Bidirektionales Laden stärkt BESS-Systeme

Mit der Weiterentwicklung von Industrie und alltäglichem Leben hat sich auch die Art der Energieerzeugung verändert, sodass der Fokus immer stärker auf erneuerbaren Energiequellen liegt, z. B. Solar- und Windenergie.

Batterien haben bei der Anpassung an diesen Trend einen entscheidenden Beitrag geleistet. Für die neuartigen Anwendungen haben sich jedoch ältere Technologien wie Blei-Säure- und Nickel-Cadmium-Batterien als völlig unzureichend erwiesen. Aus diesem Grund werden neue Batterietechnologien kontinuierlich weiterentwickelt. Lithium-Ionen-Batterien haben sich als die derzeit dominierende Technologie durchgesetzt und überzeugen mit einer verbesserten Energiedichte sowie einer höheren Lebensdauer und Zuverlässigkeit. Gleichzeitig werden aber auch kostengünstigere Alternativen zu Lithium-Batterien entwickelt, beispielsweise Natrium-Schwefel-Batterien.

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Was versteht man unter BESS?

Batterie-Energiespeichersysteme (Battery Energy Storage Systems; BESS) sind Systeme, die Batterietechnologie nutzen, um elektrische Energie für die spätere Verwendung zu speichern. In der Regel bestehen sie aus einer Reihe von Batterieeinheiten mit der zugehörigen Leistungselektronik plus Steuerungs- und Sicherheitsanlagen, die insgesamt zur Speicherung, Verwaltung und Abgabe von Energie verwendet werden. Die genannten Komponenten und Anlagen kommen in vielen verschiedenen Anwendungen zum Einsatz und werden häufig in das Stromnetz integriert oder an entfernten Orten genutzt, um bestimmte Funktionen zu ermöglichen, z. B. Lastenausgleich, Spitzenlastabdeckung, Notstromversorgung und netzunabhängige Stromversorgung (Off-Grid).

Anwendungsbereiche von BESS-Systemen

BESS-Systeme werden in modernen erneuerbaren Energiesystemen immer beliebter und sind häufig lokal integriert. BESS-Systeme können in hochproduktiven Zeiten überschüssige Energie speichern und in Phasen mit geringer Produktion wieder ins Netz zurückspeisen – so ist trotz fluktuierender Stromerzeugung eine konstante Stromversorgung gewährleistet. Dies trägt dazu bei, die Stabilität aufrechtzuerhalten, und Spannungsabfälle sowie Stromausfälle zu verhindern, die infolge der verzögerten Reaktion herkömmlicher Stromverteilungsnetze auftreten können. Dadurch werden BESS-Systeme zu einem Kernstück moderner Netzmanagementsysteme.

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BESS-Systeme können auch in mobilen Anwendungen zur Stromversorgung eingesetzt werden, beispielsweise in großen tragbaren Generatoren. Diese eignen sich ideal zur Deckung des temporären Strombedarfs auf Baustellen und an entfernt liegenden Orten, an denen der Zugang zum Stromnetz eingeschränkt ist.

Leistungsumwandlung in BESS-Systemen

Eine der größten Herausforderungen bei BESS-Systemen ist die Ineffizienz herkömmlicher Energietechnologien. Um bei einem BESS-System eine nutzbare Effizienz und Leistungsfähigkeit zu erzielen, mussten Techniker und Ingenieure jahrzehntelang Kompromisse bei Gewicht, Größe und Kosten des endgültigen Designs eingehen. Dies stellte bei stationären Anlagen in der Regel kein ernsthaftes Problem dar – bei mobilen Anwendungen gab es jedoch erhebliche Nachteile. Demgegenüber können moderne Designs von den Vorteilen neuerer Wide-Bandgap-Technologien profitieren, die eine Verringerung von Größe und Gewicht bei gleichzeitiger Steigerung von Effizienz und Leistung ermöglichen.

Herkömmliche Leistungselektronik-Technologien gehen oft mit erheblichen Abmessungen einher, was die Entwicklung von Speicherlösungen mit hoher Dichte erschwert. Diese physische Größe ist auch ein Grund für die hohen Kosten von BESS-Systemen, da oft größere Anlagen benötigt werden, um den aktuellen Energie- und Leistungsbedarf zu decken.

