Einführung
Energiespeicher mit erweiterter Reichweite bezieht sich auf jede Speicherkonfiguration, bei der ein sekundäres Energieumwandlungsgerät das primäre Speichermedium während Entladezyklen auffüllt. Diese Definition umfasst Batteriegeneratorsysteme sowie Batterie-Brennstoffzellenkombinationen. Der Hauptunterschied zum Hybridspeicher besteht darin, dass das Sekundärgerät intermittierend auf der Grundlage des Ladezustands des Speichers und nicht kontinuierlich arbeitet. Injet HanCang hat Leistungsbenchmarking von Energiespeichern mit erweiterter Reichweite an fünf verschiedenen Einsatzorten durchgeführt. In diesem Artikel werden der technische Rahmen, die Effizienzkennzahlen und die anwendungsspezifischen Ergebnisse dieser Benchmarks vorgestellt.
Technischer Rahmen für die Energiespeicherung mit erweiterter Reichweite
Der technische Rahmen für die Energiespeicherung mit erweiterter Reichweite basiert auf drei Prinzipien. Das erste Prinzip besteht darin, dass der Primärspeicher alle Lasttransienten und kurzzeitigen Schwankungen bewältigt. Das zweite Prinzip besteht darin, dass der Range Extender nur auf seiner effizientesten Leistungsstufe arbeitet. Das dritte Prinzip besteht darin, dass der Range Extender basierend auf den Ladezustandsschwellenwerten und nicht auf der Lastgröße startet und stoppt. Diese Prinzipien unterscheiden Range-Extended-Storage von parallelen Hybridsystemen, bei denen beide Quellen gleichzeitig die Last versorgen können. Injet HanCang verwendet einen Controller mit programmierbaren Ladezustands-Hysteresebändern. Das untere Band ist typischerweise auf einen Ladezustand von dreißig Prozent für den Generatorstart eingestellt. Das obere Band ist für den Generatorstopp auf siebzig Prozent eingestellt. Dieses Hystereseband von vierzig Prozentpunkten verhindert ein schnelles Ein- und Ausschalten.
Effizienzmessmethodik
Die Messung der Effizienz bei der Energiespeicherung mit erweiterter Reichweite erfordert die Berücksichtigung mehrerer Energiepfade. Die primäre Effizienzmetrik ist die Kraftstoff-Strom-Effizienz, wenn der Range Extender aktiv ist. Diese Kennzahl wird berechnet als an die Last gelieferte elektrische Energie dividiert durch den chemischen Energiegehalt des verbrauchten Kraftstoffs. Eine zweite Messgröße ist die Round-Trip-Effizienz, wenn die Batterie über das Netz geladen wird. Eine dritte Metrik ist der Standby-Verlust, der den Stromverbrauch des Controllers und des Batteriemanagementsystems misst, wenn das System im Leerlauf ist. Injet HanCang hat diese Kennzahlen auf einer Flotte von zwölf Systemen gemessen. Der Kraftstoff-Strom-Wirkungsgrad lag bei allen Systemen im Durchschnitt bei 33 Prozent. Der Wirkungsgrad des Hin- und Rückflugnetzes betrug durchschnittlich 89 Prozent. Der Standby-Verlust betrug durchschnittlich ein Komma zwei Prozent der Nennleistung des Systems pro Stunde.
Kriterien für die Komponentenauswahl
Die Auswahl der Komponenten für die Energiespeicherung mit erweiterter Reichweite wirkt sich sowohl auf die Leistung als auch auf die Langlebigkeit aus. Die Batteriechemie sollte bei Betrieb im Teilladezustand eine gute Zyklenlebensdauer aufweisen. Injet HanCang wählt Lithium-Eisenphosphat-Zellen, weil sie einen Betrieb zwischen 20 und 80 Prozent Ladezustand bei minimaler beschleunigter Alterung vertragen. Der Generator sollte drehzahlvariabel betrieben werden können, um der optimalen Ladeleistung der Batterie gerecht zu werden. Generatoren mit fester Drehzahl, die mit einer konstanten Drehzahl betrieben werden, haben bei Teillast einen geringeren Wirkungsgrad. Der Gleichrichter, der den Generator mit dem DC-Bus verbindet, sollte bei der erwarteten Betriebsleistung einen Wirkungsgrad von über 95 Prozent haben. Injet HanCang verwendet Gleichrichter auf Siliziumkarbidbasis für Systeme über einhundert Kilowatt.
