BESS: Eine Lösung für proaktives Energiemanagement

Von Andrey Solovev

Der Ausbau der erneuerbaren Energien und der weltweite Trend zu einem effizienten Energieverbrauch haben das Interesse an Energiespeicherlösungen und insbesondere an Batteriespeichersystemen verstärkt. Die Lektüre dieses Artikels wird Ihnen helfen zu verstehen, worum es bei diesen Systemen geht und welche Vorteile sie bieten.

BESS: Was steckt dahinter?

Ein Batterieenergiespeichersystem (BESS) ist eine komplexe Lösung, bei der wiederaufladbare Batterien verwendet werden, um Energie zu speichern und zu einem späteren Zeitpunkt wieder abzugeben. BESS-Typen korrelieren mit der Elektrochemie oder der verwendeten Batterie - die Systeme können auf Lithium-Ionen-, Bleisäure-, Nickel-Cadmium-, Natrium-Schwefel- und Durchflussbatterien basieren. Ein Energiespeichersystem (ESS) ist ein weiter gefasster Begriff und kann auf einer Vielzahl anderer Technologien als Batterien beruhen, z. B. auf Wasserkraft, Schwungrädern, Druckluft und anderen.

Um zu verstehen, was ein BESS ist und wie es funktioniert, ist es hilfreich, einen Blick auf seine Struktur und seine Kernelemente zu werfen:

BATTERIE

Elektrische Energie aus verschiedenen Quellen wie Sonne, Wind oder Kraftwerken wird während des Ladevorgangs der Batterie in chemische Energie umgewandelt. Die beim Entladen der Batterie freigesetzte Energie kann Haushalte, Fahrzeuge, gewerbliche Gebäude und Stromnetze versorgen. Batterien bestehen aus Zellen und können in Modulen, Paketen und Behältern angeordnet sein.

BATTERIE-MANAGEMENTSYSTEM (BMS)

Ein BMS sorgt für den sicheren und korrekten Betrieb der Batterie. Jeder Batterietyp hat bestimmte Lade- und Entladebedingungen. Ein BMS sorgt dafür, dass die Batterie innerhalb des erforderlichen Strom-, Spannungs- und Temperaturbereichs bleibt. Durch die Überwachung der Parameter und die Schätzung des Ladezustands (SOC) und des Gesundheitszustands (SOH) der Batterie gewährleistet ein BMS deren zuverlässige und dauerhafte Leistung.

LEISTUNGSUMWANDLUNGSSYSTEM (PCS)

Durch den Einsatz eines Leistungsumwandlungssystems wandelt ein BESS Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) um und vice versa. Wechselstrom fließt von einer Stromquelle und wird beim Laden der Batterie in Gleichstrom umgewandelt. Wenn die Batterie entladen wird, erzeugt sie Gleichstrom, der wieder in den für BESS-Anwendungen erforderlichen Wechselstrom umgewandelt wird.

ENERGIEMANAGEMENTSYSTEM (EMS)

Ein EMS ist eine Steuereinheit für ein Batteriespeichersystem. Sie verwaltet die in einem BESS verfügbare Energie, d. h. wann, warum und in welchen Mengen die Energie gespeichert oder abgegeben werden soll. Ein EMS fasst die Elemente eines BESS zusammen und optimiert dessen Gesamtleistung.

SICHERHEITSSYSTEME

Es kann eine Reihe von Sicherheitssystemen geben, die jeweils für eine bestimmte Aufgabe zuständig sind. Mit einem HLK-System kann ein BESS beispielsweise die gewünschte Temperatur und Luftfeuchtigkeit durch Heizung, Lüftung und Klimatisierung aufrechterhalten. Ein Brandschutzsystem kann Rauch erkennen und Brandfälle verhindern.

Schema einer typischen BESS-StrukturAbbildung 1: Eine typische BESS-Struktur. (Bildquelle: Integra Sources LLC)

Was kann ein BESS leisten?

Jedes Jahr versorgen Batteriespeichersysteme Tausende von Haushalten, Unternehmen, Anlagen und Gemeinden weltweit mit Strom. Sie unterscheiden sich in Größe und Speicherkapazität.

