Beherrschung von BESS durch Verständnis der Komponenten von Batteriespeichersystemen

Komponenten eines Batteriespeichersystems

Einführung

Das derzeitige Energieumfeld verändert sich weltweit rapide, und der Grund dafür ist die Notwendigkeit nachhaltigerer und widerstandsfähigerer Energielösungen, um dem Klimawandel zu begegnen. Das Herzstück dieser Revolution ist das Batterie-Energiespeichersystem (BESS), das sich rasch zu einer hochkarätigen Technologie entwickelt, die in der Lage ist, intermittierende erneuerbare Energiequellen zu integrieren, Netze zu stabilisieren und zu destabilisieren und stabile Energie am richtigen Ort und zur richtigen Zeit zu erzeugen.

Die Energiewende ist bereits in vollem Gange, und auf dem Weg zu einer Energielandschaft, die zunehmend saubere Energie nutzen wird, ist der Beitrag von Batteriespeichern und die Zeitspanne, die sie Energie für eine spätere Nutzung speichern können, von entscheidender Bedeutung. Erneuerbare Energie kann nun für die spätere Nutzung gespeichert werden, ohne dass fossile Brennstoffe verbrannt werden müssen. Dies verringert die Kohlenstoffemissionen und trägt zu einer gleichmäßigen Stromversorgung zu jeder Tageszeit bei. Die komplexe Funktionsweise und Bedeutung eines BESS ist nicht mehr ausschließlich Ingenieuren vorbehalten, sondern ein notwendiges Wissen, an dem jeder Investor, politische Entscheidungsträger und künftige Enthusiast in der Energiebranche interessiert ist.

Der folgende Artikel bietet eine detaillierte Analyse der Zusammensetzung von BESS bis hin zu ihren wesentlichen Elementen und beleuchtet, wie zentral diese letzteren Elemente sind. Wir werden auch ein Thema untersuchen, das viel zu sehr vernachlässigt wird, das aber tatsächlich entscheidend ist: das Wärmemanagement und wie die thermische Auswahl eine wesentliche Rolle bei der Steigerung der Leistung von BESS spielt und ihnen eine längere Lebensdauer ermöglicht.

Der Kern der Energiespeicherung: Was ist ein Batterie-Energiespeichersystem (BESS)?

Das Batterie-Energiespeichersystem (BESS) ist ein komplexes und integriertes System, das dazu dient, die aus verschiedenen Quellen erzeugte Energie zu speichern und die gespeicherte Energie bei Bedarf wieder abzugeben. Es greift hauptsächlich in die Kette von Energieerzeugung und -nachfrage ein, um sowohl den Stromnetzen als auch den einzelnen Verbrauchern Flexibilität und Zuverlässigkeit zu bieten.

Stellen Sie sich eine gigantische wiederaufladbare Batterie vor, aber eine viel fortschrittlichere, die in der Lage ist, riesige Energiemengen zu verarbeiten und sogar auf intelligente Weise mit dem Netz zu kommunizieren. Die Anwendungsmöglichkeiten von BESS werden immer vielfältiger, was sich in Szenarien wie der Notstromversorgung bei Stromausfällen, der Speicherung überschüssiger Sonnen- oder Windenergie zur späteren Nutzung oder der Senkung der Energiekosten durch Peak Shaving widerspiegelt. Die Entwicklung der Photovoltaik ist mit der Entwicklung der BESS-Technologie gekoppelt, die das Management der Solarenergie und die Verfügbarkeit der Energie auch bei fehlendem Sonnenschein verändert hat.

Wie funktioniert das?

Grundsätzlich funktioniert ein BESS so, dass elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und gespeichert wird, und zu einem späteren Zeitpunkt kann die elektrische Energie wieder in elektrische Energie umgewandelt werden, wenn sie benötigt wird.

Bei einem Stromüberschuss, z. B. während der Produktionsspitzen der Solaranlage oder wenn die erneuerbaren Energien einen Überschuss an Strom erzeugen, wird das BESS aufgeladen, und der Wechselstrom (aus dem Netz oder den erneuerbaren Energien) wird in Gleichstrom umgewandelt, um die Energie in dieser Batterie zu speichern. Andererseits entlädt sich das System, wenn der Strombedarf hoch ist oder wenn die erneuerbaren Energien wenig Strom erzeugen.

