Batteriespeicher für kommerzielle Mikronetze: Dimensionierung und Design eines Batteriespeichersystems

Kommerzielle Mikronetze werden in Fabriken, Hotels, Rechenzentren, landwirtschaftlichen Betrieben, Industrieparks und abgelegenen Einrichtungen immer häufiger eingesetzt, wo Energiekosten, Netzkapazität und Stromversorgungssicherheit keine getrennten Probleme mehr darstellen.

Bei vielen Projekten benötigt der Standort nicht nur eine Notstromversorgung. Er verfügt möglicherweise bereits über Photovoltaik, einen Dieselgenerator und einen Netzanschluss, diese Anlagen arbeiten jedoch unabhängig voneinander. Die Aufgabe von kommerziellen Mikronetz-Batteriespeichern besteht darin, diese Ressourcen zu einem flexibleren Energiesystem zu verbinden.

Ein typisches kommerzielles Mikronetz kombiniert Netzstrom, Photovoltaikanlage, Batteriespeichersystem, Generator, Energiemanagementsystem und kritische Verbraucher. Das Batteriespeichersystem ermöglicht es dem Mikronetz, Solarenergie zu verschieben, Netzspitzen zu reduzieren, Verbraucher bei Stromausfällen zu unterstützen, die Generatorlaufzeit zu begrenzen und auf Änderungen des Strombedarfs zu reagieren.

Für EPC-Unternehmen und Projektentwickler besteht die größte Herausforderung jedoch nicht darin, zu entscheiden, ob Batteriespeicher sinnvoll sind. Vielmehr geht es darum, den tatsächlichen Batteriebedarf, den benötigten PCS-Leistungsbedarf und die Interaktion des Batteriespeichersystems mit dem restlichen Mikronetz zu bestimmen.

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Welche Rolle spielt die Batteriespeicherung in einem kommerziellen Mikronetz?

Ein kommerzielles Mikronetz kann je nach Standort auf verschiedene Arten betrieben werden. Einige Projekte bleiben fast permanent mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden. In diesen Systemen dient das Batteriespeichersystem (BESS) hauptsächlich dem Eigenverbrauch von Solarstrom, der Spitzenlastkappung, der zeitvariablen Tarifoptimierung und der Begrenzung des Netzbezugs auf einen festgelegten Grenzwert.

Andere Projekte benötigen eine Backup-Funktion. Fällt die öffentliche Stromversorgung aus, muss sich das System sicher vom Netz trennen und die Versorgung ausgewählter Verbraucher über das Batteriespeichersystem (BESS), Solarstrom und gegebenenfalls einen Generator sicherstellen. Abgelegene Standorte können ohne jegliche zuverlässige Netzverbindung betrieben werden. In diesen Fällen wird der Batteriespeicher zu einem zentralen Bestandteil des Stromversorgungssystems und gleicht die PV-Erzeugung, den Bedarf vor Ort und den Generatorbetrieb über den Tag hinweg aus.

Deshalb kann dieselbe Batteriekapazität von 1 MWh für ganz unterschiedliche Projekte eingesetzt werden. Ein 1-MWh-System zur Spitzenlastabdeckung in einer Fabrik kann sich deutlich von einer 1-MWh-Batterie in einem Inselnetz mit Solar- und Dieselgeneratoren unterscheiden. Die Energiekapazität mag auf dem Papier ähnlich erscheinen, aber die Stromverteilungssysteme (PCS), Energiemanagementsysteme (EMS), Schalt-, Schutz- und Reservestrategien können völlig unterschiedlich sein.

Beginnen Sie mit der Standortlast, nicht mit der Batteriekapazität.

Ein häufiger Fehler in frühen Projektphasen ist die Festlegung der Produktgröße. Ein EPC-Unternehmen fordert möglicherweise ein Batteriespeichersystem mit 500 kWh oder 1 MWh an, bevor der tatsächliche Strombedarf des Standorts ermittelt wurde. Ein besserer Ansatz ist es, mit dem Lastprofil zu beginnen und zu bestimmen, welches Problem das Mikronetz lösen soll.

