Batteriespeichersysteme (BESS) sind die flexibelsten Anlagen im modernen Energiesystem. Sie bestehen aus dem Batteriegestell, dem Stromumwandlungssystem und der Steuerungsplattform. Im Gegensatz zu gepumpter Wasserkraft oder Druckluft kann BESS innerhalb von 100 Millisekunden auf Netzsignale reagieren. Diese Geschwindigkeit macht sie für die Primärfrequenzregelung von unschätzbarem Wert. Die für Netzdienste installierte weltweite Kapazität von BESS wird voraussichtlich bis Ende 2027 300 Gigawattstunden überschreiten. Die schnelle Reaktionszeit von BESS sorgt für eine schnellere und genauere Frequenzeindämmung als herkömmliche Spinning-Reserven.
Netzbetreiber halten die Frequenz bei 60 Hertz oder 50 Hertz, indem sie Erzeugung und Last in Echtzeit ausgleichen. Wenn eine Störung auftritt, weicht die Frequenz ab und BESS kann sofort Strom einspeisen oder absorbieren. Der Erlös aus der Frequenzregulierung richtet sich nach der angebotenen Kapazität und der Leistungsbewertung der Anlage. Ein leistungsstarkes BESS kann in einigen Märkten eine Kapazitätsvergütung von 10 bis 15 Dollar pro Megawattstunde angebotener Kapazität einbringen. Der Leistungswert wird auf Grundlage der Korrelation zwischen dem Antwortsignal und der tatsächlichen Leistungsabgabe berechnet. BESS-Geräte erreichen typischerweise Werte über 0,95 auf einer Skala von 0 bis 1.
Das Power Conversion System (PCS) ist die Schnittstelle zwischen dem Gleichstrom der Batterie und dem Wechselstrom des Netzes. Das PCS muss den bidirektionalen Stromfluss bewältigen und die Qualität der Ausgangswellenform aufrechterhalten. Die gesamte harmonische Verzerrung ist ein Schlüsselparameter und die meisten Netzvorschriften verlangen, dass sie weniger als 3 Prozent beträgt. Die Effizienz des PCS ist entscheidend für die Gesamteffizienz des BESS. Aktuelle PCS-Designs erreichen bei Volllast Wirkungsgrade von 98 bis 99 Prozent. Abhängig von der Leistungsdichte und den Umgebungsbedingungen erfolgt die Kühlung des PCS in der Regel mit Druckluft oder Flüssigkeit.
Aufgrund seiner langen Zyklenlebensdauer und thermischen Stabilität ist Lithium-Eisenphosphat die vorherrschende Chemie für BESS. Die Zyklenlebensdauer von LFP-Zellen bei 80 Prozent Entladungstiefe beträgt typischerweise 6.000 bis 8.000 Zyklen. Diese Leistung ist der Nickel-Mangan-Kobalt-Chemie überlegen, die eine höhere Energiedichte aufweist, aber eine kürzere Lebensdauer und höhere Kosten aufweist. Die Auswahl der Zelle hat direkten Einfluss auf den Betriebstemperaturbereich und den Kühlbedarf. LFP-Zellen können bei höheren Temperaturen betrieben werden, die Abbaurate nimmt jedoch mit der Temperatur zu. Daher ist unabhängig von der Chemie ein robustes Wärmemanagementsystem erforderlich.
Die Steuerungsarchitektur eines BESS umfasst das Batteriemanagementsystem, das Energiemanagementsystem und die Anlagensteuerung. Das Batteriemanagementsystem überwacht die Spannung und Temperatur jeder Zelle, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Das Energiemanagementsystem verarbeitet die Versandbefehle und optimiert den Ladezustand. Die Anlagensteuerung kommuniziert mit dem Netzbetreiber über Protokolle wie IEC 61850 oder DNP3. Die Latenz der Kommunikationsverbindung ist für die Frequenzregulierung entscheidend und Verzögerungen müssen unter 50 Millisekunden gehalten werden. Um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten, werden häufig redundante Kommunikationswege installiert.