Die Tesla Powerwall zum Beispiel ist mit 13,5 kWh nutzbarer Kapazität ein kompaktes Gerät, das als unterbrechungsfreie Stromquelle für einen einzelnen Haushalt dienen kann. Mit seiner Gesamtkapazität von 1600 MWh kann die Vistra Moss Landing Energy Storage Facility - das größte BESS der Welt - 300.000 Haushalte mit Energie versorgen.

Trotz der unterschiedlichen Größe und Kapazität können BESS jedoch ähnliche Funktionen erfüllen und ähnliche Probleme lösen. Betrachten wir die Fälle, in denen die Batteriespeicherung ins Spiel kommen kann.

Integration erneuerbarer Energien

Ein BESS kann Solar- und Windenergie zu jeder Zeit und bei jedem Wetter effizient nutzen. Wiederaufladbare Batterien können überschüssige Energie speichern, die durch intermittierende erneuerbare Energien erzeugt wird. Später kann diese Energie entsprechend dem Bedarf der Nutzer verteilt werden.

Wenn sie mit Batteriespeicherlösungen integriert werden, können erneuerbare Energiequellen fossile Brennstoffe ersetzen und so kostengünstige und saubere Energie für eine Vielzahl von Anwendungen liefern. Die Integration erneuerbarer Energien ist in vielen Ländern verbreitet:

  • Solar- und Windparks
  • Netzferne und isolierte Gemeinden (Inseln und schwer zugängliche Gebiete)
  • Heim-Energiespeicher in Verbindung mit Sonnenkollektoren (z. B. Powerwall)

Neben netzunabhängigen Systemen kann ein BESS auch netzgebundene und hybride Lösungen für Privathaushalte, Gewerbe und Industrie erheblich unterstützen.

Bild von Solar- und WindparksAbbildung 2: Batteriespeichersysteme werden häufig in Solar- und Windparks eingesetzt (Bildquelle: Integra Sources LLC)

Energiearbitrage

Es besteht eine positive Korrelation zwischen der Nachfrage nach Strom und seinen Kosten. Der Energiepreis steigt in Spitzenzeiten und sinkt, wenn die Nachfrage sinkt. Energiearbitrage, auch Zeitverschiebung genannt, ist das, was die Verbraucher mit einem Batteriespeichersystem nutzen können.

Durch das Aufladen der Batterie zu Schwachlastzeiten können die Verbraucher billige Energie kaufen und sie in ihrem BESS speichern. Dann können sie warten, bis der Strompreis steigt, und die Batterie entladen, um entweder preisgünstige Energie zu nutzen oder sie an das Netz zu verkaufen.

So können Haushalte und Unternehmen ihre Energieressourcen effizient verwalten und ihre Kosten senken.

Lastmanagement

Der Energieverbrauch ist über den Tag verteilt und je nach Jahreszeit unterschiedlich - es gibt Spitzen- und Nebenzeiten. Ein BESS ermöglicht es den Nutzern, zwischen diesen Zeiträumen zu navigieren, den Energieverbrauch anzupassen und Stromkosten zu sparen.

Die Spitzenlastreduzierung ist einer der beliebtesten Anwendungsfälle für BESS im Lastmanagement. Es geht darum, den Stromverbrauch in Spitzenzeiten zu senken. Außerdem können die Verbraucher wie bei der Energiearbitrage ihre Ausgaben senken.

Eine Batteriespeicherlösung kann dazu beitragen, Lastspitzen im Stromnetz und damit Stromausfälle und andere Notfälle zu vermeiden. Durch die Entladung der gespeicherten Energie entlastet ein BESS das Netz und liefert Strom ohne Unterbrechung.

Schwarzer Start

Ein BESS kann dazu beitragen, dass sich Kraftwerke und Stromnetze nach Stromausfällen schnell wieder erholen. Statt eines Dieselgenerators können Verbraucher auf ein Batteriespeichersystem zurückgreifen - eine billigere und umweltfreundlichere Schwarzstartlösung. Ein BESS kann unabhängig von der Übertragungsleitung des Netzes arbeiten und Energie für die benötigte Zeit liefern - von Minuten bis Stunden.

