Dimensionierung von Energiespeichersystemen für Gewerbe und Industrie: Leistung, Kapazität und Laufzeit erklärt

In unserem vorherigen Artikel „Was ist kommerziell & Industrielle Energiespeicherung (C&I ESS)? – Ein umfassender Leitfaden mit Fragen und Antworten: GSL ENERGY erläutert die Grundlagen der Energiespeicherung für Gewerbe und Industrie. Sobald die grundlegenden Konzepte verstanden sind, stellt sich die nächste praktische Frage: Wie sollte ein Energiespeichersystem für Gewerbe und Industrie dimensioniert werden? In diesem Artikel beleuchtet GSL ENERGY, ein professioneller Hersteller von Energiespeichersystemen für Gewerbe und Industrie, die wichtigsten Faktoren und Berechnungsmethoden für die Systemdimensionierung.

Die Dimensionierung eines Energiespeichersystems für Gewerbe und Industrie ist komplexer als die einfache Auswahl von Nennleistung und Batteriekapazität. Sie erfordert die Bewertung des Lastprofils des Standorts, der Betriebsziele, der Netzanschlussbedingungen, der vor Ort vorhandenen erneuerbaren Energieerzeugung und der erforderlichen Notstromdauer.

Die korrekte Dimensionierung des Systems ist entscheidend. Ist das System unterdimensioniert, kann es Lastspitzen möglicherweise nicht effektiv abfangen oder kritische Verbraucher nicht über den erforderlichen Zeitraum versorgen. Ist es überdimensioniert, erfordert das Projekt höhere Anfangsinvestitionen, und ein Teil der Batteriekapazität bleibt unter Umständen über lange Zeiträume ungenutzt.

Dieser Leitfaden hilft EPC-Auftragnehmern und Projektentwicklern, den erforderlichen PCS-Leistungsbedarf, die Batteriekapazität und die Systemlaufzeit abzuschätzen, bevor sie ein detailliertes Angebot für Energiespeicher anfordern.

Beginnen Sie mit dem Projektziel.

Dieselbe Anlage kann je nach den Systemanforderungen des Betreibers sehr unterschiedliche Batteriekonfigurationen erfordern. Definieren Sie vor der Geräteauswahl den primären Anwendungsfall und priorisieren Sie alle sekundären Ziele.

Zu den gängigen Zielen der Energiespeicherung im Gewerbe- und Industriebereich gehören:

• Reduzierung der Spitzenlast und der Bedarfsgebühren;
• Verlagerung des Stromverbrauchs von Hochpreis- in Niedrigpreiszeiten;
• Steigerung des Vor-Ort-Verbrauchs von Solarenergie;
• Aufrechterhaltung kritischer Betriebsabläufe bei Stromausfällen;
• Begrenzung der Leistungsaufnahme aus einem begrenzten Netzanschluss;
• Unterstützung des Ladens von Elektrofahrzeugen oder anderer Hochleistungslasten;
• Teilnahme an Lastmanagement-Maßnahmen oder anderen Netzdienstleistungen;
• Stabilisierung eines Mikronetzes mit intermittierender erneuerbarer Energieerzeugung.

Eine Batterie, die hauptsächlich für kurzzeitige Lastspitzen ausgelegt ist, benötigt möglicherweise eine relativ hohe Nennleistung, aber eine begrenzte Energiekapazität. Ein System, das mehrere Stunden Notstromversorgung bereitstellen soll, benötigt in der Regel eine deutlich höhere Batteriekapazität, selbst wenn die Nennleistung ähnlich ist.

Verstehen Sie den Unterschied zwischen kW und kWh

Leistung und Energie beschreiben zwei unterschiedliche Aspekte eines Batteriespeichersystems.

Kilowatt (kW) geben an, wie viel Leistung das System zu einem bestimmten Zeitpunkt laden oder abgeben kann. Diese Nennleistung wird üblicherweise durch die Spitzenlast der Anlage, die angestrebte Netzkapazität und die maximal zu erwartende Leistungsschwankung bestimmt.

