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02
'24
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CUMMINS News
WAS SIND BATTERIE-ENERGIESPEICHERSYSTEME (BESS)?
In diesem Artikel werden BESS, die verschiedenen Typen, die Funktionsweise von Lithiumbatterien und ihre Anwendungen behandelt.
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Das Stromnetz ist die größte Maschine, die die Menschheit je gebaut hat. Es arbeitet nach einem angebotsseitigen Modell – das Netz arbeitet nach einem Angebots-/Nachfragemodell, das versucht, Angebot und Endlast auszugleichen, um die Stabilität aufrechtzuerhalten. Wenn nicht genug vorhanden ist, fällt die Frequenz und/oder Spannung ab oder das Netzteil wird braun oder verdunkelt sich. Das sind schlechte Momente, die die Startaufstellung mit Mühe zu vermeiden versucht.
Das Stromnetz besteht aus einer Vielzahl von Teilen, darunter:
- Generatoren, die Wasser-, Wärme-, Kern-, Gas-, Öl-, Kohle-, Solar-, Wind-, Gezeiten- und andere Energiequellen nutzen.
- Aufwärtstransformatoren zur Erhöhung der erzeugten Spannungen auf die Spannung der Übertragungsleitung.
- Lange Übertragungsleitungen.
- Abwärtstransformatoren (Umspannwerke) zur Absenkung der Spannungen auf lokales Übertragungsniveau.
- Straßentransformatoren zur Lieferung von Spannungen auf Verbraucherebene (240 V, 110 V und 400 V dreiphasig).
Was sie traditionell nicht hat, ist die Möglichkeit, Strom zu SPEICHERN, um Nachfragespitzen gerecht zu werden. Das bedeutet, dass in einem Netz, das nicht mit BESS ausgestattet ist, der erzeugte überschüssige Strom im Netz abgeführt werden muss. Generatoren müssen am Laufen gehalten werden, um in dem Moment angeschlossen zu werden, in dem die Nachfrage über das bereits angeschlossene Angebot - die "Spinning-Reserve" - hinausgeht. In einem gut verwalteten Netz kann die Spinning-Reserve 15-30 % der Kapazität betragen, um für Nachfragespitzen gerüstet zu sein. Batteriespeichersysteme sind Werkzeuge, die die Lücke zwischen Angebot und Nachfrage schließen, indem sie überschüssige Energie speichern, um sie dann zu liefern, wenn sie benötigt wird.
Das BESS-Prinzip
Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) spielen eine entscheidende Rolle bei der Revolution, die sich in der Art und Weise abspielt, wie wir das Netz stabilisieren, erneuerbare Energien integrieren und generell elektrische Energie speichern und nutzen. BESS speichert elektrische Energie in wiederaufladbaren Reserven, die später zur Deckung des lokalen Bedarfs oder im Netzmaßstab entladen werden kann. Am wichtigsten ist vielleicht, dass diese batteriegehaltenen Reserven bereit sind, schnell in das Netz einzuspeisen, da sie aufgrund von Nachfrage oder Frequenz-/Spannungsinstabilität automatisch ausgelöst werden.
Das Hauptziel von Cummins Inc. mit BESS ist die Unterstützung hinter dem Zähler und die Integration in die betriebliche Unterstützung des Netzes vor dem Zähler. Dies gilt sowohl für netzunabhängige als auch für netzunabhängige Anwendungen, für die lokale Integration erneuerbarer Energien an einem Standort oder für die Notstromversorgung bei unzuverlässigen Netzverbindungen.
Diese Speichersysteme erfordern zwar Investitionen, bieten aber einige enorme Vorteile, die überwältigende Vorteile darstellen können. Dazu gehört vor allem die Reaktionsgeschwindigkeit. Die Batteriereserven können in der Regel mit erstaunlicher Geschwindigkeit auf netzsynchronisierten Wechselstrom umgeschaltet werden – typischerweise innerhalb weniger Zyklen
der Wechselstromfrequenz (50-60 Zyklen pro Sekunde oder Hz). Der höchste Preis für den in das Netz eingespeisten Strom ist eine schnelle Versorgung, so dass der kommerzielle Wert des gespeicherten Stroms das 10- bis 100-fache des normalen Preises betragen kann.
Die richtige Batterietechnologie bietet langfristig stabile Reserven – typische Batterietechnologien auf Lithium-Basis können bei Bedarf über Jahre hinweg hohe Leistungen halten. Flow-Batterien können die Leistung fast unbegrenzt halten.
Wie funktioniert BESS?