Betriebsdaten aus einer Mining-Anwendung
Ein Energiespeichersystem mit erweiterter Reichweite, das an einem netzunabhängigen Bergbaustandort in Westaustralien eingesetzt wurde, lieferte über einen Zeitraum von achtzehn Monaten detaillierte Betriebsdaten. Der Standort hatte eine durchschnittliche Last von zweihundertfünfzig Kilowatt und eine Spitzenlast von siebenhundert Kilowatt. Die Batteriebank hatte eine Größe von tausend Kilowattstunden. Der Generator hatte eine Nennleistung von zweihundertfünfzig Kilowatt. Das System protokollierte in diesem Zeitraum dreihundertzwanzig Generatorstarts. Die durchschnittliche Laufdauer betrug drei Stunden. Die Batterie absolvierte einhundertvierzig vollständige Zyklusäquivalente. Kapazitätsverschlechterung gemessen bei drei Komma zwei Prozent. Der Generator verbrauchte zwölftausend Liter Dieselkraftstoff. Basierend auf historischen Daten hätte eine reine Generatorlösung am selben Standort schätzungsweise 35.000 Liter verbraucht. Die Kraftstoffeinsparung von 66 Prozent resultierte direkt aus der Range-Extended-Architektur.
Wärmeleistung im Dauerbetrieb
Energiespeichersysteme mit erweiterter Reichweite können über längere Zeiträume ohne Netzanschluss betrieben werden. Bei solchen Ereignissen ist das Wärmemanagement von entscheidender Bedeutung. Injet HanCang hat die thermische Leistung während eines 72-stündigen Dauerlauftests gemessen. Bei dem Test wurde ein 200-Kilowatt-System mit Flüssigkeitskühlung für die Batterie und forcierter Luftkühlung für den Generatorraum verwendet. Die Umgebungstemperatur während des Tests lag zwischen 28 und 36 Grad Celsius. Die Temperatur der Batteriezellen blieb zwischen 26 und 34 Grad. Der maximale Temperaturunterschied zwischen zwei beliebigen Zellen betrug drei Grad. Die Temperatur im Generatorraum erreichte einen Höchstwert von 54 Grad, was innerhalb des vom Hersteller angegebenen Grenzwerts von 65 Grad liegt. Das Flüssigkeitskühlsystem verbrauchte durchschnittlich drei Komma fünf Kilowatt, was einem Komma acht Prozent des durchschnittlichen Systemdurchsatzes entspricht.
Leistungsvergleich des Steuerungsalgorithmus
Der Steueralgorithmus, der bestimmt, wann der Range Extender gestartet und gestoppt werden soll, beeinflusst die Systemeffizienz erheblich. Injet HanCang verglich über einen Zeitraum von drei Monaten drei Steuerungsalgorithmen auf derselben Hardwareplattform. Der erste Algorithmus verwendete einfache Ladezustandsschwellenwerte ohne Vorhersage. Der zweite Algorithmus fügte eine Lasttrendanalyse unter Verwendung eines gleitenden Durchschnitts der letzten sechs Stunden hinzu. Der dritte Algorithmus nutzte einen siebentägigen Lastprofilspeicher, um den zukünftigen Energiebedarf vorherzusagen. Der einfache Schwellenwertalgorithmus führte zu durchschnittlich vier Generatorstarts pro Tag mit einer durchschnittlichen Betriebsdauer von einer Stunde. Der Lasttrendalgorithmus reduzierte die Starts auf drei pro Tag mit einer durchschnittlichen Laufdauer von eins Komma drei Stunden. Der Vorhersagealgorithmus reduzierte die Starts auf zwei pro Tag mit einer durchschnittlichen Laufdauer von zwei Stunden. Der Gesamtkraftstoffverbrauch war beim Vorhersagealgorithmus am niedrigsten und verbrauchte 85 Prozent des Kraftstoffs, der beim einfachen Schwellenwertalgorithmus verbraucht wurde.