Kilowattstunden (kWh) geben an, wie viel Energie die Batterie speichern und über einen bestimmten Zeitraum abgeben kann. Dies bestimmt, wie lange das System die erforderliche Leistung aufrechterhalten kann.

Beispielsweise kann ein 125-kW/261-kWh-System unter Nennbetriebsbedingungen bis zu 125 kW liefern. Teilt man 261 kWh durch 125 kW, ergibt sich eine nominale Betriebsdauer von ca. 2,1 Stunden. Die tatsächliche Betriebsdauer hängt von der nutzbaren Entladetiefe, dem Wirkungsgrad, der Betriebstemperatur, den Reserveeinstellungen und der Systemsteuerung ab.

Daher müssen beide Werte unabhängig voneinander berechnet werden.

Informationen, die vor der Größenbestimmung benötigt werden C&I BESS

Die Qualität des Systemdesigns hängt von der Qualität der Standortdaten ab. Idealerweise sollte das Projektteam mindestens 12 Monate an Stromverbrauchsdaten und Intervallmessungen mit einer Auflösung von 15 oder 30 Minuten erfassen.

• Der Ausgangsdatensatz sollte Folgendes enthalten:
• monatlicher Stromverbrauch;
• maximale Nachfrage und die vom Versorgungsunternehmen verwendete Berechnungsmethode;
• Lastkurven für Wochentage und Wochenenden;
• saisonale Lastschwankungen;
• Stromtarife und zeitabhängige Tarife;
• bestehende oder geplante Photovoltaik-Kapazität;
• Daten zur Solarstromproduktion und zum Solarexport, sofern verfügbar;
• Netzanschlusskapazität;
• Listen kritischer und nicht kritischer Lasten;
• erwartete Backup-Dauer;
• verfügbarer Installationsbereich und Umgebungsbedingungen;
• geplante Produktionslinien, Ladegeräte oder andere zukünftige Lasten.

Monatliche Stromrechnungen allein geben selten Aufschluss darüber, wie lange eine Bedarfsspitze anhält. Intervalldaten sind besonders wichtig, um zu entscheiden, ob ein Standort ein Kurzzeit-Batteriesystem für zwei oder vier Stunden benötigt.

Schritt 1: Berechnen Sie die benötigte PCS-Leistung

Das Energiewandlungssystem muss in der Lage sein, die am Standort benötigte Lade- und Entladeleistung zu erbringen. Die geeignete Methode hängt von der jeweiligen Anwendung ab.

PCS-Leistung für Spitzenrasur

Für ein Projekt zur Spitzenlastkappung kann der anfängliche Leistungsbedarf wie folgt berechnet werden:

Erforderliche Entladeleistung (kW) = Spitzenlast am Standort − Zielnetzbedarf

Wenn eine Fabrik eine Leistung von 320 kW erreicht und die Netzlast unter 200 kW halten möchte:

320 kW − 200 kW = 120 kW

Das Speichersystem muss daher in der Lage sein, während der Spitzenlast mindestens 120 kW bereitzustellen. Ein 125-kW-PCS wäre technisch gut geeignet, vorbehaltlich einer detaillierten Prüfung der Lastschwankungen, der Reaktionszeit und der Betriebsreserve.

PCS-Stromversorgung für den Notstrombetrieb

Für die Notstromversorgung müssen die gleichzeitigen Leistungsanforderungen aller kritischen Verbraucher addiert werden. Motoren, Pumpen, Kompressoren und Klimaanlagen können hohe Anlaufströme ziehen, daher müssen deren Anlaufeigenschaften überprüft werden, anstatt sich nur auf die Nennleistung zu verlassen.

Beträgt die kritische Gesamtlast 90 kW, muss das PCS diese Last dauerhaft mindestens unterstützen. Zusätzliche Leistungsreserven können für Anlaufleistung, Laständerungen und zukünftige Erweiterungen erforderlich sein.

PCS-Stromversorgung für Solarenergiemanagement

Bei Projekten zur Eigenversorgung mit Solarstrom muss das Stromspeichersystem (PCS) den erwarteten PV-Überschuss aufnehmen, ohne seine Ladegrenze zu überschreiten. Das Projektteam sollte die mittägliche Einspeisung von Strom, die Ladezeit der Batterie und den abendlichen Strombedarf des Standorts vergleichen.

