Elektrische Energie dann bereitzustellen, wenn sie benötigt wird, ist für die Betriebskontinuität und die Nutzung erneuerbarer Energien von großer Bedeutung. Da Stromerzeugung und Stromverbrauch zeitlich nicht immer zusammenfallen, ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an Energiespeicherlösungen. Batterie-Energiespeichersysteme erhöhen die Flexibilität der elektrischen Infrastruktur, indem sie Energie für eine spätere Nutzung speichern. Die Fragen „Was ist BESS?“ und „Was sind Batterie-Energiespeichersysteme?“ betreffen deshalb nicht nur die Batterie selbst: Auch Leistungsumwandlung, Steuerung, Sicherheit und die Einbindung in die Anlage müssen berücksichtigt werden. KJ Power Generator erläutert in diesem Beitrag die Funktionsweise, typische Einsatzbereiche, die Dimensionierung und wichtige Auswahlkriterien dieser Technologie.
Was sind Batterie-Energiespeichersysteme (BESS)?
BESS steht für den englischen Begriff Battery Energy Storage System. Gemeint ist eine integrierte Anlage, die elektrische Energie elektrochemisch speichert und bei Bedarf wieder als Strom bereitstellt. Ein BESS-System umfasst Batterien, Leistungselektronik, Steuerungssoftware, Schutzeinrichtungen und Hilfssysteme. Ein Batteriespeichersystem besteht somit nicht nur aus einzelnen Batteriemodulen. Je nach Anwendung kann es Strom aus dem Netz, aus Photovoltaikanlagen oder aus einer anderen kompatiblen Erzeugungsquelle aufnehmen. Die Batterie-Energiespeichertechnologie erzeugt selbst keine zusätzliche Energie, sondern steuert den Zeitpunkt und die Art ihrer Nutzung. Ein richtig ausgelegtes Energiespeichersystem kann auf einen wechselnden Leistungsbedarf reagieren und die Versorgung ausgewählter betrieblicher Prozesse unterstützen.
Wie funktionieren BESS-Systeme?
Die Antwort auf die Frage „Wie funktioniert BESS?“ beginnt mit dem geregelten Laden und Entladen. Beim Laden wird elektrische Energie als chemische Energie in der Batterie gespeichert. Beim Entladen wird sie wieder in elektrische Energie umgewandelt und an Verbraucher oder bei geeigneten Anschlussbedingungen an das Stromnetz abgegeben. Wer verstehen möchte, wie Energiespeicherung funktioniert, muss auch die übergeordnete Steuerung betrachten: Sie legt fest, wann und mit welcher Leistung der Energieaustausch stattfindet. Dazu werden Verbrauch, Erzeugung, Ladezustand und betriebliche Prioritäten ausgewertet. Eine Batterie kann beispielsweise bei einem Erzeugungsüberschuss geladen werden und bei steigendem Bedarf Strom bereitstellen. Durch Lade- und Entladeverluste sowie den Eigenbedarf der Hilfssysteme steht jedoch nicht die gesamte aufgenommene Energie später wieder zur Verfügung.
Was sind die Hauptkomponenten eines Batterie-Energiespeichersystems?
Im Mittelpunkt stehen Batteriezellen, die zu Modulen und Racks zusammengefasst werden. Die Lithium-Ionen-Batterie ist eine verbreitete Option; die geeignete Zellchemie richtet sich nach Leistungsbedarf, Lebensdauer und Sicherheitsanforderungen. Das Batteriemanagementsystem, auch BMS-System genannt, überwacht Zellspannungen, Strom und Temperaturen, unterstützt die Ladezustandsschätzung und den Zellenausgleich und koordiniert Schutzmaßnahmen bei Überschreitung der Betriebsgrenzen. Das Leistungsumwandlungssystem beziehungsweise PCS-System übernimmt die bidirektionale Umwandlung zwischen der Gleichstromseite der Batterie und der Wechselstrominfrastruktur. Das Energiemanagementsystem bestimmt die übergeordnete Lade- und Entladestrategie am Standort. Weitere wesentliche Komponenten sind das Wärmemanagement, elektrische Schutzeinrichtungen, Branddetektion und projektspezifische Brandschutzmaßnahmen sowie Mess- und Kommunikationstechnik.