Betrachten wir beispielsweise eine Fabrik mit einer Spitzenlast von 700 kW, aber einem verfügbaren Netzanschluss von nur 500 kW. Die unmittelbare Leistungslücke beträgt:

700 kW − 500 kW = 200 kW

Wenn diese Lücke normalerweise zwei Stunden dauert, beträgt der Grundenergiebedarf ungefähr:

200 kW × 2 Stunden = 400 kWh

Nach Berücksichtigung von Umwandlungsverlusten, Reservekapazität (SOC), Batteriealterung und Betriebsmarge könnte ein System mit einer Kapazität von etwa 500 kWh eine sinnvolle Größe für die Evaluierung darstellen. An einem anderen Standort könnte eine dreistündige Stromlücke von 400 kW bestehen. Dieses Projekt würde bereits vor Hinzurechnung der Auslegungsmargen etwa 1,2 MWh benötigen.

Deshalb sind für die Dimensionierung von Batteriespeichersystemen immer zwei separate Berechnungen erforderlich. Die Leistung in kW oder MW gibt an, welche Last die Batterie tragen muss, während die Energie in kWh oder MWh angibt, wie lange sie diese Last tragen muss.

Wie viel Batteriespeicher benötigt ein kommerzielles Mikronetz?

Es gibt keine Standardbatteriegröße für kommerzielle Mikronetze, aber bestimmte Kapazitätsbereiche treten in realen Projekten immer wieder auf.

Für ein kleines Hotel oder ein gewerbliches Solarprojekt, bei dem der Batteriespeicher hauptsächlich den tagsüber erzeugten PV-Strom in den Abendbetrieb umwandelt, kann eine Anlage mit einer Kapazität von 100–300 kWh ausreichend sein. Eine Anlage mit 500 kWh–1 MWh ist üblicher, wenn das Projekt zusätzlich eine größere Versorgungslücke schließen, den Dieselverbrauch reduzieren oder eine begrenzte Notstromversorgung bereitstellen muss.

Sobald ein Standort den Verbrauch von 1–2 MWh erreicht, wird das Batteriespeichersystem (BESS) üblicherweise in die bestehende elektrische Infrastruktur des Standorts integriert und nicht mehr als eigenständiges Energiespargerät eingesetzt. An diesem Punkt gewinnen die Dimensionierung des Stromversorgungssystems (PCS), die Transformatorkapazität, die Steuerung des Energiemanagementsystems (EMS) und die Erweiterungsplanung an Bedeutung.

Solar + Batteriespeichersystem + Generator ist eine der praktischsten Mikronetzarchitekturen.

Viele kommerzielle Mikronetze basieren auf Solar- und Dieselgeneratoren, da diese beiden Energiequellen gegensätzliche Stärken aufweisen. Solarenergie erzeugt tagsüber kostengünstigen Strom, kann den Standort aber nachts nicht versorgen. Dieselgeneratoren sind jederzeit betriebsbereit, verursachen jedoch hohe Kraftstoff- und Wartungskosten. Batteriespeicher schließen die Lücke zwischen beiden.

Tagsüber kann die Photovoltaikanlage die Last versorgen und das Batteriespeichersystem (BESS) laden. Abends kann die Batterie den Standort weiterhin mit Strom versorgen, ohne dass der Generator sofort anspringen muss. Erreicht die Batterie ihren minimalen Betriebsladezustand (SOC), kann der Generator gemäß der Energiemanagementstrategie (EMS) starten und die Last versorgen oder die Batterie wieder aufladen.

Das Ergebnis ist nicht zwangsläufig ein dieselfreies System. In vielen kommerziellen Anwendungen liegt das praktischere Ziel darin, die Generatorlaufzeit zu verkürzen und den Generator effizienter zu betreiben.

