Welche Einsatzmöglichkeiten und welche Zusammensetzung haben Batteriespeichersysteme in der Photovoltaik?

Mit dem Fortschritt der Photovoltaik-Technologie können Solaranlagen direkt ins Stromnetz integriert werden. Allerdings kann die Netzanbindung von Photovoltaikanlagen ohne Energiespeicherung negative Auswirkungen auf die Stromqualität und die Betriebsführung haben, weshalb der Einsatz von Energiespeichern notwendig ist. Heute befassen wir uns mit dem Einsatz und der Bedeutung von Batteriespeichersystemen in der Photovoltaik.

• Stabiles System

In Photovoltaik-Kraftwerken unterscheiden sich Leistungs- und Lastkurve deutlich und unterliegen unvorhergesehenen Schwankungen. Wird die Energie jedoch in einem Energiespeichersystem gespeichert oder durch dieses gepuffert, kann das Photovoltaik-Kraftwerk auch bei starken Lastschwankungen eine stabile elektrische Leistung erbringen und einen stabilen Betrieb gewährleisten.

• Energiereserve

Bei Störungen der Photovoltaikanlage kann die elektrische Energie im Energiespeichersystem als Notstromversorgung und Übergangslösung dienen. Erzeugt die Batterieanlage nachts oder an Regentagen keinen Strom, fungiert das Batteriespeichersystem als Notstromversorgung und Übergangslösung. Seine Speicherkapazität richtet sich nach dem Strombedarf.

• Zuverlässige Qualität

Bei hohen Spitzenwerten der Lastspannung, Spannungsabfällen oder starken Schwankungen im Stromnetz aufgrund externer Störungen kann das Energiespeichersystem deren Auswirkungen auf das Photovoltaik-Stromerzeugungssystem wirksam verhindern und so die Zuverlässigkeit und Ausgangsqualität des Photovoltaik-Stromerzeugungssystems gewährleisten.

Das Energiespeichersystem besteht aus Batterien, elektrischen Komponenten, mechanischen Trägern, Heiz- und Kühlsystemen (Thermomanagementsystemen), bidirektionalen Energiespeicherumrichtern (PCS), Energiemanagementsystemen (EMS) und Batteriemanagementsystemen (BMS). Die Batterien werden angeordnet, verbunden und zu einem Batteriemodul zusammengebaut. Dieses Modul wird anschließend zusammen mit den anderen Komponenten in einem Gehäuse befestigt und zu einem Batterieschrank montiert. Im Folgenden werden die wichtigsten Komponenten vorgestellt.

• Akku

Die in Energiespeichersystemen verwendeten Energiespeicherbatterien unterscheiden sich von Leistungsspeicherbatterien. Vergleicht man dies mit Profisportlern, so sind Leistungsspeicherbatterien wie Sprinter: Sie verfügen über eine hohe Explosivkraft und können in kurzer Zeit viel Energie abgeben. Energiespeicherbatterien hingegen sind eher mit Marathonläufern vergleichbar: Sie zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte aus und ermöglichen eine längere Nutzungsdauer mit einer einzigen Ladung. Ein weiteres Merkmal von Energiespeicherbatterien ist ihre lange Lebensdauer, die für Energiespeichersysteme von großer Bedeutung ist. Die Beseitigung von Lastspitzen zwischen Tag und Nacht ist das Hauptanwendungsgebiet von Energiespeichersystemen, und die Betriebsdauer des Produkts beeinflusst direkt die Rentabilität des Projekts.

• Wärmemanagement

Vergleicht man die Batterie mit dem Körper des Energiespeichersystems, so ist das Wärmemanagementsystem dessen „Kleidung“. Batterien benötigen, genau wie Menschen, eine angenehme Umgebungstemperatur (23–25 °C), um optimal zu funktionieren. Steigt die Betriebstemperatur der Batterie über 50 °C, verringert sich ihre Lebensdauer rapide. Bei Temperaturen unter -10 °C schaltet die Batterie in den Energiesparmodus und ist nicht mehr funktionsfähig.