Dies lässt sich zum Teil auf die Bauweise typischer Batterieladegeräte zurückzuführen. Anders als bei modernen bidirektionalen Lösungen können ältere Systeme Strom nur in eine Richtung übertragen: vom AC-Stromnetz zur DC-Batteriespannung. Um den Batteriestrom ins Netz zurückspeisen zu können, ist deshalb ein separater DC-AC-Wechselrichter erforderlich. Diese konstruktiv bedingte Einschränkung erhöht die Kosten, Komplexität und Abmessungen des BESS-Systems.

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Vorteile bidirektionaler Leistungselektronik

Beim bidirektionalen Laden (Bidirectional Charging; BDC) ist der Stromfluss in beide Richtungen möglich: zum Aufladen vom Netz in die Batterie und zum Entladen von der Batterie zurück ins Netz oder zu anderen Verbrauchern. Anders als bei herkömmlichen Energiemanagementsystemen, die separate Leistungsumwandlungsschaltungen für das Auf- und Entladen benötigen, wird beim bidirektionalen Laden nur eine einzige Schaltung benötigt, die sowohl für den AC/DC- als auch für den DC/AC-Betrieb ausgelegt ist.

Gegenüber herkömmlicher, unidirektionaler Leistungselektronik bietet das bidirektionale Laden zahlreiche Vorteile:

• Weniger Platzbedarf, Gewicht, Leistung und Kosten (Size, Weight, Power and Cost; SWaP-C)

• Geringere Komplexität und einfachere Implementierung
• Einfache Parallelschaltung für bessere Skalierbarkeit

BESS-Anwendungen in Netz und mobiler Stromversorgung

Einer der interessantesten Aspekte des bidirektionalen Ladens ist, dass auch bei Geräten und Anlagen, die traditionell nicht dafür ausgelegt sind, die Leistungsrückspeisung ins Netz möglich ist. Da beispielsweise Elektrofahrzeuge (EV) immer beliebter werden, können Netzbetreiber sie als dezentrale Energiespeichersysteme nutzen. In Zeiten mit überschüssiger Energieproduktion können die Elektrofahrzeuge aufgeladen werden. Wenn der Energiebedarf einen Peak erreicht, können die Fahrzeuge zur Netzstabilität beitragen, indem sie die gespeicherte Energie wieder ins Netz zurückspeisen.

Die Vorteile des bidirektionalen Ladens gehen weit über das Netzmanagement hinaus. BDC-Schaltungen können die Leistung von Batteriesystemen im Bereich mobiler Stromversorgungslösungen erheblich verbessern. So werden z. B. in Schiffscontainern Batteriesysteme häufig an entfernt liegenden Orten eingesetzt, um verschiedene Anwendungen mit Strom zu versorgen. Bei den betreffenden Anwendungen ist Platz ein kostbares Gut. Daher ist es wichtig, die Größe der Leistungselektronik zu minimieren, um die Energiedichte des Systems zu maximieren. BDC-Lösungen machen separate Systeme für den Import und Export von Energie überflüssig, was Platz einspart, der für zusätzliche Batteriezellen genutzt werden kann.

Diese Systeme sind so konzipiert, dass sie aufgeladen an entfernte Orte gebracht und dort für einen bestimmten Zeitraum genutzt werden können. Anschließend werden sie zum Wiederaufladen zur Ladestation zurückgebracht. Durch den Einbau von BDC-Schaltungen kann das Gewicht jeder Lade- und Entladeeinheit reduziert werden. So ist es möglich, mehr Batteriezellen zu installieren und die Gesamtenergiekapazität des Systems zu erhöhen.

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Die Zukunft von BESS-Systemen

Der rasante Fortschritt bei den Batterietechnologien hat die Energielandschaft dramatisch verändert. BESS-Systeme spielen hierbei eine entscheidende Rolle: durch Stabilisierung der Stromnetze und Umwandlung erneuerbarer Energien in eine zuverlässige Energiequelle.

Die Integration von BDC-Lösungen in BESS-Systeme ermöglicht es, die Nutzung erneuerbarer Energien zu maximieren und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen gleichzeitig zu minimieren.

BDC-Lösungen in BESS-Systemen bieten zudem erhebliche wirtschaftliche Vorteile. BDC-Lösungen können dazu beitragen, die Gesamtkosten von Energiespeichersystemen zu senken, indem sie die Infrastrukturkosten reduzieren und die Energieeffizienz verbessern. Dies kann wiederum eine höhere Akzeptanz erneuerbarer Energiequellen bewirken, die auf lange Sicht oft kostengünstiger als fossile Brennstoffe sind. (bs)

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