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In unserem vorherigen Artikel haben wir die makroökonomische Bedeutung der Energiespeicherung als Eckpfeiler unserer zukünftigen Energieinfrastruktur untersucht. Wir haben das ‚Warum‘ beantwortet. Heute gehen wir einen Schritt weiter und beantworten das ‚Was‘ – Was genau bildet ein Energiespeichersystem (ESS), die leistungsstarke Einheit, die als ‚Stabilisator‘ und ‚Powerbank‘ des Netzes fungieren kann?
Die erste Vorstellung vieler Menschen von einem Energiespeichersystem ist einfach ‚eine riesige Batterie‘. Obwohl diese Vorstellung intuitiv ist, ist sie unvollständig. Ein wirklich effizientes, sicheres und intelligentes ESS ist viel komplexer. Es lässt sich besser als ein hochkoordiniertes, spezialisiertes Team verstehen, bei dem jedes Mitglied eine unverzichtbare Rolle spielt. Lernen wir die vier Kernmitglieder dieses Elite-Teams kennen.
Das Batteriepack ist die grundlegendste und wertvollste Komponente eines ESS. Es ist das ‚Energiespeicherlager‘ des Systems. Seine einzige Aufgabe ist es, elektrische Energie sicher und effizient in einer elektrochemischen Form zu speichern.
Zusammensetzung: Was wir als Batteriepack bezeichnen, ist nicht eine einzelne, monolithische Batterie. Es besteht aus Tausenden kleinerer ‚Zellen‘, die in Serie und parallel geschaltet sind, um ‚Module‘ zu bilden. Mehrere Module werden dann zu einem ‚Batteriecluster‘ oder ‚Batteriegestell‘ zusammengebaut. Dieses modulare Design erleichtert die Herstellung, den Transport und die Installation und ermöglicht zudem eine flexiblere Verwaltung und Wartung.
Technologie: Im Bereich der elektrochemischen Speicherung haben Lithium-Eisenphosphat (LFP)-Batterien heute die unangefochtene Marktführerschaft für stationäre Anwendungen (wie netzgebundene, kommerzielle und private Speicher) übernommen, dank ihrer hohen Sicherheit, langen Lebensdauer und relativ niedrigen Kosten. FFDPOWER-Produkte verwenden hauptsächlich hochwertige LFP-Zellen, um die langfristige Stabilität und Sicherheit des Systems zu gewährleisten.
Kurz gesagt, die Kapazität des Batteriepacks (gemessen in kWh oder MWh) bestimmt, wie viel ‚Bestand‘ das Lager halten kann, was direkt den Energiewert des Systems repräsentiert.
Wenn das Batteriepack das ‚Lager‘ ist, dann ist das Leistungskonversionssystem (PCS) der ‚intelligente Ladebereich‘ und ‚bidirektionale Übersetzer‘, der dieses Lager mit der Außenwelt – dem Netz oder Ihren elektrischen Lasten – verbindet.
Batterien speichern Gleichstrom (DC), während unser öffentliches Netz und die meisten unserer Geräte Wechselstrom (AC) verwenden. Die Kernaufgabe des PCS besteht darin, eine effiziente, steuerbare, bidirektionale Umwandlung zwischen DC und AC durchzuführen.
Laden (Gleichrichtung): Wenn das ESS geladen werden muss, nimmt das PCS Wechselstrom (AC) vom Netz oder von Solarpanels und wandelt ihn in stabilen, steuerbaren Gleichstrom (DC) um, um das Batteriepack präzise aufzuladen. Dieser Prozess wird als ‚Gleichrichtung‘ bezeichnet.
Entladen (Wechselrichtung): Wenn die gespeicherte Energie benötigt wird, nimmt das PCS den von dem Batteriepack freigesetzten Gleichstrom und wandelt ihn in hochwertigen Wechselstrom (AC) um, der perfekt mit der Frequenz, Phase und Spannung des Netzes übereinstimmt. Dieser Strom wird dann an die Lasten oder zurück ins Netz gesendet. Dieser Prozess wird als ‚Wechselrichtung‘ bezeichnet.
Die Leistung des PCS bestimmt direkt die Leistung (gemessen in kW oder MW), die das ESS ausgeben oder aufnehmen kann, sowie die Effizienz und Qualität der Energieumwandlung. Ein hervorragendes PCS ist der Schlüssel, um die schnelle Reaktionsfähigkeit, den stabilen Betrieb und die Gesamteffizienz des Systems sicherzustellen.
