Das Cummins-Whitepaper erläutert die Schlüsselkonzepte hinter BESS

Mit der globalen Energiewende hin zu erneuerbaren Energien gewinnen Batteriespeichersysteme (BESS) in vielen Bereichen an Bedeutung. Auf Baustellen sowie in gewerblichen und industriellen Anwendungen liefern sie sauberen, emissionsfreien Strom und vermeiden gleichzeitig eine weitere Emissionsart: Lärm.

„Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) haben sich als zentrale Technologie im modernen Energiemanagement etabliert. Sie bieten eine Lösung für die schwankende Verfügbarkeit erneuerbarer Energiequellen und verbessern die Netzstabilität“, so Hassan Obeid, globaler technischer Vertriebsleiter für neue Energielösungen bei Cummins. Er verfasste ein neues Whitepaper mit dem Titel „Batterie-Energiespeichersysteme: Wichtige Konzepte und Anwendungen verstehen“. Darin erläutert Obeid, was BESS sind, wie sie funktionieren und wie sie effektiv eingesetzt werden können.

Hierarchie der Komponenten

Obwohl ein BESS wie eine einfache Box aussieht, sind in dieser Box laut Obeid zahlreiche Komponenten auf komplexe Weise integriert, um einen sicheren und effizienten Betrieb zu gewährleisten.

Bild: malp via Adobe Stock

„Jede Komponente spielt eine entscheidende Rolle für die Gesamtfunktionalität und Leistung des Systems“, sagte er. „Das Verständnis dieser Schlüsselkomponenten ist unerlässlich, um die Funktionsweise von BESS und die damit verbundenen Vorteile zu verstehen.“

Wie zu erwarten, enthält jedes BESS Batteriezellen. Diese dienen als grundlegende Energieeinheiten für das System.

„Die Zellen werden zur einfacheren Handhabung und Verwaltung in Module gruppiert“, sagte Obeid. „Mehrere Module werden dann zu Racks zusammengebaut, um eine strukturiertere und effizientere Konfiguration zu ermöglichen.“

Wie viele Elektrofahrzeuge verfügen auch BESS über Batteriemanagementsysteme (BMS). Laut Obeid verwaltet das BMS jede Ebene der Komponentenhierarchie.

Auf Batteriezellenebene beispielsweise erfüllt das BMS mehrere Aufgaben, erklärte er. Dazu gehören die Überwachung von Spannung und Temperatur sowie der Lade- und Entladeausgleich. Das BMS schätzt außerdem den Ladezustand (SoC), den Obeid als „das Äquivalent einer Tankanzeige für eine Batterie“ bezeichnete. Der SoC gebe an, wie viel Energie in der Batterie zu einem bestimmten Zeitpunkt als Prozentsatz ihrer Gesamtkapazität verfügbar sei, erklärte er. Das BMS überwacht außerdem den Gesundheitszustand (SoH) der Batterien, der ihre Lebensdauerkapazität angibt.

Auf einer höheren Hierarchieebene, den Batteriemodulen, überwacht das BMS den Status jedes einzelnen Moduls, so Obeid. Dazu gehört das Wärmemanagement, um sicherzustellen, dass Heiz- und Kühlsysteme die Temperaturen im optimalen Bereich halten. Es bewältigt auch eventuell auftretende Fehler. Schließlich erleichtert es die Kommunikation zwischen den Zellen und der Rack-Ebene.

Auf dieser Rack-Ebene identifizierte Obeid mehrere Hauptaufgaben des BMS. Es übernimmt beispielsweise die Systemintegration und das Lastmanagement und verwaltet die Energie für eine optimierte Speicherung und Nutzung. Auf dieser Ebene ist das BMS auch für die Implementierung von Sicherheitsprotokollen, einschließlich Notabschaltungen, verantwortlich. Schließlich wies er darauf hin, dass das BMS die Kommunikation mit Systemen außerhalb des BESS verwaltet, beispielsweise mit denen einer Anlage oder des Stromnetzes.

Zu den weiteren von Obeid identifizierten BESS-Komponenten gehören die Stromumwandlungssysteme (PCS), die den Gleichstrom der Batterie über Wechselrichter und Gleichrichter in Wechselstrom umwandeln. Beim Laden führen sie die Umwandlung in umgekehrter Reihenfolge durch.

Es gibt auch ein BESS-Steuerungssystem, das „als zentrale Schnittstelle dient und das BESS mit anderen Teilen des Systems verbindet“, so Obeid. Dazu gehören das Stromnetz, Mikronetze oder andere dezentrale Energiequellen.

Einige BESS verfügen zudem über eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV). „Dieser Zusatz sorgt für Notstromversorgung zur Aufrechterhaltung kritischer Funktionen und ermöglicht einen unabhängigen Neustart des Systems“, so Obeid.

Fähigkeiten und Einschränkungen

Wie bei jeder Art von Gerät ist es wichtig, die Grenzen eines BESS zu kennen und die Möglichkeit zu haben, seine Leistung im Laufe der Zeit zu ermitteln.