Eine Erhöhung der Batteriekapazität ohne ausreichende Ladeleistung kann dazu führen, dass die Batterie den verfügbaren Solarstromüberschuss nicht innerhalb des erforderlichen Zeitfensters auffangen kann.

Schritt 2: Berechnen Sie die erforderliche Batteriekapazität

Sobald der Leistungsbedarf bekannt ist, muss berechnet werden, wie lange die Batterie diese Leistung aufrechterhalten muss.

Eine grundlegende Energieberechnung lautet:

Erforderliche Lieferenergie (kWh) = Erforderliche Leistung (kW) × Betriebsdauer (Stunden)

Wenn das System zwei Stunden lang 120 kW liefern muss:

120 kW × 2 Stunden = 240 kWh

Die benötigte Liefermenge von 240 kWh entspricht jedoch nicht unbedingt der Nennkapazität der Batterie. Eine realistische Auslegung muss die nutzbare Entladetiefe und den Wirkungsgrad des Systems berücksichtigen.

Erforderliche Nennkapazität = Erforderliche abgegebene Energie ÷ (Nutzbare Entladetiefe × Systemwirkungsgrad)

Unter Verwendung vorläufiger Planungsannahmen von 90 % nutzbarer Abflusstiefe und 92 % Systemeffizienz:

240 kWh ÷ (0,90 × 0,92) = ungefähr 290 kWh

Diese Prozentsätze dienen als Beispiele für eine erste Schätzung. Für die endgültigen Berechnungen müssen die zertifizierten Daten, die Garantiebedingungen und die Betriebsgrenzen der ausgewählten Batterie und des PCS berücksichtigt werden.

Schritt 3: Wählen Sie die geeignete Lagerdauer.

Die Speicherdauer beschreibt das Verhältnis zwischen Batteriekapazität und Entladeleistung. Die optimale Speicherdauer hängt von der Dauer des Geschäftsproblems ab, das die Batterie lösen soll.

Ein Vier-Stunden-System ist nicht automatisch besser als ein Zwei-Stunden-System. Die Batteriekapazität sollte auf den tatsächlichen Lastverlauf und den Einsatzplan abgestimmt sein. Dauert die Lastspitze einer Anlage nur 45 Minuten, kann eine Vier-Stunden-Batterie einen Großteil ihrer Kapazität ungenutzt lassen, sofern sie nicht zusätzlich Energiearbitrage, Notstromversorgung oder die Einspeisung erneuerbarer Energien ermöglicht.

Schritt 4: Nutzbare Kapazität und Betriebsreserve berücksichtigen

Die in den Batteriespezifikationen angegebene Nennkapazität entspricht nicht immer der tatsächlich für den Verbraucher verfügbaren Energie. Der Systementwickler sollte Folgendes unterscheiden:

• Nennkapazität der Batterie;
• nutzbare Batteriekapazität;
• Verfügbare Energie nach Abzug der PCS- und Hilfsverluste;
• Notfallreserve, die vom Rettungsdienst unterhalten wird;
• Verfügbare Kapazität am Ende der Projektlaufzeit.

Für Standorte, die eine Notstromversorgung benötigen, kann das Energiemanagementsystem (EMS) einen Mindestladezustand aufrechterhalten, anstatt die gesamte Batteriekapazität für die tägliche Tarifoptimierung zu nutzen. Beispielsweise reduziert die Reservierung von 20 % der Batteriekapazität für Stromausfälle die für die Spitzenlastabdeckung im Normalbetrieb verfügbare Energie.

Die Regelungsstrategie muss daher bereits bei der Dimensionierung berücksichtigt werden und darf nicht erst nach der Auswahl der Geräte hinzugefügt werden.

Schritt 5: Verschlechterung und zukünftige Erweiterung berücksichtigen

Die Batteriekapazität nimmt im Laufe der Zeit durch Alterung und Ladezyklen allmählich ab. Ein System, das nur für das erste Jahr ausgelegt ist, erfüllt möglicherweise im weiteren Projektverlauf nicht mehr die volle Laufzeitanforderung.

