Ein Battery Energy Storage System (BESS), also ein Batteriespeichersystem, speichert elektrische Energie in Batterien und gibt sie später wieder ab, wenn ein Haushalt, ein Unternehmen oder ein Stromsystem sie benötigt. Die Batteriezellen sind nur ein Teil des Systems. Ein funktionsfähiges BESS benötigt außerdem Einrichtungen, die die Batterie überwachen, Leistung umwandeln, Laden und Entladen steuern, die Temperatur regeln, Fehler isolieren und den sicheren Anschluss an die elektrische Anlage gewährleisten.
Diese Definition auf Systemebene ist wichtig. Ein Schrank voller Zellen kann Energie speichern, aber nicht selbst entscheiden, wann geladen wird, Gleichstrom in nutzbaren Wechselstrom umwandeln oder sich mit einem Gebäude beziehungsweise Netz abstimmen.
Was zu einem BESS gehört
Die Batterie ist üblicherweise in Zellen, Module und größere Packs, Racks oder Schränke gegliedert. Die genaue Hierarchie variiert je nach Produkt und Projekt, verfolgt jedoch denselben Zweck: Viele elektrochemische Zellen werden zu einem nutzbaren Speicherblock zusammengefasst, wobei Überwachung, elektrische Verbindung, Temperaturregelung und Wartbarkeit gewährleistet bleiben.
Ein Battery Management System (BMS) arbeitet unmittelbar an der Batterie. Es misst Größen wie Zellspannung und Temperatur, schätzt Zustände wie den Ladezustand, gleicht Zellen aus, sofern die Auslegung dies unterstützt, meldet den Batteriestatus und setzt Schutzgrenzen durch. Das BMS entscheidet nicht über den wirtschaftlichen Einsatzzweck des Systems. Seine zentrale Aufgabe besteht darin, den Batteriebetrieb innerhalb der für diese Batterie und Architektur festgelegten Grenzen zu halten.
Ein Power Conversion System (PCS) steuert die elektrische Umwandlung zwischen der Gleichstromseite der Batterie und der von den meisten Gebäuden und Stromnetzen genutzten Wechselstromseite. Beim Laden wandelt und steuert es die zur Batterie fließende Leistung. Beim Entladen wandelt es gespeicherte Gleichstromenergie in eine geregelte Wechselstromabgabe um. Je nach Architektur können zugehörige Schaltanlagen, Relais und Trennfunktionen innerhalb des PCS oder in dessen Umfeld angeordnet sein.
Das darüberliegende Energy Management System (EMS) koordiniert den Betrieb. Es kann Laden und Entladen nach Solarproduktion, Strompreisen, dem Lastprofil einer Anlage, einer Reserve für die Notstromversorgung oder Vorgaben eines anderen Steuerungssystems planen. Das EMS kann einen Betriebspunkt anfordern; diese Anforderung muss jedoch weiterhin innerhalb der aktuell geltenden Grenzen von Batterie, Umrichter und Standort liegen.
Zu einer vollständigen Installation gehört außerdem die übrige Systemausrüstung. Pacific Northwest National Laboratory beschreibt ein Energiespeichersystem als Speicherblock einschließlich unterstützender Einrichtungen, Leistungsausrüstung, Steuerung und Kommunikation sowie Systemintegration. Je nach Projekt können dazu Verkabelung, Schaltanlagen, Transformatoren, Messeinrichtungen, Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik (HVAC), Brandschutz und ein Anschlusspunkt gehören.
Wie lädt und entlädt ein BESS?
Der Ladevorgang beginnt, wenn elektrische Leistung aus einer zulässigen Quelle verfügbar ist, etwa aus dem Netz oder einer Photovoltaikanlage. Das PCS steuert die Umwandlung und den Leistungsfluss zur Batterie. Das BMS überwacht den Batteriezustand und übermittelt oder setzt die in diesem Moment geltenden Grenzen durch. Die Energie wird durch reversible elektrochemische Reaktionen innerhalb der Zellen gespeichert.
Beim Entladen läuft der Vorgang in umgekehrter Richtung ab. Die Batterie gibt elektrische Gleichstromenergie ab, und das PCS wandelt sie in die für das angeschlossene Wechselstromsystem erforderliche Form um. Das EMS oder eine andere Steuerung bestimmt, wann eine Entladung sinnvoll ist, während die Schutzsysteme weiterhin überwachen, ob der angeforderte Betrieb zulässig bleibt.