Die Energiespeicherung beginnt am Ladesystem. Dabei wird der "überschüssige" Wechselstrom- oder Gleichstrom-Solarstrom zum Aufladen der Zellen aufbereitet. Dies kann eine Schnellladung oder eine langsame Ladung sein, je nach Konfiguration und verfügbarem Strom.
BESS-Systeme können die Effizienz lokaler Mikronetze deutlich verbessern, indem sie zeitversetzt kostengünstigere Energie erzeugen und variable Quellen wie Solar- und Windenergie usw. nahtlos integrieren, um ihre Leistung durch zeitversetztes und Puffern nahezu vollständig auszuschöpfen.
An der Batteriezelle, meist einer der Lithium-Typen, wird Energie als elektrochemisches Potential gespeichert, das als DC-Potentialdifferenz zugeführt wird – im Gegensatz zu dem AC (Wechselstrom), den das Netz benötigt. Die einzelnen Zellen sind die Bausteine von Batteriepacks, die zu verpackten Zellclustern, so genannten Packs , zusammengeschaltet sind, um Kapazität, Zuverlässigkeit und dauerhafte Leistung aufzubauen. Zellen können zylindrisch, prismatisch oder in Beutelbauweise sein.
Zylindrische Typen können eine bessere Kühlzirkulation ermöglichen, bieten aber eine geringere Packungsdichte. Prismatische Typen lassen sich dicht stapeln und optimieren die Dichte. Beuteltypen können verwendet werden, um sich an unregelmäßigere Hohlräume anzupassen, und ohne das starre Gehäuse sind sie tendenziell leichter.
Die Batteriepacks sind in Module integriert, die für das Lade-/Entlademanagement, die Zustandsüberwachung und die Kühlung automatisch überwacht werden. Diese Module bieten ein Gleichgewicht zwischen Leistung, Sicherheit und Zuverlässigkeit auf granularer und automatisierter Ebene und fungieren als Vermittler zwischen einzelnen Zellen und der Steuerung des übergeordneten Speichersystems.
Mehrere Module werden in einer containerisierten Stromspeicherlösung aggregiert und gesteuert. Diese werden in der Regel als Energiespeichereinheiten (ESUs) oder Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) bezeichnet und enthalten alle erforderlichen Komponenten, darunter:
Das BESS-Prinzip
Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) spielen eine entscheidende Rolle bei der Revolution, die sich in der Art und Weise abspielt, wie wir das Netz stabilisieren, erneuerbare Energien integrieren und generell elektrische Energie speichern und nutzen. BESS speichert elektrische Energie in wiederaufladbaren Reserven, die später zur Deckung des lokalen Bedarfs oder im Netzmaßstab entladen werden kann. Am wichtigsten ist vielleicht, dass diese batteriegehaltenen Reserven bereit sind, schnell in das Netz einzuspeisen, da sie aufgrund von Nachfrage oder Frequenz-/Spannungsinstabilität automatisch ausgelöst werden.
Das Hauptziel von Cummins Inc. mit BESS ist die Unterstützung hinter dem Zähler und die Integration in die betriebliche Unterstützung des Netzes vor dem Zähler. Dies gilt sowohl für netzunabhängige als auch für netzunabhängige Anwendungen, für die lokale Integration erneuerbarer Energien an einem Standort oder für die Notstromversorgung bei unzuverlässigen Netzverbindungen.
Diese Speichersysteme erfordern zwar Investitionen, bieten aber einige enorme Vorteile, die überwältigende Vorteile darstellen können. Dazu gehört vor allem die Reaktionsgeschwindigkeit. Die Batteriereserven können in der Regel mit erstaunlicher Geschwindigkeit auf netzsynchronisierten Wechselstrom umgeschaltet werden – typischerweise innerhalb weniger Zyklen
der Wechselstromfrequenz (50-60 Zyklen pro Sekunde oder Hz). Der höchste Preis für den in das Netz eingespeisten Strom ist eine schnelle Versorgung, so dass der kommerzielle Wert des gespeicherten Stroms das 10- bis 100-fache des normalen Preises betragen kann.
Die richtige Batterietechnologie bietet langfristig stabile Reserven – typische Batterietechnologien auf Lithium-Basis können bei Bedarf über Jahre hinweg hohe Leistungen halten. Flow-Batterien können die Leistung fast unbegrenzt halten.
Wie funktioniert BESS?
Die Energiespeicherung beginnt am Ladesystem. Dabei wird der "überschüssige" Wechselstrom- oder Gleichstrom-Solarstrom zum Aufladen der Zellen aufbereitet. Dies kann eine Schnellladung oder eine langsame Ladung sein, je nach Konfiguration und verfügbarem Strom.