• Die Designprüfung sollte Folgendes berücksichtigen:
• die erforderliche Kapazität am Ende der Garantiezeit;
• erwartete Zyklen pro Tag;
• durchschnittliche und maximale Abflusstiefe;
• Betriebstemperatur;
• Lade- und Entladeleistung;
• die Restkapazitätsgarantie des Herstellers;
• ob eine zukünftige Erweiterung technisch und wirtschaftlich machbar ist.

Die Erweiterungsplanung ist auch für wachsende Fabriken, Gewerbegebiete und Ladestationen für Elektrofahrzeuge wichtig. Ein modulares System kann spätere Kapazitätserweiterungen vereinfachen, jedoch müssen die Kompatibilität zwischen alten und neuen Batterieclustern, die Grenzen der Stromversorgungssysteme, die Schaltanlagenkapazität und die Standortplanung im Vorfeld geprüft werden.

Beispielrechnung: Dimensionierung eines werksseitigen Spitzenabrasionssystems

Betrachten wir eine Fabrik mit folgenden vorläufigen Daten:

• Aufgezeichnete Spitzenlast: 320 kW;
• Zielnetzbedarf: 200 kW;
• typische Spitzenzeit: zwei Stunden;
• In der ersten Berechnung ist keine Reserve enthalten;
• Vorläufig nutzbare Abflusstiefe: 90 %;
• Vorläufige Systemeffizienz: 92%.

1. Entladeleistung berechnen

320 kW − 200 kW = 120 kW

Das PCS sollte mindestens 120 kW liefern, daher ist ein 125-kW-System ein logischer Ausgangspunkt.

2. Berechnen Sie die abgegebene Energie

120 kW × 2 Stunden = 240 kWh

3. Für nutzbare Tiefe und Effizienz anpassen.

240 kWh ÷ (0,90 × 0,92) = ca. 290 kWh Nennkapazität

In diesem vereinfachten Szenario kann ein 261-kWh-System die volle Spitzenlast von 120 kW für weniger als zwei Stunden regeln oder das Ziel erreichen, wenn die tatsächliche Last während der Spitzenlastzeit sinkt. Ein 418-kWh-System bietet eine größere Energiereserve und kann zudem eine Notstromversorgung, eine längere Spitzenlastregelung oder zukünftiges Lastwachstum unterstützen.

Die endgültige Wahl sollte durch Simulation des gesamten Intervalllastprofils validiert werden, anstatt nur den einzelnen Maximalbedarfswert zu verwenden.

125 kW/261 kWh oder 125 kW/418 kWh: Welche Konfiguration passt?

GSL ENERGY bietet flüssigkeitsgekühlte C&I-Konfigurationen an, die hinsichtlich verschiedener Lastdauern und Betriebsziele bewertet werden können.

Projektentwickler können die 125 kW/261 kWh flüssigkeitsgekühltes Energiespeichersystem und die 125 kW/418 kWh flüssigkeitsgekühltes Batteriespeichersystem als Referenzkonfigurationen. Die Produktauswahl sollte weiterhin auf projektspezifischen elektrischen und Betriebsdaten basieren.

Dimensionierung für den Eigenverbrauch von Solarenergie

Bei einem Solar-Plus-Speicher-Projekt sollte man mit der PV-Energie beginnen, die andernfalls exportiert oder eingeschränkt werden müsste.

Eine vorläufige Schätzung der Tageskapazität lautet:

Erforderliche nutzbare Batteriekapazität = Täglicher Überschuss an Solarenergie, der für die Speicherung vorgesehen ist

Angenommen, ein Gewerbebetrieb exportiert zwischen spätem Vormittag und frühem Nachmittag etwa 300 kWh, während der Betrieb am Abend die gleiche Menge verbraucht. Vor Berücksichtigung von Umwandlungsverlusten, Reserveeinstellungen und saisonalen Schwankungen kann eine Batterie mit einer nutzbaren Kapazität von etwa 300 kWh in Betracht gezogen werden.