Beim Entladen wird die gespeicherte Energie (Gleichstrom) in Wechselstrom umgewandelt und in das Netz eingespeist oder an Verbraucher abgegeben. Dieses Hin- und Herpendeln zwischen Ladung und Entladung wird durch komplexe Kontrollsysteme gesteuert, um einen optimalen Energiefluss und Systemstabilität zu gewährleisten. Auf diese Weise unterstützen BESS das moderne Energiesystem und den Übergang zu einem nachhaltigeren Energiesystem.

Wesentliche Komponenten des Batteriespeichersystems

Um ein Energiespeichersystem (ESS) richtig zu beherrschen, ist es wünschenswert, die wechselseitige Beziehung zwischen seinen Hauptkomponenten zu verstehen. Alle Elemente sind entscheidend für die Effizienz, Sicherheit und Lebensdauer des Systems. Der Ausfall oder die Ineffizienz einer Komponente kann sich kaskadenartig auswirken und schließlich die Leistung des gesamten Systems beeinträchtigen, einschließlich der Energiekapazität und der zuverlässigen Leistungsabgabe des Systems.

Batterie-Module und -Zellen

Der vielleicht bekannteste Teil eines BESS sind die Batteriemodule und -zellen, die die Grundlage der Energiespeicherung darstellen. Die Batteriezellen werden dann in Module verpackt, und die Module werden in Gestellen oder Containern zusammengefasst. Die Technologie der Zellzusammensetzung kann stark variieren, und eine gängige Batteriezelle, die in aktuellen BESS zu finden ist, ist eine Lithium-Ionen-Zelle aufgrund ihrer hohen Energiedichte und Zykluslebensdauer.

Die Batteriechemie hat auch einen sehr großen Einfluss auf die Leistungsmerkmale des Systems, wie Energiefluss, Ladezustand, Leistungsabgabe, Zykluslebensdauer und thermische Eigenschaften. Ein weiteres Beispiel sind Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien (LFP), die für BESS-Anwendungen immer beliebter werden, da sie eine bessere Sicherheitsbilanz, eine längere Zykluslebensdauer und eine geringere optische Beeinträchtigung als andere Lithium-Ionen-Batterien aufweisen, auch wenn die Energiedichte manchmal geringer ist.

Batterie-Management-System (BMS)

Ein Batteriemanagementsystem (BMS) wird auch als das Gehirn des Batteriepacks bezeichnet und ist ein wichtiges elektronisches System, das eine Wächterrolle zwischen den Batteriezellen spielt. Die Hauptaufgaben dieses Produkts sind das Scannen wichtiger Parameter wie Zellspannung, Strom und Modultemperatur.

Über die Überwachung hinaus gleicht das BMS auch die Ladungen der einzelnen Zellen aus und verhindert Überladungen oder Überentladungen, die die Lebensdauer der Batterie erheblich verkürzen oder Sicherheitsauswirkungen wie thermisches Durchgehen verursachen können. Ein gut funktionierendes BMS ist eine unverzichtbare Komponente, um die Lebensdauer der Batterie zu maximieren, sicher zu arbeiten und genaue Informationen über den Ladezustand (SoC) und den Gesundheitszustand (SoH) der Batterie zu liefern.

Es verfolgt auch die Anzahl der abgeschlossenen Lade-/Entladezyklen, da dies wertvolle Informationen über die Leistung und den Einsatz der Batterie liefert. Ohne ein ausgeklügeltes BMS wäre die hohe Leistung und lange Lebensdauer unserer neuesten Batterietechnologie nicht möglich gewesen.

Power Conversion System (PCS) / Bidirektionaler Wechselrichter

Wenn die Batterie mit dem externen Netz oder der Last verbunden ist, ist sie die Schnittstelle, und diese Schnittstelle ist das Power Conversion System (PCS), das häufig als bidirektionales System verwendet wird. Wechselrichter. Das PCS nutzt den eingehenden Wechselstrom (aus dem Netz oder aus erneuerbaren Energien, z. B. einer PV-Anlage) und wandelt ihn in Gleichstrom um, damit die Batterien ihn nutzen können.