Eine vereinfachte Architektur lässt sich wie folgt darstellen:

Solar-PV + Netz + Generator → Energiemanagementsystem → Batteriespeichersystem + Verbraucher

Das Energiemanagementsystem (EMS) steuert, wann die Batterie geladen und entladen wird und wann der Generator läuft. In komplexeren Projekten kann es auch Netzbezugsgrenzen, Leistungsgebühren, zeitabhängige Tarife und Prioritäten für kritische Lasten verwalten.

GSL ENERGY kommerzielle Mikronetzlösungen sind auf diese Art von Multi-Source-Energiearchitektur ausgelegt, bei der Batteriespeicher in die erneuerbare Energieerzeugung, Generatoren und den Verbrauch vor Ort integriert werden und nicht als isoliertes Gerät behandelt werden.

Wie Batteriespeicher die Generatorlaufzeit verkürzen können

Die Reduzierung des Dieselverbrauchs ist einer der wichtigsten wirtschaftlichen Gründe für die Installation eines Batteriespeichersystems (BESS) in Projekten mit schwachem Stromnetz und in abgelegenen Gebieten. Ein Generator wird oft so dimensioniert, dass er den maximalen Bedarf des Standorts deckt, obwohl die Spitzenlast möglicherweise nur kurz am Tag auftritt.

In Zeiten geringerer Last kann der Generator viele Stunden weit unterhalb seines optimalen Wirkungsgrades arbeiten. Batteriespeicher verändern dieses Betriebsmuster. Anstatt den Generator permanent laufen zu lassen, kann das Mikronetz in Zeiten geringerer Nachfrage Solar- und Batteriestrom nutzen und den Generator nur dann starten, wenn der Ladezustand der Batterie, die Last oder die Betriebsbedingungen dies erfordern.

Beispielsweise konnte ein abgelegenes Gewerbeobjekt bisher einen Generator 20 Stunden am Tag betreiben. Nach der Installation einer ausreichenden Photovoltaikanlage und eines Batteriespeichers muss der Generator möglicherweise nur noch bei längeren Perioden mit geringer Sonneneinstrahlung, bei außergewöhnlich hohem Strombedarf oder wenn der Batteriespeicher seine Mindestreserve erreicht, laufen.

Die genaue Kraftstoffeinsparung muss stets anhand der tatsächlichen Wirkungsgradkurve des Generators, des Kraftstoffpreises, der Solarenergieeinspeisung, der Standortlast und der Batteriebetriebsstrategie berechnet werden. Ein seriöser Projektvorschlag sollte nicht einen einheitlichen Prozentsatz für die Kraftstoffeinsparung auf alle Standorte anwenden.

Das Funktionsprinzip ist jedoch klar: Weniger Betriebsstunden des Generators können den Kraftstoffverbrauch, die Wartungsintervalle und den Verschleiß der Geräte verringern.

Reale Mikronetzprojekte zeigen, warum Systemdesign wichtig ist.

Um die Batteriespeicherung in kommerziellen Mikronetzen zu verstehen, ist es am besten, sich anzusehen, wie verschiedene Projekte die gleichen Basistechnologien auf unterschiedliche Weise einsetzen.

Im Jemen unterstützte GSL ENERGY ein Wasserinfrastrukturprojekt mit einem Hochvoltbatteriespeicher von ca. 2,49 MWh, mehreren 80-kVA-Hybridwechselrichtern, einer großen Photovoltaikanlage und einem energiemanagementsystembasierten System. Das System wurde für schwache Stromnetzbedingungen und die Notwendigkeit eines zuverlässigen Betriebs der kritischen Wasserinfrastruktur konzipiert.

In Sabah, Malaysia, versorgt ein kleineres Solar-Mini-Netz mit 50 kW / 120 kWh Speicherkapazität eine ländliche Gemeinde mit 45 Haushalten. Obwohl die Kapazität deutlich geringer ist, ist das Funktionsprinzip ähnlich: Solarstromerzeugung, Batteriespeicher und lokale Verbraucher werden als ein System koordiniert und nicht separat verwaltet.