Die Ladeleistung des PCS muss ebenfalls ausreichend sein. Steht der Überschuss von 300 kWh nur über zwei Stunden zur Verfügung, muss das System durchschnittlich 150 kW aufnehmen. Ein 125-kW-PCS würde nur einen Teil dieses Überschusses nutzen, es sei denn, das Ladefenster ist länger, das Exportprofil weniger konzentriert oder es werden mehrere Systeme verwendet.

Dies verdeutlicht, warum Batteriekapazität und PCS-Leistung gemeinsam bewertet werden müssen.

Dimensionierung der Notstromversorgung

Die Dimensionierung der Backup-Lösung beginnt mit einem kritischen Lastplan und nicht mit der gesamten angeschlossenen Last der Anlage.

Die Grundrechnung lautet:

Erforderliche Lieferenergie = Kritische Last × Erforderliche Backup-Zeit

Wenn eine Anlage drei Stunden lang kritische Lasten von 80 kW unterstützen muss:

80 kW × 3 Stunden = 240 kWh gelieferte Energie

Die Nennkapazität der Batterie muss anschließend an die nutzbare Entladetiefe, den Wirkungsgrad, die Reservekapazität und die Alterung angepasst werden. Das System muss zudem im Inselbetrieb arbeiten, ein stabiles Mikronetz aufbauen oder diesem folgen und gegebenenfalls mit Generatoren, Solarwechselrichtern und Übertragungseinrichtungen zusammenarbeiten können.

Eine Batterie mit korrekter kWh-Dimensionierung kann als Notstromversorgung dennoch versagen, wenn das PCS, die Übertragungsarchitektur oder die Motorstartfähigkeit unzureichend sind.

Häufige Fehler bei der Dimensionierung von Energiespeichern für Gewerbe und Industrie

Verwendung monatlicher Verbrauchsdaten anstelle von Intervalldaten

Zwei Anlagen mit gleichem monatlichen Stromverbrauch können sehr unterschiedliche Lastspitzen aufweisen. Monatliche Rechnungen liefern nicht genügend Informationen für eine zuverlässige Lastspitzenkappung.

Die Nennkapazität wird als vollständig nutzbare Energie betrachtet

Die Vernachlässigung der Abflusstiefe, der Umwandlungsverluste und der Reserveeinstellungen kann zu einem unterdimensionierten System führen.

Auswahl von kWh vor der Berechnung von kW

Ein großer Batterieschrank kann einen plötzlichen Lastanstieg nicht bewältigen, wenn sein Leistungsumrichter (PCS) die erforderliche Leistung nicht liefern kann.

Das Ladefenster ignorieren

Das System muss über ausreichend Zeit und verfügbare Netz- oder Solarenergie verfügen, um sich vor dem nächsten Entladeereignis wieder aufzuladen.

Größenangaben nur für das erste Jahr

Lastwachstum und Batteriealterung sollten in die Langzeitplanung einbezogen werden.

Alle Ziele kombinieren, ohne Prioritäten zu setzen

Dieselbe gespeicherte Energie kann nicht immer gleichzeitig für Lastspitzenkappung, Preisarbitrage und Notstromversorgung eingesetzt werden. Die EMS-Strategie und die reservierte Kapazität müssen die Prioritäten des Betreibers widerspiegeln.

Was bei der Beantragung eines C&I BESS-Angebots anzugeben ist

Um ein technisch aussagekräftiges Angebot zu erhalten, geben Sie dem Systemanbieter bitte folgende Informationen:

1. Projektstandort und Installationsumgebung;
2. Netzspannung, Frequenz und Netzanschlusskapazität;
3. mindestens mehrere Wochen an Intervalllastdaten, vorzugsweise 12 Monate;
4. Stromtarif- und Bedarfsgebührenstruktur;
5. bestehende oder geplante Photovoltaik- und Generatorkapazität;
6. erforderliche Backup-Ladungen und Laufzeiten;
7. verfügbarer Installationsbereich;
8. erforderliche Zertifizierungen oder lokale Netzstandards;
9. bevorzugte operative Ziele und deren Priorität;
10. Erwartetes zukünftiges Lastwachstum und Projektzeitplan.