BESS-Systeme können die Effizienz lokaler Mikronetze deutlich verbessern, indem sie zeitversetzt kostengünstigere Energie erzeugen und variable Quellen wie Solar- und Windenergie usw. nahtlos integrieren, um ihre Leistung durch zeitversetztes und Puffern nahezu vollständig auszuschöpfen.
An der Batteriezelle, meist einer der Lithium-Typen, wird Energie als elektrochemisches Potential gespeichert, das als DC-Potentialdifferenz zugeführt wird – im Gegensatz zu dem AC (Wechselstrom), den das Netz benötigt. Die einzelnen Zellen sind die Bausteine von Batteriepacks, die zu verpackten Zellclustern, so genannten Packs , zusammengeschaltet sind, um Kapazität, Zuverlässigkeit und dauerhafte Leistung aufzubauen. Zellen können zylindrisch, prismatisch oder in Beutelbauweise sein.
Zylindrische Typen können eine bessere Kühlzirkulation ermöglichen, bieten aber eine geringere Packungsdichte. Prismatische Typen lassen sich dicht stapeln und optimieren die Dichte. Beuteltypen können verwendet werden, um sich an unregelmäßigere Hohlräume anzupassen, und ohne das starre Gehäuse sind sie tendenziell leichter.
Die Batteriepacks sind in Module integriert, die für das Lade-/Entlademanagement, die Zustandsüberwachung und die Kühlung automatisch überwacht werden. Diese Module bieten ein Gleichgewicht zwischen Leistung, Sicherheit und Zuverlässigkeit auf granularer und automatisierter Ebene und fungieren als Vermittler zwischen einzelnen Zellen und der Steuerung des übergeordneten Speichersystems.
Mehrere Module werden in einer containerisierten Stromspeicherlösung aggregiert und gesteuert. Diese werden in der Regel als Energiespeichereinheiten (ESUs) oder Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) bezeichnet und enthalten alle erforderlichen Komponenten, darunter:
- Leistungselektronik: Verwalten Sie den Energiefluss in und aus dem System und gewährleisten Sie so eine nahtlose Integration in das Stromnetz oder eigenständige Anwendungen. Dies beinhaltet den Einsatz von Wechselrichtern und Leistungsumwandlungsmodulen, um Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln, um die Batterie aufzuladen UND phasengekoppelte Wechselrichter, um das in Gleichstrom gespeicherte elektrochemische Potential als Wechselstrom in das Netz zurückzuspeisen. Die Phasenkopplung stellt sicher, dass der Wechselstrom mit den Zyklen des Netzanschlusses gleichphasig ist, um eine optimale Energieeffizienz zu erzielen.
- Wärmemanagementsysteme: Regulieren die Temperatur, um die Batterieleistung und Langlebigkeit zu optimieren.
- Sicherheitsmechanismen: Mindern Sie Risiken wie Überhitzung oder Überladung und behandeln Sie die seltenen Notfälle, die sich aus Systemfehlern ergeben.
Es ist erwähnenswert, dass das Aufladen des Akkus NICHT kostenlos ist. In der Regel ist der Ladevorgang etwa 70-75% effizient. Das bedeutet, dass der Batteriestapel für 100 Einheiten überschüssigen Stroms, die aus dem Netz verfügbar sind, 70-75 % aufnimmt, um später als nutzbare Leistung zurückgegeben zu werden. Der Rest geht als Wärme verloren.
Ein stetiger Fluss von Fortschritten in der Batteriechemie und der Grundlagentechnologie wird mit Innovationen im Systemdesign und bei Steuerungsalgorithmen kombiniert. Dies geschieht, um die Effizienz, Zuverlässigkeit und Budgetherausforderungen von BESS zu steigern und die Zukunft des Stromnetzes weltweit zu gestalten.
Welche verschiedenen Arten von BESS gibt es?
Betriebliche und kommerziell erhältliche BESS-Setups gibt es in verschiedenen Ausführungen, jede mit einzigartigen Eigenschaften, die für bestimmte Anwendungen, Umgebungen oder betriebliche Unterschiede besser geeignet sind. Obwohl viele technologische Details in den Steuerungs- und Batteriemanagementsystemen (BMS) unterschiedlich sind, werden BESS im Kern nach der Art der verwendeten Zell-/Batteriesysteme klassifiziert. Die verschiedenen Arten von BESS sind im Folgenden aufgeführt:
Ein stetiger Fluss von Fortschritten in der Batteriechemie und der Grundlagentechnologie wird mit Innovationen im Systemdesign und bei Steuerungsalgorithmen kombiniert. Dies geschieht, um die Effizienz, Zuverlässigkeit und Budgetherausforderungen von BESS zu steigern und die Zukunft des Stromnetzes weltweit zu gestalten.