Andererseits wandelt es den Gleichstrom in den Batterien in Wechselstrom um, wenn es Zeit zum Entladen ist, und synchronisiert seine Frequenz mit der des Netzes und der Spannung zu einem bestimmten Zeitpunkt. Die Größe und Konstruktion des PCS bestimmen direkt den Gesamtwirkungsgrad des BESS, und moderne Systeme können Wirkungsgrade von über 97-98% erreichen. Das PCS hat auch die Aufgabe, den Energiefluss, die Spannungsregelung und die Netzdienste zu steuern, was es zu einem äußerst komplexen und wichtigen Teil macht. Bei den sich ständig weiterentwickelnden Energiespeichersystemen muss sichergestellt werden, dass ihre Kosten nur minimale Auswirkungen auf die Stromrechnungen haben, da sie die Nutzung der gelieferten Energie optimieren.

Energiemanagementsystem (EMS)

Das größere Gehirn ist das Energiemanagementsystem (EMS), das die Aktivität des gesamten BESS optimiert. Obwohl das BMS für die interne Lebensdauer der Batterie und das PCS für die Energieumwandlung zuständig ist, bestimmt das EMS den Zeitpunkt und die Art und Weise, wie das BESS geladen und entladen wird. Es nutzt Echtzeitdaten wie Strompreis, Netzstabilität, Netznachfrage, Prognosen für erneuerbare Energien und Anlagenlastprofile, um intelligente Entscheidungen zu treffen.

Mit einem BESS im Versorgungsmaßstab ist das EMS in der Lage, Dienste wie Frequenzregulierung, Spitzenlastabschaltung und Lastverschiebung anzubieten. Es bietet auch Hilfsdienste, die die Stabilität des Stromnetzes durch den Ausgleich von Angebot und Nachfrage aufrechterhalten. Im Falle kommerzieller und industrieller Anwendungen kann das EMS den Eigenverbrauch von Solarstrom optimieren oder sich an Demand-Response-Programmen beteiligen. Bei einem Stromausfall ist das EMS in der Lage, das Batteriesystem mit Strom zu versorgen und so die Verfügbarkeit von Strom zu gewährleisten. Ein ausgeklügeltes EMS verbessert auch die Kosteneffizienz und Flexibilität eines BESS beträchtlich, so dass es definitiv den größten Nutzen bietet.

Gehäuse und Sicherheitssysteme

Der Schutz des gesamten BESS sowie der Schutz von Personen und Eigentum müssen im Hinblick auf das Gehäuse und die Sicherheitssysteme von größter Bedeutung sein. Der physische Schutz vor Umwelteinflüssen (z. B. extreme Temperaturen, Feuchtigkeit, Staub) wird durch das Gehäuse gewährleistet, das auch alle internen Komponenten enthält, wie z. B. den Batterieträger, in dem die Module untergebracht sind.

Die eingebauten Sicherheitssysteme gehen über die physische Eingrenzung hinaus und dienen dazu, mögliche Gefahren zu erkennen und zu bekämpfen. Dazu gehören High-Tech-Brandbekämpfungssysteme wie Aerosol-, Reinigungsmittel-, Wassernebel- oder Rauchmelder, Temperatursensoren, Lüftungssysteme usw.

In Anbetracht des möglichen Auftretens thermischer Zwischenfälle in großen Batterieanlagen ist es nicht nur ein gesetzlicher Auftrag, sondern auch eine technische Notwendigkeit, dass die Anlagen auf einem sicheren Bewertungsniveau betrieben werden, wie es in Normen wie UL 9540 (Standard for Energy Storage Systems and Equipment) festgelegt ist. Diese Systeme bieten den Endnutznießern Schutz vor unerwarteten Ereignissen und sind daher von unverzichtbarer Bedeutung für eine vertrauenswürdige Stromversorgung und Netzstabilität.