Ein weiteres abgelegenes Energieprojekt im peruanischen Amazonasgebiet nutzt einen Batteriespeicher von ca. 500 kWh an einem Standort, der nur nach mehrtägigem Flusstransport erreichbar ist. Bei solchen Projekten sind Logistik, einfache Installation, Fernüberwachung und Systemzuverlässigkeit ebenso wichtig wie die nominelle Batteriekapazität.

Diese Projekte verdeutlichen, warum ein kommerzielles Mikronetz nicht allein auf Basis der Batteriekapazität konzipiert werden kann. Klima, Transport, Netzqualität, Generatorstrategie, lokale Versorgungsbedingungen und Solarenergie können die endgültige Systemarchitektur beeinflussen.

Modulare Batteriespeichersysteme erleichtern zukünftige Erweiterungen.

Der Strombedarf von Gewerbebetrieben bleibt selten konstant. Eine Fabrik kann eine neue Produktionslinie in Betrieb nehmen, ein Hotel kann weitere Ladestationen für Elektrofahrzeuge installieren, ein Rechenzentrum kann einen zusätzlichen Serverraum in Betrieb nehmen oder ein abgelegener Standort kann seine Photovoltaik-Kapazität nach dem ersten Betriebsjahr erhöhen.

Bei solchen Projekten kann der Einsatz modularer Batteriespeicher die Notwendigkeit reduzieren, die endgültige Fünfjahreskapazität bereits am ersten Tag zu installieren.

Ein C&I-Schaltschrank der 125-kW-/261-kWh-Klasse kann beispielsweise die grundlegende Skalierungslogik veranschaulichen:

Diese Architekturform kann für Industriestandorte, an denen mit zukünftigem Lastwachstum zu rechnen ist, von Nutzen sein. Eine Erweiterung muss jedoch von Anfang an geplant werden.

Der Generalunternehmer sollte bestätigen, ob Transformator, Schaltanlage, PCS-Architektur, EMS und Standortanschluss später eine zusätzliche Batteriekapazität unterstützen. Das Hinzufügen von Schaltschränken ist nur dann unkompliziert, wenn die übrige Elektroplanung bereits eine zukünftige Erweiterung ermöglicht.

Netzgekoppelte und netzunabhängige Mikronetze benötigen unterschiedliche Designs.

Ein netzgekoppeltes kommerzielles Mikronetz kann im Normalbetrieb auf das öffentliche Stromnetz als Spannungs- und Frequenzreferenz zurückgreifen. Ein netzunabhängiges System kann dies nicht, was sowohl die Auswahl des PCS als auch die Regelungsstrategie beeinflusst.

In einem Inselnetz muss das Batteriesystem möglicherweise die lokale Spannung und Frequenz einstellen, das Starten und Stoppen des Generators koordinieren und einen stabilen Betrieb aufrechterhalten, während sich die PV-Erzeugung und die Lasten ändern.

EPCs müssen daher mehr als nur die Batteriekapazität bestätigen. Wichtige Designfragen können beispielsweise sein:

• PCS-Betriebsmodus
• Fähigkeit zur Netzbildung, wo erforderlich
• Transferstrategie
• STS- oder ATS-Anforderungen
• Schwarzstartfähigkeit
• Generatorkommunikation
• Mindestreserve SOC
• Prioritäten für Lastabwurf

Ein System, das ausschließlich für die Spitzenlastabdeckung im Netzbetrieb ausgelegt ist, sollte niemals ohne Bestätigung dieser Anforderungen als voll netzunabhängig angesehen werden.

Was EPCs vor der Anforderung eines Angebots für ein Microgrid-Batteriespeichersystem bereitstellen sollten

Die Qualität des endgültigen BESS-Vorschlags hängt in der Regel von der Qualität der zu Beginn bereitgestellten Projektinformationen ab.

