Die Komponenten eines Batteriespeichers und ihre Funktionen

Ein Batteriespeicher besteht aus mehr als den Batteriezellen, in denen die Energie gespeichert wird. Wir erklären, welche Bauteile es gibt und, warum sie nötig sind, um einen Batteriespeicher sicher, wirtschaftlich und netzdienlich zu vermarkten.

Definition

Die Begriffe Batterie(speicher) und Akku(mulator) sind gängige Bezeichnungen für galvanische Zellen oder Gruppen (Batterien) von galvanischen Zellen. Es gibt diverse Speichertechnologien mit teils sehr unterschiedlichen Spezifikationen. Gemeinsam ist ihnen allen, dass sie die eingehende elektrische Energie (Strom) elektrochemisch speichern.

Dies unterscheidet Akkumulatoren etwa von Wärmespeichern oder mechanischen (Lage-)Energiespeichern wie Pumpspeicherkraftwerken. Zwar wird vereinzelt die Abwärme von Batteriespeichern etwa zur Erzeugung von Raumwärme genutzt. Dies ist aber keine Funktion im engeren Sinne.

Die Unterscheidung von Einweg-Batterien (Primärbatterien) und wiederaufladbaren Akkus (Sekundärbatterien) wird bei Batteriespeichern, Großspeichern oder Speicherkraftwerken übrigens nicht gemacht, sie sind alle wiederaufladbar. Doch egal, wie man sie nun nennt, um galvanische Zellen aufzuladen und zu nutzen, bedarf es weiterer Komponenten.

Während Alltagsbatterien in der Regel aus nicht viel mehr als der galvanischen Zelle selbst bestehen, sind die Lade- und Anwendungsgeräte mit diesen Komponenten ausgestattet. In größeren Speichersystemen sind sie jedoch in die Systeme integriert. Diese Komponenten lassen sich in zwei Gruppen einteilen: Leistungselektronik und Steuergeräte.

Die Leistungselektronik

Die Leistungselektronik ist das elektrotechnische Bindeglied zwischen den eigentlichen Batteriezellen und den angeschlossenen Systemen, also etwa Stromerzeugern, Verbrauchern wie Maschinen oder Haushalten und natürlich dem Stromnetz. Ihre Hauptaufgabe ist es, den ein- und ausfließenden Strom in die jeweils benötigte Form umzuwandeln.

Stromrichter (Konverter)

Stromrichter (Konverter) sind die zentralen Bauteile der Leistungselektronik. Je nach Aufgabe unterscheidet man Gleichrichter, Wechselrichter, Gleichspannungswandler (DC-DC-Konverter) und Frequenzumrichter. Letztere spielen bei Batteriespeichern in der Regel keine Rolle. Umso wichtiger sind die anderen drei Arten von Stromrichtern. Denn Batteriezellen – egal, ob Großspeicher, Handy- oder andere haushaltsübliche Akkus – müssen mit Gleichstrom (DC, von Englisch: direct current) geladen werden. Das Netz, über das sie meist mit Strom gespeist werden, führt jedoch (mit vereinzelten Ausnahmen) Wechselstrom (AC, von Englisch: alternating current).

Deshalb muss das Ladegerät eines Batteriespeichers mit Netzanschluss stets einen Gleichrichter enthalten, der den ankommenden Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt. Wenn der Akkumulator die gespeicherte Energie dann wieder ins Netz einspeisen soll, muss der Gleichstrom aus der Zelle über einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden.

Gleichspannungswandler (DC-DC-Konverter) sind Stromrichter, die das Spannungsniveau von Gleichstrom heben, senken oder invertieren. Sie werden beispielsweise benötigt, wenn ein Batteriespeicher direkt über eine photovoltaische (PV) Solaranlage aufgeladen werden soll, die zwar ebenfalls Gleichstrom produziert, jedoch mit einer anderen Spannung als die Batterie zum Laden benötigt.

Welche Stromrichter ein Batteriespeichersystem genau benötigt, hängt also davon ab, zu welchem Zweck und in welcher Umgebung es eingesetzt werden soll – zum Beispiel als reiner Netzspeicher, als Notstromaggregat eines Rechenzentrums oder zur Lastverschiebung einer E-Auto-Ladestation mit PV-Anschluss.

Oberschwingungsfilter (Harmonic Filter) 

Oberschwingungen sind Frequenzen oberhalb der festgesetzten Netzfrequenz, die das Stromnetz destabilisieren können. Sie treten auf, wenn nicht-lineare Verbraucher wie etwa Motoren, LED-Lampen oder auch Akkumulatoren ans Netz angeschlossen werden. Mit Oberschwingungsfiltern in der Leistungselektronik können Batteriespeicher dagegen dazu beitragen Oberschwingungen zu reduzieren, und damit ihre Netzdienlichkeit erhöhen.

Sicherheit 

Es gibt eine Reihe Komponenten, die einerseits das Batteriesystem vor äußeren Einflüssen und Störungen im Netz schützen und umgekehrt ihre Umgebung und das Netz vor unerwünschten Effekten der Stromspeicher bewahren. Eine Sicherheitskomponente, die der Leistungselektronik zugerechnet wird, ist der Überspannungsschutz.