Zuverlässigkeitsstatistiken aus mehreren Bereitstellungen
Injet HanCang hat Zuverlässigkeitsdaten von 22 erweiterten Energiespeichersystemen zusammengestellt, die zwischen 2022 und 2025 eingesetzt wurden. Die Gesamtbetriebsstunden aller Systeme überstiegen einhundertfünfzigtausend Stunden. Die durchschnittliche Zeit zwischen Ausfällen des gesamten Systems betrug viertausendzweihundert Stunden. Der häufigste Fehlermodus war ein Ausfall der Generator-Startbatterie, der 43 % aller gemeldeten Probleme ausmachte. Die zweithäufigste Fehlerursache war eine Kraftstoffverunreinigung, die 22 Prozent ausmachte. Batteriebedingte Ausfälle machten zwölf Prozent aus. Controller- und Softwareprobleme machten achtzehn Prozent aus. Bei den restlichen fünf Prozent handelte es sich um sonstige Themen. Diese Statistiken zeigen, dass die Zuverlässigkeit des Generator-Subsystems der Hauptfaktor für die Gesamtsystemverfügbarkeit ist.
Wirtschaftlicher Vergleich mit alternativen Technologien
Energiespeicher mit erweiterter Reichweite nehmen eine spezifische wirtschaftliche Nische zwischen eigenständigen Batterien und reinen Generatorsystemen ein. Injet HanCang führte einen wirtschaftlichen Vergleich für einen Standort mit einem täglichen Energiebedarf von eintausend Kilowattstunden und einer Spitzenleistung von dreihundert Kilowatt durch. Der Vergleich berücksichtigte einen Betriebshorizont von zehn Jahren. Für den eigenständigen Batteriespeicher war eine Batteriebank mit zweitausend Kilowattstunden erforderlich, um die volle Tagesenergie ohne Aufladen bereitzustellen. Die Vorabkosten beliefen sich auf vierhunderttausend Dollar, für den Ersatz im siebten Jahr kamen zweihundertzwanzigtausend Dollar hinzu. Für die reine Generatorspeicherung war ein 300-Kilowatt-Generator mit Kraftstoffspeicher erforderlich. Die Vorabkosten beliefen sich auf siebzigtausend Dollar, aber die jährlichen Treibstoffkosten beliefen sich auf vierzigtausend Dollar, was einer Gesamtsumme von vierhundertsiebzigtausend Dollar über einen Zeitraum von zehn Jahren entspricht. Der Speicher mit erweiterter Reichweite nutzte eine 1000-Kilowattstunden-Batterie und einen 150-Kilowatt-Generator. Die Vorabkosten betrugen zweihundertfünfzigtausend Dollar plus siebzigtausend Dollar für den Generator, also insgesamt dreihundertzwanzigtausend Dollar. Die jährlichen Treibstoffkosten beliefen sich auf zehntausend Dollar, bei einem Zehn-Jahres-Gesamtbetrag von einhunderttausend Dollar. Die zehnjährigen Gesamtkosten für die Speicherung mit erweiterter Reichweite beliefen sich auf vierhundertzwanzigtausend Dollar, verglichen mit sechshundertzwanzigtausend Dollar für die Einzelbatterie und fünfhundertvierzigtausend für den Generator allein.
Abschluss
Energiespeicher mit erweiterter Reichweite bieten messbare wirtschaftliche und Leistungsvorteile für Anwendungen mit täglichen Entladezeiten zwischen vier und zehn Stunden. Die Effizienzdaten von Injet HanCang-Einsätzen zeigen einen Kraftstoff-Strom-Wirkungsgrad von 33 Prozent und einen Round-Trip-Grid-Wirkungsgrad von 89 Prozent. Die Betriebsdaten eines Bergbaustandorts zeigten eine Kraftstoffeinsparung von 66 Prozent im Vergleich zum reinen Generatorbetrieb. Die Zuverlässigkeitsstatistik zeigt eine durchschnittliche Zeitspanne zwischen Ausfällen von viertausendzweihundert Stunden, wobei die Generator-Startbatterie der Hauptfehlermodus ist. Der wirtschaftliche Vergleich bestätigt, dass Range-Extended-Storage für das modellierte Lastprofil die niedrigsten Gesamtkosten für zehn Jahre aufweist.