Welche verschiedenen Arten von BESS gibt es?
Betriebliche und kommerziell erhältliche BESS-Setups gibt es in verschiedenen Ausführungen, jede mit einzigartigen Eigenschaften, die für bestimmte Anwendungen, Umgebungen oder betriebliche Unterschiede besser geeignet sind. Obwohl viele technologische Details in den Steuerungs- und Batteriemanagementsystemen (BMS) unterschiedlich sind, werden BESS im Kern nach der Art der verwendeten Zell-/Batteriesysteme klassifiziert. Die verschiedenen Arten von BESS sind im Folgenden aufgeführt:
- Lithium-basierte Systeme: Dazu gehören Lithium-Ionen-Kobaltoxid (LiCoO2); Lithium-Ionen-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (NCA); Lithium-Ionen-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC); Lithium-Ionen-Eisenphosphat (LiFePO4); Lithiumtitanat (LTO); und Festkörper-Lithium-Ionen. Zusammen bilden sie aufgrund ihrer hohen Energiedichte, ihrer langen Lebensdauer und ihres relativ geringen Wartungsaufwands die häufigste Klasse von BESS. Sie sind vielseitig einsetzbar in allen Betriebsmodi, denen BESS begegnet.
- Flow-Batterien: Speichern Sie Energie in flüssigen Elektrolyten, die in externen Tanks enthalten sind. Sie profitieren von Skalierbarkeit und langer Lebensdauer und eignen sich daher optimal für große, fest installierte Energiespeicheranwendungen. Vanadium-Redox-Flow-Batterien (VRFBs) zum Beispiel bieten eine sehr lange Speicherdauer und Flexibilität bei der Leistungsabgabe.
- Blei-Säure-Batterien: Werden seit über 150 Jahren zur Energiespeicherung verwendet und werden für ihre kostengünstige Robustheit geschätzt. Obwohl sie im Vergleich zu aktuelleren Technologien eine wesentlich geringere Energiedichte und eine kürzere Lebensdauer bieten, bleiben sie für bestimmte Anwendungen relevant, wie z. B. Notstromversorgungssysteme (USV) und kleinere (in der Regel häusliche) netzunabhängige Installationen.
- Natrium-Schwefel-Batterien: Arbeiten bei hohen Temperaturen und verwenden geschmolzenes Natrium und Schwefel als Stromspeichermedien. Sie können eine hohe Energiedichte aufweisen und eignen sich gut für groß angelegte Anwendungen wie die Netzstabilisierung und die Integration von erneuerbaren Energien und Junk-Power.
- Superkondensatoren (oder Ultrakondensatoren): Speichern Energie als elektrostatische Ladung und bieten die höchstmögliche Lade- und Entladefähigkeit. Obwohl sie (derzeit) eine geringere Energiedichte als Batterien aufweisen, eignen sie sich hervorragend für Anwendungen, die häufige Zyklen erfordern, wie z. B. kurzzeitiges Vorschaltgerät zum Ausgleich kurzer Leistungsschwankungen in Mikronetzen.
Vor- und Nachteile von Batterietypen
BESS-Systeme können eine Vielzahl von Batterietypen mit relativen Vor- und Nachteilen verwenden, die es wert sind, in Betracht gezogen zu werden. Zum Beispiel bieten Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP) eine längere Zyklenfestigkeit als Lithium-Polymer (LiPo) und sie sind resistent gegen Dendritenwachstum, so dass sie keine Brandgefahr darstellen. Ihre Kapazität vom ersten Tag an ist etwas geringer als die von LiPo, aber nach ein paar hundert Zyklen halten sie sich besser in der Kapazität.
Nickel-Mangan-Kobalt-Batterien (NMC) hingegen haben eine kürzere Lebenserwartung als LFP-Batterien, bieten jedoch eine höhere Leistungsdichte und eine wesentlich bessere Leistung bei kaltem Wetter, insbesondere beim Laden, wodurch die Betriebskosten gesenkt werden können.
Aus diesen Gründen werden NMC- und LFP-Batterien in BESS-Anwendungen immer häufiger eingesetzt.