Der Vorgang ist nicht verlustfrei. In den Zellen, der Leistungselektronik, der Verkabelung und Hilfssystemen wie dem Thermomanagement geht Energie verloren. Deshalb ist die gemessene Energiemenge, die einem BESS zugeführt wird, größer als die Energiemenge, die es im selben Betriebszyklus später wieder abgibt.
Der Regelkreis bleibt auch während des Betriebs aktiv. Eine zu einem bestimmten Zeitpunkt mögliche Entladeanforderung muss gegebenenfalls reduziert werden, wenn sich Batterietemperatur, Ladezustand, Umrichterkapazität oder eine Standortbeschränkung ändern. Die tatsächliche Ausgangsleistung ergibt sich somit aus einer Betriebsanforderung, die durch die Möglichkeiten der Batterie, des PCS und des angeschlossenen Systems begrenzt wird.
Eine genauere Erläuterung dieses Regelungszusammenhangs finden Sie unter Wie PCS, BMS und EMS in einem BESS zusammenarbeiten.
Leistung, Energie und Dauer sind unterschiedliche Kenngrößen
Batteriesysteme werden üblicherweise sowohl durch eine Leistungsangabe als auch durch eine Energieangabe beschrieben.
- Die Leistung, gemessen in Kilowatt oder Megawatt, zeigt, wie schnell das System zu einem bestimmten Zeitpunkt laden oder entladen kann.
- Die Energie, gemessen in Kilowattstunden oder Megawattstunden, gibt an, wie viel Energie das System über einen Zeitraum speichern oder abgeben kann, unter Berücksichtigung der angegebenen Messgrenze und Betriebsgrenzen.
Eine vereinfachte Dauer lässt sich abschätzen, indem die nutzbare Energie durch die Ausgangsleistung geteilt wird. Ein System mit 200 kWh nutzbarer Energie, das eine konstante Last von 50 kW versorgt, hat eine idealisierte Dauer von vier Stunden. Im realen Betrieb kann dies abweichen, weil Eigenverbrauch, Umwandlungsverluste, Reserveeinstellungen, wechselnde Lasten und Betriebsgrenzen die am Verbrauchsort verfügbare Energie verringern oder deren Bereitstellung verändern.
Diese Unterscheidung erklärt, warum eine höhere Energieangabe ein BESS nicht automatisch für jede Anwendung leistungsfähiger macht. Ein System, das eine hohe Last kurzzeitig versorgen soll, benötigt ein anderes Verhältnis zwischen Leistung und Energie als ein System, das eine kleinere Last über viele Stunden versorgen soll.
Was kann ein BESS leisten?
Ein BESS kann Energie zeitlich verschieben. An einem Solarstandort kann es laden, wenn die Erzeugung die unmittelbare Nachfrage übersteigt, und später entladen, wenn die Solarproduktion zurückgegangen ist. In einem Gewerbebetrieb kann es kurze Lastspitzen verringern oder mit der Erzeugung vor Ort zusammenarbeiten. In einer für Notstromversorgung ausgelegten Installation kann es ausgewählte Verbraucher während eines Stromausfalls versorgen.
Diese Anwendungen ergeben sich nicht automatisch aus der Batteriekapazität. Jede hängt von der umgebenden elektrischen Auslegung, der Steuerung und den Betriebsvereinbarungen ab. Eine Notstromversorgung erfordert beispielsweise ein System, das sich ordnungsgemäß vom Netz trennen, eine geeignete lokale Stromversorgung aufbauen oder sich auf diese synchronisieren und die ausgewählten Verbraucher versorgen kann. Eine Batterie, die zu Beginn eines Stromausfalls geladen ist, ist nicht zwangsläufig dafür eingerichtet, diese Verbraucher mit Strom zu versorgen.
Ein BESS erzeugt keine Energie. Es verändert, wann zuvor zugeführte Energie verfügbar ist, und jeder Lade-Entlade-Zyklus ist mit Verlusten verbunden. Ebenso wenig garantiert eine einzelne Komponente die Leistung des Gesamtsystems. Eine leistungsfähige Batterie kann weder ein unterdimensioniertes PCS noch eine inkompatible Steuerungsschnittstelle oder eine Auslegung ausgleichen, die nicht zur Last und zum Betriebsziel des Standorts passt.
Ein BESS lässt sich deshalb am besten als abgestimmtes elektrisches System verstehen. Die Batterie speichert Energie, das BMS überwacht die Batterie, das PCS steuert die Leistungsumwandlung, das EMS koordiniert das Betriebsziel, und die übrige Systemausrüstung verbindet diese Funktionen mit einem realen Standort. Der Wert des Systems hängt davon ab, wie gut diese Elemente für die Erfüllung der geforderten Aufgabe ausgelegt sind.