Welche Einsatzbereiche gibt es für BESS?
Die BESS-Einsatzbereiche reichen von Produktionsstätten und Gewerbegebäuden bis zu Anlagen zur erneuerbaren Stromerzeugung und Ladeinfrastruktur. Industrielle Energiespeicherung kann helfen, einen hohen Leistungsbedarf zu steuern und kritische Prozesse zu unterstützen. Gewerbliche Energiespeichersysteme ermöglichen die gezielte Gestaltung von Lastprofilen in Hotels, Einkaufszentren, Büros und Logistikzentren. Bei der netzseitigen Energiespeicherung können geeignete Steuerungs- und Anschlusskonzepte Dienstleistungen wie Frequenzstützung und Netzstabilisierung ermöglichen. An abgelegenen Standorten kann die Batterie zusammen mit lokalen Erzeugern in einem Mikronetz beziehungsweise Microgrid arbeiten. An Ladestationen für Elektrofahrzeuge kann sie einen Teil kurzfristiger hoher Leistungsanforderungen übernehmen. Für jeden Einsatzbereich müssen Leistung, Energieinhalt und Steuerungsfunktionen gesondert auf die tatsächliche Anwendung abgestimmt werden.
Wie wird BESS in erneuerbare Energiesysteme integriert?
Die Speicherung erneuerbarer Energien hilft, den zeitlichen Unterschied zwischen schwankender Erzeugung und Strombedarf auszugleichen. Die Solarenergiespeicherung ermöglicht es, überschüssigen Tagesertrag bei ausreichender Speicherkapazität für die Abendstunden vorzuhalten. Die Windenergiespeicherung kann Schwankungen der windabhängigen Stromproduktion abfedern. Je nach Anlagenarchitektur erfolgt die Einbindung AC- oder DC-gekoppelt. Dabei sind die Kompatibilität der Stromrichter, das Schutzkonzept sowie Messung und Kommunikation gemeinsam zu betrachten. Ladezustandsgrenzen und Erzeugungsprognosen müssen in die Betriebsstrategie einfließen. Auch Hybridenergiesysteme, die Generatoren, erneuerbare Quellen und Batterien kombinieren, kommen infrage. Saisonale Unterschiede und länger anhaltende Erzeugungsdefizite sind bei der Planung zu berücksichtigen; ein Speicher allein kann nicht jede Versorgungslücke überbrücken.
Wie tragen BESS-Systeme zur Energieeffizienz bei?
Als Bestandteil des Energiemanagements kann BESS Stromangebot und Strombedarf besser aufeinander abstimmen. Durch Lastausgleich lässt sich das Netzbezugsprofil eines Standorts beeinflussen. Beim Spitzenlastmanagement beziehungsweise Peak Shaving deckt die Batterie einen Teil kurzzeitiger Bedarfsspitzen ab. Bei Tarifen mit leistungsabhängigen Entgelten kann dies die Kosten senken. Ein höherer Eigenverbrauch erneuerbaren Stroms und eine geringere Generatorlaufzeit bei niedriger Last in geeigneten Hybridanwendungen können ebenfalls Ziele der Energieeffizienz unterstützen. Speicherverluste werden dadurch jedoch nicht aufgehoben. Der Gesamtwirkungsgrad eines Lade-Entlade-Zyklus, der Kühlenergiebedarf und Bereitschaftsverluste müssen berücksichtigt werden. Eine niedrigere Stromrechnung bedeutet daher nicht automatisch einen geringeren Gesamtenergieverbrauch. Der tatsächliche Nutzen hängt von den Betriebsbedingungen und der gewählten Steuerungsstrategie ab.
Welche Rolle spielen BESS-Systeme bei Stromausfällen?
