entsprechen und zu einer nachhaltigeren Energiezukunft beitragen. Der globale Einsatz von ESS ist unerlässlich, um den Übergang zu einem saubereren und widerstandsfähigeren Energiesystem zu ermöglichen, und das Verständnis der Prinzipien des ESS-Entwurfs ist entscheidend, um dieses Ziel zu erreichen.