Hilfssysteme und Zusammenschaltungen

Zusätzlich zu den Schlüsselelementen verfügt ein BESS über ein System von Hilfssystemen und Verbindungen, mit denen es betrieben wird. Dazu gehören:

Transformers: Zum Erhöhen (Step-up) oder Verringern (Step-down) der Spannung für den Anschluss an das Stromnetz.
Schaltanlagen und Leistungsschalter: Zum Schutz, zur Isolierung und zur Steuerung des Energieflusses im System.
Verkabelung und Sammelschienen: Herstellung sicherer und effizienter elektrischer Verbindungen im gesamten System.
Kommunikationsnetze: Hierbei handelt es sich um die Kommunikationsverbindungen, über die die Daten von BMS, PCS, EMS und Fernüberwachungszentren ausgetauscht werden können (in der Regel unter Verwendung von SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition Systems).
HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning): Das ist sehr wichtig, damit die empfindliche Elektronik und die Batterien bei optimalen Temperaturen arbeiten können.

All diese scheinbar unbedeutenden Details sind jedoch für den reibungslosen Betrieb, die Sicherheit und die Langlebigkeit des gesamten BESS von wesentlicher Bedeutung und sind Teil der Energiekapazität und Gesamtleistung.

Wärmemanagementsysteme für BESS

Obwohl die selten diskutierten Wärmemanagementsysteme von BESS zu den Hilfssystemen gezählt werden können, ist es notwendig, dieses Thema ausführlicher zu behandeln, da dieser Aspekt einen der größten Einflüsse auf die Leistung dieser Systeme, ihre Haltbarkeit und Sicherheit hat. Batterien, insbesondere mit Lithium-Ionen-Chemie, sind anfällig für Temperaturschwankungen. Ein Betrieb jenseits der empfohlenen Betriebstemperatur (die bei den meisten Lithium-Ionen-Batterien zwischen 15 °C und 35 °C liegt) kann zu ernsthaften Problemen führen.

Eine zu hohe Temperatur beschleunigt die Degradation, verkürzt die Lebensdauer und führt zu einem thermischen Durchgehen.

Ein zu niedriges Temperaturniveau kann die verfügbare Kapazität verringern, den Innenwiderstand erhöhen und sich negativ auf die Ladegeschwindigkeit auswirken, was wiederum das Potenzial zur Deckung des Energiebedarfs in kritischen Zeiten beeinträchtigen kann.

Ein intelligentes Wärmemanagement besteht darin, drei Dinge, vor allem die Batteriemodule und die Leistungselektronik, innerhalb des gewünschten Temperaturbereichs zu halten. Dies ist vor allem in Spitzenzeiten wichtig, wenn die Leistung benötigt wird und das System mit seiner höchsten Kapazität arbeiten soll. Typische Wärmemanagementstrategien, die in BESS eingesetzt werden, sind:

Was ist ein Batterie-Energiespeichersystem (BESS)?

Luftkühlung/Heizung: Bewegung eines Ventilators über Umgebungsluft oder klimatisierte Luft, um die Komponenten zu kühlen oder zu erwärmen. Dies ist eine kosteneffiziente Art der Zwischentemperaturregelung und kann zur Senkung der Betriebskosten eingesetzt werden, wenn relativ wenig Energie benötigt wird.
Flüssigkeit Kühlung/Heizung: Die Verwendung eines flüssigen Kühlmittels (Glykol-Wasser-Gemisch), das durch Kühlplatten oder -kanäle zirkuliert, um den direkten Kontakt mit den Batteriezellen oder -modulen aufrechtzuerhalten. Dies ermöglicht auch eine engere und effektivere Temperaturkontrolle, insbesondere bei Systemen mit hoher Leistungsdichte, wodurch die bei der Entladung mit hoher Leistung entstehende unerwünschte Energie wirksam abgeleitet werden kann.
Phasenwechselmaterialien (PCMs): Materialien, die in der Lage sind, große Mengen an latenter Wärme, die mit einem Phasenwechsel (z. B. von fest zu flüssig) verbunden ist, zu absorbieren/abzugeben, und die in einem passiven Temperaturstabilisierungs-/Regelungssystem verwendet werden könnten, um das System bei unterschiedlichem Energieverbrauch über einen längeren Zeitraum stabil zu halten.
Kältetechnik/Kühlschränke: Wird in Verbindung mit einer Flüssigkeitskühlung eingesetzt, um eine aggressivere Temperaturabkühlung in heißen Umgebungen oder bei Anwendungen mit hoher Leistung zu erreichen. Dies ist eine gute Strategie, vor allem wenn es um die Speicherung von Wärmeenergie geht, die später genutzt werden soll, und darauf geachtet wird, dass die gespeicherte Energie unter extremen Bedingungen nicht verloren geht.