Anhand des unterschiedlichen Verhaltens der Batterie bei hohen und niedrigen Temperaturen lässt sich erkennen, dass die Lebensdauer und Sicherheit des Energiespeichersystems bei hohen Temperaturen stark beeinträchtigt werden, während es bei niedrigen Temperaturen vollständig ausfällt. Die Aufgabe des Wärmemanagements besteht darin, dem Energiespeichersystem entsprechend der Umgebungstemperatur eine optimale Betriebstemperatur zu gewährleisten und so die Lebensdauer des Gesamtsystems zu verlängern.

• Batteriemanagementsystem (BMS)

Das Batteriemanagementsystem (BMS) fungiert als zentrale Steuereinheit des Batteriesystems. Es bildet die Schnittstelle zwischen Batterie und Nutzer. Hauptsächlich dient es der Optimierung der Batterieauslastung und dem Schutz vor Überladung und Tiefentladung. Es erfasst den Ladezustand (SOC) des Systems, steuert das Thermomanagementsystem, überwacht die Isolationszustände und sorgt für einen ausgeglichenen Ladezustand der Batterien. Sicherheit sollte bei der Entwicklung eines BMS von Anfang an oberste Priorität haben. Gemäß dem Prinzip „Prävention vor Kontrolle“ gewährleistet es die Sicherheit von Energiespeichersystemen durch systematische Sicherheitsmaßnahmen.

• Bidirektionaler Energiespeicherwandler (PCS)

Tatsächlich sind Energiespeicherwandler im Alltag weit verbreitet. Die Funktion eines Handy-Ladegeräts besteht darin, den 220-V-Wechselstrom der Haushaltssteckdose in den für den Akku des Handys benötigten 5-10-V-Gleichstrom umzuwandeln. Dies entspricht dem Prinzip, nach dem das Energiespeichersystem den Wechselstrom in den für den Akku benötigten Gleichstrom umwandelt.

Das PCS im Energiespeichersystem kann man sich als überdimensioniertes Ladegerät vorstellen, unterscheidet sich aber vom Ladegerät eines Mobiltelefons durch seine Bidirektionalität. Das bidirektionale PCS fungiert als Brücke zwischen dem Batteriespeicher und dem Stromnetz. Einerseits wandelt es den Wechselstrom am Netz in Gleichstrom um, um den Batteriespeicher zu laden, andererseits wandelt es den Gleichstrom des Batteriespeichers wieder in Wechselstrom um, der ins Netz zurückgespeist wird.

• Energiemanagementsystem (EMS)

Das Energiemanagementsystem (EMS) dient dazu, die Informationen aller Teilsysteme des Energiespeichersystems zusammenzufassen, den Betrieb des Gesamtsystems umfassend zu steuern und entsprechende Entscheidungen für einen sicheren Betrieb zu treffen. Das EMS lädt die Daten in die Cloud hoch und stellt den Betreibern operative Tools zur Verfügung. Gleichzeitig ermöglicht das EMS die direkte Interaktion mit den Nutzern. Das Betriebs- und Wartungspersonal kann den Betriebszustand des Energiespeichersystems in Echtzeit über das EMS überprüfen und so die Überwachung durchführen.

Immer mehr Unternehmen und Privathaushalte nutzen heute Batteriespeichersysteme, um wichtige Dienstleistungen zur Aufrechterhaltung der Netzstabilität zu erbringen. Energieversorger werden weiterhin auf immer komplexere Tarifstrukturen drängen, die ihre Kosten und die Umweltauswirkungen der Stromversorgung genauer widerspiegeln. Und da der Klimawandel zu extremen Wetterereignissen und Stromausfällen führt, werden Wert und Bedeutung von Batteriespeichern deutlich zunehmen.

Darüber hinaus sollten, unterstützt durch die nationale Politik der energischen Förderung der dezentralen Photovoltaik-Stromerzeugung, die Forschung und der Demonstrationsbetrieb von mit Energiespeichersystemen ausgestatteten Dach-Photovoltaikanlagen aktiv vorangetrieben, die potenzielle Marktnachfrage nach gemeinschaftlichen Energiespeichersystemen erschlossen und der Markt für dezentrale Photovoltaik-Speicherkraftwerke erforscht werden, um die nachhaltige Entwicklung der Energiespeicherbranche zu realisieren.