Während das Batteriepack das Energiezentrum ist, ist es auch wie ein lebender Organismus, der sorgfältige Pflege benötigt, mit strengen Anforderungen an seine Betriebsumgebung (wie Temperatur und Spannung). Das Batterie-Management-System (BMS) wurde zu diesem Zweck entwickelt und fungiert als der ‚dedizierte Betreuer‘ und ‚intelligente Gehirn‘ der Batterie.“
„Das BMS ist ein komplexes System aus Hardware und Software, das das Batteriepack bis auf Zellenebene überwacht und verwaltet, um sicherzustellen, dass jede Zelle jederzeit in einem gesunden und sicheren Zustand arbeitet. Zu den Kernfunktionen gehören:“
Echtzeit-Überwachung: Das BMS überwacht kontinuierlich wichtige Parameter für jede einzelne Zelle mit Millisekunden-Geschwindigkeit, einschließlich Spannung, Strom und Temperatur.
Zustandsabschätzung: Mit Hilfe anspruchsvoller Algorithmen schätzt es genau den gesamten Ladezustand (SOC, d.h. wie viel Energie noch vorhanden ist) und den Gesundheitszustand (SOH, d.h. das Degradationsniveau der Batterie) des Packs.
Sicherheits-Schutz: Wird eine Anomalie festgestellt – wie Überladung, Tiefentladung, Übertemperatur, Überstrom oder ein Kurzschluss – ergreift das BMS sofort Maßnahmen, gibt einen Alarm aus und trennt den Stromkreis, um zu verhindern, dass das Problem in einen Sicherheitsvorfall wie einen thermischen Durchgang eskaliert.
Balancierung: Aufgrund kleiner Fertigungstoleranzen sind nicht alle Zellen in einem Pack identisch. Die Balancierungsfunktion des BMS passt aktiv oder passiv die Ladelevel der Zellen an, um sicherzustellen, dass sie im Einklang arbeiten, was den ’schwächsten Glied‘-Effekt verhindert und somit die Gesamtlebensdauer des Batteriepacks maximiert.
„Ohne ein BMS wären großflächige Lithium-Batterieanwendungen undenkbar. Ein leistungsstarkes und zuverlässiges BMS ist die erste und wichtigste Verteidigungslinie für die Sicherheit eines Energiespeichersystems.
„Wenn das BMS die ‚Mikrowelt‘ innerhalb der Batterie verwaltet, dann ist das Energiemanagementsystem (EMS) der ‚Oberbefehlshaber‘, der die gesamte Operation des Energiespeichersystems strategisch lenkt und steuert.“
„Das EMS ist das Gehirn des gesamten Systems. Es sammelt Informationen vom BMS, PCS, Netzmessgeräten, Wettersystemen und mehr. Basierend auf vorab festgelegten Optimierungsstrategien gibt es Lade- und Entladebefehle an das PCS und das BMS. Die Entscheidungslogik des EMS bestimmt, wann das System lädt, wann es entlädt und mit welchem Leistungsniveau.“
„Beispielsweise wird das EMS in einer kommerziellen Speicheranwendung die lokalen Strompreise zu verschiedenen Zeiten verwenden, um automatisch eine ‚Laden bei niedrigen Preisen, Entladen bei hohen Preisen‘-Strategie umzusetzen, um Geld zu sparen. In einem Solar-Plus-Speichersystem wird das EMS vorrangig Solarstrom für den Eigenverbrauch nutzen und überschüssige Energie für die spätere Verwendung speichern.“
Unverzichtbare Hilfssysteme
„Zusätzlich zu diesen ‚großen Vier‘ umfasst ein vollständiges ESS eine Reihe wichtiger Hilfssysteme, die im Hintergrund arbeiten:“
Thermisches Managementsystem: Verwendet Klimaanlagen oder Flüssigkeitskühlung, um die Betriebstemperatur der Batterie im optimalen Bereich zu halten und so Effizienz und Lebensdauer sicherzustellen.
Feuerlöschsystem: Speziell für elektrochemische Speicher entwickelt, ausgestattet mit Gassensoren, Frühwarnsystemen und speziellen Löschmitteln zur Bekämpfung potenzieller Brandrisiken.
Gehäuse: Bietet ein sicheres, robustes und wetterfestes Gehäuse für alle Komponenten.
Fazit
„Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein leistungsstarkes Energiespeichersystem (ESS) keine einfache Zusammenstellung von Bauteilen ist, sondern eine komplexe Integration von Elektrochemie, Leistungselektronik, Thermomanagement, Brandschutz und intelligenter Steuerungstechnologie. Die vier Kernkomponenten – das Batteriepack, das PCS, das BMS und das EMS – arbeiten wie ein perfekt koordiniertes Team: Das Batteriepack ist der leistungsstarke Athlet, das PCS ist der versierte technische Trainer, das BMS ist der sorgfältige Teamarzt, und das EMS ist der strategische Cheftrainer. Nur wenn sie in Synergie arbeiten, kann der immense Wert der Energiespeicherung sicher und effizient freigesetzt werden.“