Die Strategie für das Wärmemanagement wird in Abhängigkeit von der Größe des BESS, der Anwendung, dem Umgebungsklima und den gewünschten Leistungsmerkmalen gewählt.

Die Bedeutung einer effektiven Kühlung für die Leistung und Langlebigkeit von BESS

Das Wärmemanagement eines BESS hängt unwiderruflich mit der Effizienz und Lebensdauer des BESS zusammen, insbesondere mit der Redundanz und Effektivität der Kühlmaßnahmen. Eine unzureichende Kühlung verursacht nicht nur viele Unannehmlichkeiten, sondern führt auch zu einer vorzeitigen Degradation des Systems, zu Ineffizienzen im Betrieb und zu einem Anstieg der Sicherheitsrisiken. Ein wirksames Temperaturmanagement stellt sicher, dass die Stromkosten über einen langen Zeitraum hinweg gesenkt werden, ein effektiver Energiefluss gewährleistet ist und die Stromkapazität vollständig optimiert wurde.

Stellen Sie sich Folgendes vor: Jedes Mal, wenn die Temperatur den optimalen Bereich um 10 °C überschreitet, kann sich die Lebensdauer einer Lithium-Ionen-Batterie um 50 % verkürzen. Dieser superlineare Verfall schlägt sich direkt in enormen Geldverlusten beim Betrieb von BESS nieder, da sich die Lebensdauer der Anlagen verkürzt und die Kosten für ihren Ersatz in die Höhe schnellen. Darüber hinaus verringert ein Betrieb bei hohen Temperaturen die Energieeffizienz der Batterie, d. h. sie ist weniger energieeffizient und gibt bei Lade- und Entladevorgängen mehr Energie in Form von Wärme ab, wodurch die Gesamteffizienz des Systems sinkt und seine Betriebskosten steigen. Ein schlechtes Wärmemanagement kann im schlimmsten Fall zu lokalen Überhitzungen führen, wodurch die Zellen schneller degradieren und die Gefahr eines thermischen Durchgehens besteht, eine Kettenreaktion, die in einem Brand enden kann.

Durch optimales Wärmemanagement sind BESS-Systeme besser in der Lage, die Stromkosten während der Nachfragespitzen zu bewältigen, die überschüssige Energie zu speichern und später zu nutzen, was im Laufe der Zeit die Gesamtbetriebskosten senkt und die Zuverlässigkeit des Netzes in Zeiten anhaltender Energiebelastung erhöht.

Aspekt	Auswirkungen einer unzureichenden Kühlung	Nutzen einer effektiven Kühlung
Lebensdauer der Batterie	Reduziert sich um bis zu 50% für jede 10°C über dem Optimum.	Verlängert die Batterielebensdauer und maximiert den ROI.
System-Effizienz	Erhöhter Energieverlust, geringerer Wirkungsgrad bei der Hin- und Rückfahrt.	Optimiert die Energieübertragung und senkt die Betriebskosten.
Sicherheitsrisiken	Höhere Wahrscheinlichkeit von thermischem Durchgehen und Feuer.	Verringert Sicherheitsrisiken und gewährleistet einen sicheren Betrieb.
Leistung Ausgang	Verminderte Kapazität und Leistungsabgabe, insbesondere in heißen Klimazonen.	Behält die Nennkapazität und die Leistungsabgabe bei.
Instandhaltungskosten	Häufigerer Austausch von Komponenten aufgrund von Überhitzung.	Reduziert die Wartungshäufigkeit und -kosten.

ACDCFAN-Lösungen: Maßgeschneiderte Kühlung für Ihre BESS-Komponenten

Hier erweisen sich spezialisierte Kühllösungen als unverzichtbar und verwandeln die Schwächen Ihres BESS in seine Stärken. Bei ACDCFAN haben wir auch die subtilen Anforderungen strategischer Energieinfrastrukturen erkannt und verfügen über mehr als zwei Jahrzehnte Erfahrung. Als einer der professionellsten Hersteller produzieren wir hochwertige AC-Axial- und Radiallüfter, DC-Axial- und Radiallüfter sowie EC-Axiallüfter im Detail, um den strengen Anforderungen der BESS-Komponenten gerecht zu werden.