Notstromversorgung

Ein BESS kann Haushalte, Unternehmen und andere Einrichtungen mit Energie versorgen und deren kontinuierlichen Betrieb sicherstellen. Dies ist von entscheidender Bedeutung für Einrichtungen des Gesundheitswesens und andere Organisationen, die Dienstleistungen im Zusammenhang mit der Gesundheit und Sicherheit von Menschen erbringen. Je nach Speicherkapazität kann ein BESS so lange wie nötig Reservestrom liefern, selbst im Falle eines schweren Netzausfalls.

Frequenz- und Spannungssteuerung

Frequenz und Spannung können ihre Betriebsgrenzen überschreiten, wenn die Stromversorgung nicht mit dem tatsächlichen Bedarf synchronisiert ist. Dies kann zu Stromausfällen und Blackouts führen. Ein BESS kann durch Spannungs- und Frequenzregulierung die Stabilität eines Stromnetzes oder Stromsystems gewährleisten. Aufgrund seiner schnellen Reaktionszeit ist ein Batteriespeichersystem eine effiziente Lösung für den Netzausgleich.

Mikronetze

Dabei handelt es sich um kleine Stromnetze, die bei Anschluss an ein größeres Netz Geschäftsgebäude, Produktionsanlagen oder Wohngebiete mit Strom versorgen können. Autonome Mikronetze können entlegene Gebiete und Gemeinden, wie z. B. Inseln, mit Strom versorgen. In Verbindung mit einem BESS und der Integration erneuerbarer Energien kann ein Mikronetz als robustes Stromversorgungssystem für mehrere Verbraucher dienen.

Diagramm: Ein Mikronetz kann als widerstandsfähiges Stromsystem fungierenAbbildung 3: Ein Mikronetz kann als widerstandsfähiges Stromversorgungssystem für abgelegene Gebiete und Gemeinden, z. B. Inseln, dienen. (Bildquelle: Integra Sources LLC)

Übernahme der Übertragung und Verteilung

Übertragungs- und Verteilungsleitungen (T&D) sind anfällig für Alterung und Wertminderung aufgrund von Lastspitzen und Engpässen. Eine Batteriespeicherlösung kann dieses Problem lösen, indem sie die Rolle von T&D-Anlagen übernimmt. Ein BESS kann zusätzliche Speicherkapazität bieten und Lasten ausgleichen, wodurch die Aufrüstung der bestehenden T&D-Leitungen und der Bau neuer Infrastrukturen aufgeschoben werden kann. Das bedeutet eine Menge Geld zu sparen.

Wo kann ein BESS am besten eingesetzt werden?

BESS stützen sich auf erschwingliche Technologien. So ist der Preis für Lithium-Ionen-Batterien in den letzten 10 Jahren um fast 90 % gefallen und wird weiter sinken. Batteriespeicherlösungen bieten eine breite Palette von Konfigurationen, einschließlich Speicherkapazität und Größe, so dass sie für viele Branchen und Anwendungen geeignet sind.

Diese Anwendungen lassen sich in Stromzähler- (FTM) oder Versorgersysteme (die verbrauchte Energie wird über einen Stromzähler gemessen) und zählerlose (BTM) oder Ortslösungen (die verbrauchte Energie kann nicht an ein Netz angeschlossen und über einen Stromzähler gemessen werden) unterteilen. Hier ist eine Liste von FTM- und BTM-BESS-Anwendungen (die definitiv nicht vollständig ist).

Stromzähler-Anwendungen

Batteriespeichersysteme können einen erheblichen Beitrag zum Betrieb und zur Wartung von Anlagen und Geräten im Versorgungsbereich leisten. Ein BESS kann Reservekapazität und Schwarzstartdienste bieten, Spannungs- und Frequenzstabilität gewährleisten und durch aufgeschobene Wartung Geld sparen. FTM-BESS-Anwendungen umfassen:

  • Versorgungsnetze
  • Umspannstationen
  • Übertragungs- und Verteilungsleitungen
  • Kraftwerke