Anhand dieser Informationen kann der Batterielieferant das Projekt als Energiesystem bewerten, anstatt einfach nur einen Standardschrank anzubieten.

Worauf sollten Käufer neben dem Batteriepreis noch achten?

Bei kommerziellen Mikronetzprojekten entscheidet selten allein der Batteriepreis über Erfolg oder Misserfolg. Eine kostengünstige Batterie kann sich als teuer erweisen, wenn der Projektentwickler später feststellt, dass der Lieferant das erforderliche Kommunikationsprotokoll, die Generatorschnittstelle, die EMS-Dokumentation oder die Unterstützung bei der Inbetriebnahme nicht bereitstellen kann.

Bei der Beschaffung von Mikronetzen sollten Käufer auch Folgendes vergleichen:

• PCS-Kompatibilität
• Netzgebundene und netzunabhängige Leistungsfähigkeit
• EMS-Funktionen
• Generatorintegration
• Brandschutz
• Kühlkonzept
• Kommunikationsprotokolle
• Zertifizierung
• Technische Dokumentation
• Unterstützung bei der Inbetriebnahme
• Fernüberwachung
• Garantie
• Lokaler Kundendienst

Dies ist besonders wichtig für Projekte im Bereich von 500 kWh bis 5 MWh. Bei dieser Größenordnung wird das Batteriespeichersystem Teil der elektrischen Infrastruktur des Standorts, sodass das Integrationsrisiko oft wichtiger ist als die letzten paar Dollar pro Kilowattstunde.

Kommerzielle Mikronetze werden zu einer Entscheidung im Bereich der Energieinfrastruktur

Die leistungsstärksten kommerziellen Mikronetzprojekte werden heutzutage nur noch aus einem einzigen Grund realisiert: Eine Fabrik benötigt möglicherweise mehr Strom, als das lokale Stromnetz derzeit liefern kann. Ein Hotel möchte eventuell mehr eigenen Solarstrom nutzen. Ein Rechenzentrum benötigt möglicherweise eine höhere Ausfallsicherheit. Ein landwirtschaftlicher Betrieb versucht möglicherweise, den Dieselverbrauch zu reduzieren.

Batteriespeicher können all diese Ziele unterstützen, aber nur, wenn sie als Teil des übergeordneten Stromversorgungssystems konzipiert sind. Das ist der Hauptunterschied zwischen dem Kauf einer Batterie und dem Aufbau eines Mikronetzes.

Ein gut konzipiertes kommerzielles Mikronetz vereint Erzeugung, Speicherung, Netz, Generator und Steuerung und legt fest, wie die einzelnen Ressourcen im Laufe des Tages genutzt werden sollen.

Für EPC-Unternehmen, Projektentwickler und Firmen, die einen ganzheitlichen Systemansatz benötigen, sollten Sie die Angebote von GSL ENERGY erkunden. industrielle und kommerzielle Mikronetzlösungen für netzgekoppelte, Backup- und netzunabhängige Anwendungen.

Planen Sie ein kommerzielles Mikronetz-Batteriespeicherprojekt?

Für eine erste technische Bewertung bereiten Sie bitte folgende Projektinformationen vor:

Land | Anwendung | Spitzenlast | Netzkapazität | PV-Kapazität | Kritische Last | Backup-Dauer | Generatorleistung | Netzspannung | Erwartete Erweiterung

Mithilfe dieser Eingangsdaten können der erforderliche PCS-Leistungsbedarf, die Batteriekapazität, die Betriebsdauer, die netzgekoppelte oder netzunabhängige Architektur, die Generatorstrategie und zukünftige Erweiterungsmöglichkeiten bewertet werden.

Das richtige Batteriespeichersystem sollte anhand der Betriebsanforderungen des Standorts ausgewählt werden – nicht anhand einer bevorzugten Batteriekapazität.