Das Niveau der hochwertigen Technik spiegelt sich direkt in den kosteneffektiven Vorteilen Ihres BESS wider. So haben wir beispielsweise Wechselrichter-Kühlgebläse, deren Rahmen aus der besten Aluminiumlegierung ADC-12 mit einem Zusatz von 3-5 % Kupfer gefertigt sind. Durch diese exklusive Legierung erhalten Sie eine um 30 % längere Leistung der Lüfter, eine Eigenschaft, die für die langfristige, konstante und unveränderliche Betriebskapazität Ihrer Stromumwandlungssysteme wichtig ist. Unsere Lüfter sind nicht nur zuverlässig, sondern erreichen auch eine hervorragende Lebensdauer von 70.000 Stunden bei 40 °C. Unsere Lüfter können bei hohen Temperaturen von -40 °C bis 120 °C betrieben werden. Diese Langlebigkeit garantiert, dass Ihr BESS auch bei extremen Betriebsbelastungen unter hervorragenden thermischen Bedingungen arbeitet.

ACDCFAN ist sich der unterschiedlichen und anspruchsvollen BESS-Umgebungen bewusst und konzentriert sich auf die Bereitstellung von hochwertigen Gleichstromlüftern mit fortschrittlichen bürstenlosen Motoren. Dies ermöglicht es unseren Lüftern, einen beeindruckenden IP68-Schutzgrad, außergewöhnliche Staub-/Wasser-Lufteinlässe sowie Anti-Salznebel-Kapazitäten zu nutzen, die in küstennahen oder feuchten Umgebungen entscheidend sind.

Unsere Produkte sind in vollem Umfang CE-, UL-, RoHS- und EM-zertifiziert, und die Qualität ist garantiert. Wir bieten Ihnen Exzellenz als konstante Qualität, und Sie sollten wissen, dass Ihre BESS-Teile innerhalb der thermischen Umhüllungen arbeiten, die ihnen eine lange Lebensdauer verleihen, damit sich die Investition für Sie maximal auszahlt. Dank einer effizienten Produktion haben wir die Lieferzeit unserer Axiallüfter auf ein Minimum reduziert, nämlich auf nur 1-2 Wochen, damit Ihre Projekte pünktlich und zu geringeren Kosten durchgeführt werden können.

Schlussfolgerung

Die Einführung eines Batterie-Energiespeichersystems ist weit mehr als nur der Kauf von Batterien. Es erfordert eine integrierte Wissensbasis über seine komplexen Teile, wie die Energiespeichermodule der Batterie, das Schutzsystem BMS, das Leistungsumwandlungssystem PCS, das Optimierungssystem EMS und die Sicherheitssysteme und das Detektionsgehäuse. Sie alle sind wichtige Bestandteile eines komplizierten Mechanismus, der auf die Umgestaltung unserer Energiezukunft abzielt. Angesichts der zunehmenden Bedeutung der Solarenergie und anderer erneuerbarer Energiequellen sind Batteriespeichersysteme von entscheidender Bedeutung für das Energieversorgungsmanagement und die Umstellung der Energieversorgung vom fossilen auf den erneuerbaren Energiesektor.

Nichtsdestotrotz kann das Wärmemanagement als ein primäres Element für den Betrieb und die langfristige Nachhaltigkeit eines BESS verstanden werden. Intelligente und proaktive Kühlung mit ihren Hochleistungslüftern kann nicht als nettes Feature betrachtet werden, sondern ist vielmehr eine nicht verhandelbare Anforderung, um die Langlebigkeit der Batterien, die Effizienz und ein hohes Maß an Sicherheit im System zu gewährleisten.

Die Investition in qualitativ hochwertige Kühlsysteme bedeutet, dass Entwickler und Betreiber von BESS nicht nur ihre Einsätze schützen, sondern auch ihre Investitionen optimieren können und in der Lage sind, ihre Investitionen vertrauensvoll abzusichern und aktiv zu einem besseren Energiesystem mit mehr Widerstandsfähigkeit und Nachhaltigkeit beizutragen und damit eine wichtige Rolle bei der derzeitigen Energiewende zu übernehmen.