Energiespeicherung zur Absicherung gegen Stromausfälle kann ausgewählte kritische Verbraucher für eine begrenzte Zeit versorgen. Allerdings bleibt nicht jedes BESS bei einem Netzausfall automatisch in Betrieb. Dafür sind eine geeignete Inselbetriebsfähigkeit, eine sichere Netztrennung, abgestimmte Schutzeinrichtungen und eine passende Steuerungsarchitektur erforderlich. Bei der Planung eines Ersatzstromsystems müssen die zulässige Umschaltzeit, Anlaufströme und die zum Ausfallzeitpunkt verfügbare Energie gemeinsam bewertet werden. Benötigen empfindliche Verbraucher eine unterbrechungsfreie Energieversorgungslösung, muss das Umschaltverhalten nachgewiesen und gegebenenfalls eine USV eingebunden werden. Bei längeren Ausfällen kann ein Generator oder eine andere Energiequelle die Batterie ergänzen. Wird der Speicher im Alltag zur Kostenoptimierung eingesetzt, sollte die Steuerung eine ausreichende Ladezustandsreserve für den Notfall vorhalten.
Wie wird die BESS-Kapazität bestimmt?
Bei der Dimensionierung müssen Leistung und Energie klar unterschieden werden. Die Angabe in kW beschreibt die momentan verfügbare Wirkleistung, während kWh den gespeicherten Energieinhalt angibt. Für die Batteriekapazität sind Lastprofil, gewünschte Versorgungsdauer, nutzbarer Ladezustandsbereich, Umwandlungsverluste, Hilfsenergiebedarf und die erwartete Alterung maßgeblich. Eine konstante Last von 100 kW benötigt für zwei Stunden beispielsweise 200 kWh auf der Verbraucherseite. Dies ist nicht mit der erforderlichen Nennkapazität der Batterie gleichzusetzen: Wegen Verlusten und Betriebsreserven kann eine höhere Nennkapazität notwendig sein. Die PCS-Leistung, Motoranläufe, Blindleistungsbedarf und gleichzeitig betriebene Verbraucher sind zusätzlich zu prüfen. Für die Spitzenlastbegrenzung sind außerdem Höhe, Dauer und Wiederholung der Lastspitzen entscheidend, nicht nur der gesamte Stromverbrauch.
Welche Vorteile bieten Batterie-Energiespeichersysteme?
Batterie-Energiespeichersysteme können schnelle Leistungsbereitstellung, eine flexible Stromnutzung, eine höhere Nutzung erneuerbarer Erzeugung und bei geeigneter Auslegung die Unterstützung kritischer Verbraucher ermöglichen. Beim Entladen der Batterie entstehen keine lokalen Verbrennungsabgase; Kühlaggregate können jedoch Geräusche verursachen. Das Potenzial zur Reduzierung von CO2-Emissionen hängt von der Herkunft des Ladestroms, den Speicherverlusten und der verdrängten Stromerzeugung ab. Bei der Bewertung einer nachhaltigen Energielösung sind deshalb auch Batterieherstellung, Nutzungsdauer und Recycling zu berücksichtigen. In Betrieben mit gleichzeitigem Strom- und Wärmebedarf kann zudem die koordinierte Nutzung mit Kraft-Wärme-Kopplungssystemen untersucht werden. BESS erhöht dabei die Flexibilität auf der Stromseite, während die Wärmeproduktion und der Wärmebedarf des Standorts gesondert geplant werden müssen.
Worauf sollte bei der Auswahl eines BESS geachtet werden?
Zunächst muss feststehen, ob Ersatzstrom, Spitzenlastbegrenzung, die Nutzung erneuerbarer Erzeugung oder eine Kombination dieser Funktionen im Vordergrund steht. Anschließend sollten nutzbarer Energieinhalt, Dauer- und Kurzzeitleistung, Zellchemie, Zyklen- und Kalenderlebensdauer sowie Garantiebedingungen und zugesicherte Restkapazität verglichen werden. Umgebungstemperatur, Aufstellfläche, Wärmemanagement, Brandschutz, Wartungszugang und die Kompatibilität mit der elektrischen Infrastruktur sind ebenfalls relevant. Fernüberwachung, Kommunikationssicherheit, Serviceunterstützung und spätere Erweiterungsmöglichkeiten beeinflussen den langfristigen Betrieb. Eine Investitionsentscheidung sollte sich nicht allein auf den Anschaffungspreis stützen, sondern auch Energieverluste, Wartung, einen möglichen Batterietausch und realistische Einsatzszenarien berücksichtigen. Die Energiespeicherlösungen von KJ Power Generator können anhand des Lastprofils und der Projektanforderungen bewertet werden, um eine passende Systemarchitektur festzulegen.