Das Batteriemanagementsystem

Das Batteriemanagementsystem (BMS) ist im Grunde ein Computer, der sämtliche Lade- und Entladevorgänge steuert. Folgende Aufgaben kann das BMS übernehmen.

Energie- oder Lastmanagement

Das Batteriemanagementsystem steuert das Laden und Entladen der Batterie entsprechend vorgegebenen Kriterien. Dazu kann die Verfügbarkeit von Strom gehören (zum Beispiel, wenn es an eine Solaranlage angeschlossen ist) sowie der Bedarf des Netzes oder anderer Verbraucher. Diese Funktion ist entscheidend für eine sinnvolle und vorteilhafte Nutzung sowohl für den Eigentümer als auch für das Netz.

Sicherheit, Zellschutz und Wartung

Das BMS überwacht das Batteriespeicher-System auf etwaige Risiken und ergreift entsprechende Maßnahmen, um Schäden am System und Gefahren für die Umgebung abzuwenden. Dabei übernimmt es folgende Aufgaben:

  • Ladezustandsmanagement: Sowohl das Überladen als das Tiefenentladen der Zellen kann die Lebensdauer von Akkumulatoren erheblich verringern. Das Management des Ladezustands (SOC) ist daher von zentraler Bedeutung für den Zellschutz und die Wirtschaftlichkeit eines Batteriespeichers. 
  • Balancing: Je nach Bauart bestehen Batteriespeicher, zum Beispiel mit Lithium-Ionen-Technologie, aus mehreren Zellen. Der Battery Balancer hat die Aufgabe, die Ladung möglichst effizient zu verteilen. Zum einen reduziert dies das Risiko kritischer Ladezustände einzelner Zellen, zum anderen berücksichtigt es ihre möglicherweise unterschiedliche „Zellgesundheit“.
  • Temperatur-Management: Wenn Akkumulatoren überhitzen, stellen sie ein erhebliches Risiko für ihre Umgebung dar. Allerdings kann auch ein moderates Abweichen von dem jeweils geeigneten Temperaturbereich auf Dauer Zellschäden verursachen und die Lebensdauer des Batteriespeichers senken. Außerhalb der optimalen Betriebstemperatur können zudem vermeidbare Energieverluste entstehen, die den Wirkungsgrad senken. 

    Wartung: Das BMS analysiert zahlreiche Parameter über den Zustand der Batterie und meldet dem Betreiber des Systems frühzeitig, wenn Wartungsarbeiten notwendig werden, um einem Systemausfall vorzubeugen.
  • IT-Sicherheit: Um das BMS und damit den Batteriespeicher vor unbefugtem Zugriff zu schützen, müssen für eine entsprechende Cybersecurity gesorgt sein.

Messung und Kommunikation

Für ein effizientes und effektives Energiemanagement muss das BMS eine Reihe Betriebsdaten erheben und mit anderen Systemen kommunizieren. Batteriespeicher, die etwa Systemdienstleistungen erbringen, übermitteln dem Netzbetreiber Statusmeldungen und empfangen gleichzeitig von dort Befehle.

  • Lastkontrolle: Anhand der ein- und ausgehenden Energieflüsse der Batterie lässt sich feststellen, wie effizient und effektiv das Batteriespeichersystem arbeitet. Das Verhältnis zwischen ein- und ausgespeichertem Strom wird auch als Wirkungsgrad bezeichnet. Die Differenz resultiert hauptsächlich aus Wärmeverlusten und der Energie, die das System einschließlich BMS verbraucht.
  • Ladezustand (SOC): Die Bestimmung des Ladezustands (State of Charge; SOC) ist zentral für einen netzdienlichen und wirtschaftlichen Betrieb. Nur so können angeschlossene Systeme die Ladekapazität des Akkus effektiv nutzen.
  • Fernüberwachung und -steuerung: Egal, ob es um Arbitragegeschäfte, Lastverschiebung oder Systemdienstleistungen geht: Die erfolgreiche Teilnahme an Energiemärkten hängt davon ab, ob der Batteriespeicher im richtigen Moment Strom einspeichert oder ins Netz speist. Das Batteriespeicher-System muss also permanent mit anderen Systemen – zum Beispiel dem des Netzbetreibers oder dem der Stromhändler – kommunizieren, um einerseits aktuelle Statusmeldungen über die eigene Verfügbarkeit zu übermitteln und andererseits Befehle zu empfangen. Die Fernüberwachung und -steuerung des Systems in Echtzeit ist auch deshalb so wichtig, damit der optimale Standort des Batteriespeichers unabhängig vom Standort derjenigen, die ihn steuern, gewählt werden kann.
  • Datenprotokollierung und Betriebsoptimierung: Die Mess- und Kommunikationstechnologie ermöglicht es zudem, dass erhobene Daten protokolliert und ausgewertet werden, um Leistung, Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit des Batteriespeicher-Systems, aber auch seine Kommunikation mit anderen System im Laufe der Zeit zu analysieren und zu verbessern. Nicht zuletzt können solche Daten helfen, künftige Erlöse - auch von Neuinvestitionen - zu modellieren

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