Zählerlose Anwendungen

BTM-Systeme können unter Umgehung des Stromnetzes Strom an die Verbraucher liefern. Zusammen mit grünen Energiequellen kann ein BESS ununterbrochen autonome Energiesysteme oder Mikronetze unterstützen. Hersteller können Batteriespeicher für die Notstromversorgung nutzen, um Ausfallzeiten in Produktionsanlagen zu vermeiden. Durch den Einsatz von BESS können Unternehmen und Familien ihre Stromtarife durch Energiezeitverschiebung erheblich senken. BTM-Batteriespeichersysteme finden Sie in:

  • Industrie- und Produktionsanlagen
  • Unternehmen
  • Haushalten
  • Elektrofahrzeugen
  • Schifffahrtssystemen

Diagramm von BESS-AnwendungenAbbildung 4: BESS-Anwendungen. (Bildquelle: Integra Sources LLC)

Ist es sinnvoll, ein BESS zu bauen?

Die kurze Antwort lautet: Ja. Die längere Antwort bedarf einiger Klarstellung.

Zweifellos spart der Kauf eines fertigen BESS viel Zeit und manchmal auch Geld. Wenn keine besonderen Anforderungen an das System gestellt werden, kann aus einer Vielzahl von auf dem Markt erhältlichen Energiespeicherprodukten eine Standardlösung gewählt werden. Es gibt jedoch einige Gründe, die einen Verbraucher vom Kauf abhalten könnten, zum Beispiel:

  • Spezifische Kundenanforderungen, einschließlich Nischenanforderungen und Betriebsbedingungen
  • Das Fehlen gewünschter Funktionen oder unnötige Funktionen, die die Kosten des Systems erhöhen
  • Unvollständigkeit des Systems und Mangel an Unterstützung
  • Minderwertige Software
  • Das Fehlen von Garantie und Nachgarantiewartung

Der Aufbau eines Batteriespeichersystems kann ein langwieriger Prozess sein, der Zeit, Geld und Fachwissen erfordert. Dies bietet jedoch die Möglichkeit, eine hochgradig maßgeschneiderte Lösung zu schaffen, die alle Anforderungen eines Endnutzers vollständig erfüllt.

Ein maßgeschneidertes BESS kann verbesserte Funktionalität, Benutzerfreundlichkeit, Sicherheit und Cybersicherheit bieten. Durch die Implementierung fortschrittlicher BMS-Algorithmen können die Nutzer die Leistung der Batterie verbessern und ihre Lebensdauer verlängern. Die Entwicklung einer maßgeschneiderten Lösung optimiert den technischen Support, die Kundenbetreuung und andere Dienstleistungen, die entweder als Endnutzer oder als BESS-Anbieter benötigt werden.

Die Entwicklung eines hochwertigen BESS erfordert ein Team von Fachleuten, die sich mit Batterietechnologien, Leistungselektronik, eingebetteter Software und Hardwareentwicklung auskennen. Es ist wichtig, jede Phase der Produktentwicklung zu organisieren und zu harmonisieren, vom Entwurf über die Zertifizierung bis zur Fertigung. Die Einstellung von Ingenieuren mit einschlägigem Fachwissen und Erfahrung kann dazu beitragen, ein vollwertiges Batteriespeichersystem zu entwickeln, das die Erwartungen der Verbraucher vorwegnimmt.

Trotzdem ist ein maßgeschneidertes Produkt kein Allheilmittel. Die Herstellung eines maßgeschneiderten BESS sollte von Fall zu Fall geprüft werden, und für einige Projekte wäre eine schlüsselfertige Lösung am besten geeignet. Um mehr über maßgeschneiderte BESS im Vergleich zu BESS von der Stange zu erfahren, lesen Sie bitte den detaillierten Artikel über Batteriespeichersysteme auf der Blogseite von Integra Sources LLC. Hier können sich die Leser auch über verschiedene Batterietechnologien und -eigenschaften, wichtige BESS-Hersteller, alternative Energiespeichersysteme und andere damit verbundene Details informieren.

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Über den Autor

Andrey Solovev

Andrey Solovev is the co-founder and Chief Technology Officer of Integra Sources. He earned a Ph.D. in Physics and Mathematics at Altai State University.