Ein Batteriespeichersystem (BESS) besteht aus mehreren nebeneinander angeordneten Lithiumbatteriemodulen. (Bild: malp via Adobe Stock)

Zu diesem Zweck sagte Obeid, dass jedes BESS eine Nennleistungskapazität und Energiekapazität hat.

Er bezeichnete die Nennleistungskapazität als die insgesamt mögliche sofortige Entladekapazität des BESS oder die maximale Entladerate aus einem vollständig geladenen Zustand. Sie wird in kW oder MW angegeben.

Im Vergleich dazu ist die Energiekapazität „die maximale Menge an gespeicherter oder verbrauchter Energie in kWh oder MWh“, sagte Obeid.

Er fügte hinzu, dass es entscheidend sei, den Unterschied zwischen kW/MW und kWh/MWh zu verstehen. „Diesen Unterschied zu kennen, ist unerlässlich, um Energiebedarf, Systemkapazitäten, Dimensionierung, Anwendungen und Betriebskosten genau einzuschätzen“, sagte Obeid. „Es hilft auch, fundierte Entscheidungen über Energieverbrauch, Energieeffizienz und Nachhaltigkeit zu treffen.“

Obeid verwendete kW und kWh als Beispiele und sagte, dass kW eine Leistungseinheit sei, während kWh eine Energieeinheit sei.

Er sagte, dass die kW-Angabe „angibt, wie schnell Energie zu einem bestimmten Zeitpunkt verbraucht wird“. Ein 10-kW-System könne sofort 10 kW Leistung liefern, fügte er hinzu. Es gehe um die Geschwindigkeit des Stromflusses in oder aus einem BESS.

„Die Kilowattstunde (kWh) ist eine Energieeinheit“, sagte Obeid, „die die Gesamtmenge an verbrauchter oder erzeugter Energie im Laufe der Zeit darstellt. Sie gibt den kumulierten Energieverbrauch bzw. die kumulierte Energieproduktion an.“ Als Beispiel nannte er, dass ein 10-kW-System, das eine Stunde lang läuft, 10 kWh Energie verbraucht oder erzeugt.

C-Rate verstehen

Ein Aspekt des BESS ist die sogenannte C-Rate – auch Speicherdauer und Lade-/Entladerate genannt.

„Die C-Rate misst die Geschwindigkeit, mit der eine Batterie im Verhältnis zu ihrer maximalen Kapazität entladen wird“, sagte Obeid. „Sie ist definiert als der Kehrwert der Zeit (in Stunden), die zum vollständigen Entladen der Batterie benötigt wird.“

Obeid nannte beispielsweise, dass ein BESS mit einer C-Rate von 1C entweder in einer Stunde vollständig geladen oder entladen wird, da 1/1 – der Kehrwert von 1 – gleich 1 ist. Eine C-Rate von 0,5C bedeutet jedoch eine Lade-/Entladerate von 2 Stunden, da 1/0,5 gleich 2 ist.

Er sagte, dass die Verwaltung der C-Rate einen sicheren BESS-Betrieb und eine längere Nutzungsdauer gewährleistet.

„Batterien mit einer niedrigen C-Rate brauchen länger zum Laden“, sagte Obeid, „können aber über einen längeren Zeitraum Strom liefern. Umgekehrt können Batterien mit einer hohen C-Rate schnell einen hohen Strom liefern, was sie für Anwendungen mit hoher Leistung und kurzer Dauer wie die Netzfrequenzregelung geeignet macht. Allerdings können sie diese Leistung nicht so lange aufrechterhalten wie Batterien mit einer niedrigeren C-Rate.“

Obeid sagte beispielsweise, dass eine Batterie mit einer C-Rate von 5C die fünffache Nennleistung liefern könne, aber nur für 12 Minuten (1/5 von 60 Minuten sind 12 Minuten).

BESS mit niedrigeren C-Raten werden häufig in Energieanwendungen eingesetzt, da sie eine stabile und lang anhaltende Energieversorgung gewährleisten. Stromanwendungen hingegen benötigen oft höhere C-Raten – 1 C oder mehr –, da sie schnelle Leistungsspitzen liefern können.

Obeid fügte hinzu, dass die C-Rate zwar reduziert werden könne, jedoch die Nennkapazität des BESS nicht überschreiten dürfe.

„Wenn ein System beispielsweise auf 1 C ausgelegt ist, kann es bei niedrigeren C-Werten wie 0,5 C oder 0,25 C geladen oder entladen werden“, sagte er, „aber es kann nicht bei höheren C-Werten wie 2 C oder 3 C betrieben werden.“

BESS unterstützt die Dekarbonisierung von Turmdrehkränen und Baustellen. Das als Enertainer bekannte BESS – eine Kombination aus „Energie“ und „Container“ – speichert genügend Energie, um die Energiespitzen abzudecken, die von bis zu drei Turmdrehkränen benötigt werden.

Ein weiterer britischer Bauunternehmer setzt BESS für Turmdrehkräne und Baustellen ein. Bowmer & Kirkland hat BESS als bevorzugte Antriebslösung für Kräne eingeführt und festgestellt, dass nur ein einziges BESS erforderlich ist, um eine ganze Baustelle effektiv mit Strom zu versorgen.