INJET HanCang bietet ein vollständig integriertes Stromumwandlungs- und Energiemanagementsystem für Batterieenergiespeichersysteme. Unsere Plattform umfasst einen Hochgeschwindigkeitscontroller, der Dispatch-Befehle des Netzbetreibers mit einer Latenzzeit von weniger als 30 Millisekunden ausführt. Das Energiemanagementsystem von INJET HanCang umfasst Prognosemodule, die den Ladezustand und die erforderliche Kühllast vorhersagen. Diese Integration reduziert den externen Hardwarebedarf und vereinfacht den Inbetriebnahmeprozess. Unsere PCS-Einheiten sind mit Leistungen von 1 Megawatt bis 5 Megawatt in einem einzigen Gehäuse erhältlich.
Die Betriebsstrategie eines BESS kann angepasst werden, um den Abbau der Zellen zu verlangsamen. Zur Frequenzregelung kann das angeforderte Leistungssignal geglättet werden, um hochfrequente Schwankungen zu reduzieren, die eine beschleunigte Alterung verursachen. Das Batteriemanagementsystem berechnet den Innenwiderstand der Zellen, um den Alterungsstatus abzuschätzen. Durch die Anpassung der Lade- und Entladeraten basierend auf dem Innenwiderstand kann der Betreiber die Nutzungsdauer der Batterie verlängern. Diese Strategie ist als degradationsbewusste Steuerung bekannt und steigert nachweislich die insgesamt gelieferte Energie über die Lebensdauer um 8 Prozent.
Die Wirtschaftlichkeit eines BESS zur Frequenzregulierung hängt von der Marktstruktur und der Wettbewerbslandschaft ab. Die Kapitalkosten für ein 20-Megawatt-System mit einer Laufzeit von einer Stunde betragen etwa 6 bis 7 Millionen Dollar. Die jährlichen Betriebs- und Wartungskosten betragen typischerweise 1,5 Prozent der Kapitalkosten. Die Einnahmen aus der Frequenzregulierung sind variabel und hängen vom Echtzeitpreis des Dienstes ab. In Märkten mit hoher Verbreitung erneuerbarer Energien kann der Regulierungspreis auf über 20 Dollar pro Megawattstunde steigen. Ein gut konzipiertes BESS kann basierend auf historischen Preisdaten eine Amortisationszeit von 5 bis 7 Jahren erreichen.
Felddaten von BESS-Installationen im Vereinigten Königreich zeigen, dass die durchschnittliche Reaktionszeit 85 Millisekunden beträgt. Die Verfügbarkeit dieser Systeme liegt im Jahresvergleich bei über 98 Prozent. Der Wirkungsgrad des Systems vom Wechselstromeingang bis zum Wechselstromausgang wird für einen vollständigen Zyklus mit 86 bis 88 Prozent gemessen. Die Verschlechterungsrate der Zellen ist bei Frequenzregulierungsanwendungen geringer als bei Energiearbitrage, da die Entladungstiefe geringer ist. Die durchschnittliche Entladungstiefe eines vorschriftsmäßigen BESS liegt zwischen 20 und 40 Prozent, was die Zyklenlebensdauer deutlich verlängert.
Die Umweltauswirkungen von BESS hängen hauptsächlich mit dem Abbau von Lithium, Eisen und Phosphat zusammen. Der Herstellungsprozess macht etwa 40 Prozent des gesamten CO2-Fußabdrucks des Systems aus. Das Recycling von Batteriezellen wird immer häufiger und die Rückgewinnungsrate für Lithium liegt in modernen Anlagen derzeit bei über 70 Prozent. Der Einsatz von BESS zur Frequenzregulierung reduziert den Bedarf an Erdgas-Peak-Anlagen, was die gesamten Netzemissionen senkt. Der Nettoeffekt ist eine Reduzierung der Kohlendioxidemissionen um 300 bis 400 Kilogramm pro integrierter Megawattstunde erneuerbarer Energie.
Batteriespeichersysteme sind die effektivste Lösung zur Frequenzregulierung in Netzen mit hohem Anteil an erneuerbaren Energien. Die Reaktionsgeschwindigkeit, die Genauigkeit der Leistungsabgabe und die Skalierbarkeit der Technologie machen sie unverzichtbar. INJET HanCang bietet die entscheidenden Stromumwandlungs- und Steuerungssysteme, die es BESS ermöglichen, in diesen anspruchsvollen Anwendungen zuverlässig und profitabel zu arbeiten.