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Batterie-Energiespeichersysteme für die zuverlässige Stromversorgung mit erneuerbarer Energie
Während die Welt auf sauberere und widerstandsfähigere Energiesysteme umstellt, wächst die Infrastruktur für erneuerbare Energiequellen weiterhin rasant. Windenergie, Solarenergie und andere erneuerbare Energiequellen spielen eine zentrale Rolle bei der Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen, allerdings sind ihre Energieerträge naturgemäß variabel und unregelmäßig. Wenn der Wind nicht weht oder die Sonneneinstrahlung gering ist, können erneuerbare Energien das Stromnetz nicht kontinuierlich mit Energie versorgen.
Die Lösung besteht darin, überschüssige Energie, die während der Spitzenproduktion aus erneuerbaren Energiequellen erzeugt wird – zum Beispiel an sonnigen Nachmittagen – zu speichern und sie freizugeben, wenn die Produktion niedrig ist, etwa nachts oder an windstillen Tagen. Genau hier werden Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) unverzichtbar.
Was ist ein BESS?
Ein BESS gewinnt Energie aus erneuerbaren Quellen wie Windkraftanlagen und Solar und/oder aus dem Stromnetz und speichert diese mittels wiederaufladbarer Batterietechnologie. Die gespeicherte Energie kann dann während Zeiten hoher Nachfrage wieder freigegeben werden.
Für BESS wird typischerweise Lithium-Ionen-Technologie verwendet. Die Speichertechnologie im Versorgungsbereich ist jedoch deutlich weiter entwickelt als die von Batterien, die in anderen Anwendungen, wie z. B. Elektrofahrzeugen, verwendet werden.
Netzgekoppelte Großanlagen, oft auch als netzseitige Anlagen bezeichnet, bieten Netzbetreibern die folgenden Möglichkeiten:
- Steuerung der Energiefreisetzung zu Spitzenbedarfszeiten oder bei Netzausfällen.
- Bereitstellung von Netzdienstleistungen wie Netzstabilisierung sowie Frequenz- und Spannungsregelung.
- Nutzungsoptimierung erneuerbarer Energiequellen und Gewährleistung einer stabilen Stromversorgung.
Hauptkomponenten eines BESS
Ein BESS besteht aus Batterien, die in Reihe oder parallel geschaltet sind, um die erforderliche Betriebsspannung und Kapazität zu erreichen. Die Subsysteme sorgen für einen sicheren und effizienten Betrieb:
- Batteriemanagementsystem (BMS): Überwacht und optimiert die Leistung der Batterie, gleicht die einzelnen Zellen aus und sorgt für Sicherheit.
- Wechselrichter / Energieumwandlungssystem (PCS): Wandelt die Gleichspannung der Batterie in Wechselspannung zur Netzintegration und umgekehrt um.
- Wärmemanagementsysteme: Sorgen für sichere und gleichbleibende Betriebstemperaturen auf Zell- und Modulebene.
- Energiemanagementsystem (EMS): Verwaltet Ladezyklen, Stromfluss im Netz und Energiearbitrage.
Anforderungen an das BESS-Steuerungssystem
BESS-Standorte im Versorgungsmaßstab mit hoher Leistungskapazität setzen zunehmend auf bewährte industrielle Prozesssteuerungs- und Sicherheitstechnologien, die in übergeordnete IoT-Systeme integriert sind. Dies ermöglicht eine zuverlässigere Steuerung und eine verbesserte Datenverfügbarkeit im Vergleich zu mikrocontrollerbasierten Lösungen, die typischerweise in kleineren BESS eingesetzt werden.
Auf Netzebene benötigen Batterie-Energiespeichersysteme eine robuste MSR-Infrastruktur, um einen sicheren, zuverlässigen und effizienten Betrieb zu gewährleisten.
Signalaufbereitung für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb von BESS
PR electronics genießt seit vielen Jahren das Vertrauen von Kunden aus dem Bereich der erneuerbaren Energien und der gesamten Energiebranche. Unsere Produkte zur Signalaufbereitung sind bewährt und gewährleisten höchste Signalintegrität sowie Sicherheit bei BESS und anderen Energieanwendungen.
Unsere Geräte unterstützen wesentliche Funktionen von BESS, darunter:
- Überwachung des Ladezustands (SoC).
- Überwachung des Gesundheitszustands (SoH).
- Zellausgleich.
- Wärmemanagement.
- Steuerung und Überwachung des Energieumwandlungssystems (PCS).
- Integration von EMS und SCADA-Systemen.
Die folgenden Abschnitte beschreiben jede Funktion im Detail.