Anhand dieser Informationen kann ein Lieferant die PCS-Leistung, die Batteriekapazität, die Anzahl der Schränke, die Steuerungsstrategie, die elektrische Architektur und den Erweiterungsplan bewerten.

Häufig gestellte Fragen

Wie berechne ich die Größe eines kommerziellen Batteriespeichersystems?

Berechnen Sie zunächst die maximale Lade- oder Entladeleistung in kW. Multiplizieren Sie anschließend die erforderliche Leistung mit der Betriebsdauer, um die abgegebene Energie in kWh zu schätzen. Berücksichtigen Sie abschließend die nutzbare Entladetiefe, den Wirkungsgrad, die Betriebsreserve, die Degradation und zukünftige Erweiterungen.

Ist ein 100-kW/200-kWh-Akku ein Zwei-Stunden-System?

Das nominelle Energie-Leistungs-Verhältnis beträgt zwei Stunden. Die tatsächliche Laufzeit bei 100 kW ist in der Regel kürzer, da nutzbare Leistung, Systemverluste, Reserveeinstellungen und Betriebsbedingungen berücksichtigt werden müssen.

Wie viel Batteriespeicher benötigt eine Fabrik?

Es gibt keine Standardkapazität für jede Fabrik. Der benötigte Speicher hängt vom Lastprofil, dem Zielwert für die Spitzenlast, dem Stromtarif, der Solarstromerzeugung, den kritischen Lasten und der erforderlichen Laufzeit ab.

Sollte die Batteriekapazität dem gesamten täglichen Stromverbrauch entsprechen?

In der Regel nicht. Die meisten gewerblichen und industriellen Batteriesysteme sind für einen bestimmten Lastbereich ausgelegt, beispielsweise für Spitzenlastzeiten, überschüssige Solarstromerzeugung oder kritische Notstromkreise. Eine Auslegung der Batterie auf den gesamten Tagesverbrauch kann zu einer erheblichen Überdimensionierung führen.

Kann ein Energiespeichersystem für Gewerbe und Industrie später erweitert werden?

Viele Systeme unterstützen eine modulare Erweiterung, jedoch müssen bei der ursprünglichen Konstruktion die PCS-Kapazität, die Batteriekompatibilität, die DC-Architektur, die Schaltanlagen, die Kommunikationstechnik, der verfügbare Platz und die Inbetriebnahmeanforderungen berücksichtigt werden.

Ist ein zwei- oder vierstündiges BESS besser für Gewerbe- und Industrieanwendungen?

Die bessere Option ist diejenige, die dem Betriebsziel des Standorts entspricht. Zwei-Stunden-Systeme eignen sich oft für kürzere Lastspitzen und das Tarifmanagement, während Systeme mit längerer Laufzeit besser für die langfristige Verschiebung von Solarstrom, den Betrieb in schwachen Netzen oder die Notstromversorgung geeignet sein können.

Das System basiert auf Betriebsdaten.

Ein erfolgreicher kommerzielles und industrielles Energiespeichersystem Ausgangspunkt sind Standortdaten, nicht eine Standardschrankgröße. Die PCS-Leistung muss dem momentanen Lastbedarf entsprechen, während die Batteriekapazität die erforderliche Laufzeit unter Berücksichtigung von nutzbarer Energie, Wirkungsgrad, Betriebsreserve und langfristiger Leistungsverschlechterung gewährleisten muss.

GSL ENERGY bietet modulare Hochvoltbatterien, flüssigkeitsgekühlte All-in-One-Gehäuse und containerisierte Batteriespeichersysteme für Gewerbe, Industrie und Projekte im Multi-Megawattstunden-Bereich. Projektteams können ihr Lastprofil, ihre Solarkonfiguration, ihre Tarifstruktur und ihre Anforderungen an die Notstromversorgung einreichen, um eine projektspezifische Kapazitätsbewertung und einen Systemvorschlag zu erhalten.