Überwachung des Ladezustands (SoC)
Die genaue Bestimmung des Ladezustands ist sowohl entscheidend für die Erhaltung der Batteriegesundheit als auch für die Kenntnis der genauen Exportkapazität.
- PR 4184: Mit einer Ansprechzeit von unter 20 ms und Eingangsunterstützung bis zu 300 VDC oder 100 mA ist es die ideale Lösung zur Anbindung von Batteriewerten für den Ladezustand (SoC).
Überwachung des Gesundheitszustands (SoH)
Der Gesundheitszustand einer Batterie ist ein wichtiger Faktor bei der Planung von Austauschstrategien. Das Verständnis der Leistungsfähigkeit und des Abbaus über die Zeit ist komplex und umfasst Verfahren wie Kapazitäts- und Widerstandsmessungen.
- PR 4114: Mit universellen Eingangsoptionen eignet es sich hervorragend zur Anbindung der verschiedenen Signale, die zur Bewertung des Gesundheitszustands (SoH) erforderlich sind.
Zellausgleich
Um die Batterieleistung zu maximieren und ihr volles Potenzial auszuschöpfen, müssen die einzelnen Zellen auf den gleichen Ladezustand ausgeglichen werden. Wenn eine Zelle einen niedrigeren SoC hat, entlädt sie sich vor den anderen Zellen und unterbricht die Energieübertragung, obwohl in den anderen Zellen noch Ladung vorhanden ist. Das Gleiche gilt auch beim Laden.
- Passives Balancing wandelt überschüssige Energie aus Hochspannungszellen über Widerstände in Wärme um.
- Aktives Balancing überträgt Energie von Hochspannungszellen auf Niederspannungszellen.
Beide Methoden basieren auf Elektronik und Algorithmen, um einen gleichmäßigen Ausgleich sicherzustellen.
- PR 4184 und PR 4104: Diese Modelle bieten schnelle Reaktionen bei Spannungs- und Strommessungen während des Zellenausgleichs.
- PR 5437: Temperaturmessumformer mit zwei Eingängen zur Messung von Temperaturdifferenzen zwischen Zellen, um die Sicherheit zu gewährleisten.
Wärmemanagement
Eine strikte Temperaturüberwachung auf Zell- und Modulebene ist eine entscheidende Sicherheitsmaßnahme. Eine stabile Temperaturregelung der Betriebs- und Umgebungsbedingungen gewährleistet sowohl einen effizienten Batteriebetrieb als auch Funktionssicherheit. Darüber hinaus reduziert sich auf diese Weise auch das Risiko einer thermischen Instabilität oder eines Brandes.
PR electronics bietet Lösungen für Standardanwendungen ebenso wie für SIL-zertifizierte Einsatzbereiche:
- SIL-zertifizierter Kopfmessumformer PR 5437 und Temperaturmessumformer PR 6437 für Hutschiene.
- PR 4116 Grenzwertschalter mit Temperatur-Eingang.
- SIL2-zertifizierter Grenzwertschalter PR 9116 mit Relaisausgang für Übertemperaturwarnungen.
Power Conversion System (PCS)-Controller
Das PCS steuert die Wechselrichter und Konverter, die Gleichstrombatterien mit dem Wechselstromnetz verbinden und umgekehrt.
- PR 4179: Universeller AC / DC-Messumformer mit Schnittstelle zu Wechselspannungs- oder Stromsignalen zur Überwachung von Wechselrichtern und relevanten PCS-Signalen.
Integration von EMS und SCADA-Systemen
Die Integration in übergeordnete Energiemanagementsysteme und SCADA-Systeme ist für einen zuverlässigen Betrieb von Batterie-Energiespeichersystemen unerlässlich.
- Die Signalverarbeitungsgeräte von PR electronics unterstützen sowohl analoge als auch digitale Signalschnittstellen, einschließlich MODBUS-Kommunikation, und eignen sich daher ideal für die Anbindung an EMS und SCADA-Systeme.
Zusätzliche Anwendungsbereiche
PR electronics-Geräte eignen sich auch für:
- Umgebungsüberwachung wie Temperatur-, Feuchtigkeits- und Gaserkennung.
- Branderkennung und -bekämpfung durch Integration von Alarmen und Verriegelungen.
- Schutz- und Sicherheitssysteme mit IEC61508-zertifizierten Schnittstellen für sicherheitsgerichtete Systeme bis SIL 3.
Fazit
Batterie-Energiespeichersysteme sind entscheidend, um eine zuverlässige und kontinuierliche Stromversorgung basierend auf erneuerbarer Energie zu gewährleisten. Mit bewährter Signalaufbereitungstechnologie unterstützt PR electronics weltweit einen sicheren, effizienten und stabilen Betrieb von BESS.