Wie Lithiumbatterien funktionieren
Lithiumbatterien funktionieren durch elektrochemische Reaktionen, bei denen sich Lithiumionen zwischen den positiven (Anode) und negativen (Kathoden) Elektroden der Batterie bewegen, wobei die Materialbewegung durch einen Separator blockiert wird, der den Ionentransport im Elektrolyten ermöglicht. Lithiumbatterien enthalten in der Regel eine Kathode (das +ve), die aus einer Lithiumverbindung wie LiCoO2, NCA, NMC, LiFePO4 und LTO gebildet wird. Diese bleiben typisch in den neueren, festen Ausführungsformen.
Eine Anode (das -ve) besteht in der Regel aus Kohlenstoff (Graphit oder Graphen). Beschichtungen, die auf die Elektroden aufgetragen werden, dienen als Barrieren gegen die Bildung von Dendriten, metallischen Fäden, die sich auf der Oberfläche der Elektroden bilden und den Separator durchdringen und Kurzschlüsse verursachen können. Zu diesen Beschichtungen gehören je nach Hersteller Polymere oder Keramiken.
Zwischen den Elektroden befinden sich typischerweise:
BESS-Systeme können eine Vielzahl von Batterietypen mit relativen Vor- und Nachteilen verwenden, die es wert sind, in Betracht gezogen zu werden. Zum Beispiel bieten Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP) eine längere Zyklenfestigkeit als Lithium-Polymer (LiPo) und sie sind resistent gegen Dendritenwachstum, so dass sie keine Brandgefahr darstellen. Ihre Kapazität vom ersten Tag an ist etwas geringer als die von LiPo, aber nach ein paar hundert Zyklen halten sie sich besser in der Kapazität.
Nickel-Mangan-Kobalt-Batterien (NMC) hingegen haben eine kürzere Lebenserwartung als LFP-Batterien, bieten jedoch eine höhere Leistungsdichte und eine wesentlich bessere Leistung bei kaltem Wetter, insbesondere beim Laden, wodurch die Betriebskosten gesenkt werden können.
Aus diesen Gründen werden NMC- und LFP-Batterien in BESS-Anwendungen immer häufiger eingesetzt.
Wie Lithiumbatterien funktionieren
Lithiumbatterien funktionieren durch elektrochemische Reaktionen, bei denen sich Lithiumionen zwischen den positiven (Anode) und negativen (Kathoden) Elektroden der Batterie bewegen, wobei die Materialbewegung durch einen Separator blockiert wird, der den Ionentransport im Elektrolyten ermöglicht. Lithiumbatterien enthalten in der Regel eine Kathode (das +ve), die aus einer Lithiumverbindung wie LiCoO2, NCA, NMC, LiFePO4 und LTO gebildet wird. Diese bleiben typisch in den neueren, festen Ausführungsformen.
Eine Anode (das -ve) besteht in der Regel aus Kohlenstoff (Graphit oder Graphen). Beschichtungen, die auf die Elektroden aufgetragen werden, dienen als Barrieren gegen die Bildung von Dendriten, metallischen Fäden, die sich auf der Oberfläche der Elektroden bilden und den Separator durchdringen und Kurzschlüsse verursachen können. Zu diesen Beschichtungen gehören je nach Hersteller Polymere oder Keramiken.
Zwischen den Elektroden befinden sich typischerweise:
- Elektrolyte: Es gibt drei Klassen von Elektrolyten, die in der Lithiumbatterietechnologie verwendet werden, darunter:
- Flüssiger Elektrolyt: Ein Lithiumsalz, das in einem organischen Lösungsmittel gelöst ist und oft flammhemmende Zusätze enthält. Das Lithiumsalz ist der ionische Leiter, der die Ladung überträgt. Das organische Lösungsmittel sorgt für eine hohe ionische Motilität und die Additive optimieren die Stabilität, Leitfähigkeit und Sicherheit des Elektrolyten.
- Gelelektrolyte auf Polymerbasis: Sie bieten eine hohe Ionenleitfähigkeit, aber eine stark reduzierte Leckagewahrscheinlichkeit. Die Polymermatrix fungiert als Geliermittel und stellt konstruktionsbedingt keine Barriere für die ionische Motilität innerhalb des Lösungsmittels dar. Das Lithiumsalz wirkt auf die gleiche Weise, aber Gelzellen bieten eine verbesserte Batteriesicherheit und Zyklenlebensdauer.
- Festkörper-Elektrolyte: Neue Alternativen zu flüssigen Elektrolyten, die die Sicherheit und Stabilität verbessern, als Barriere gegen Dendritenbildung wirken und die thermische und chemische Stabilität der Batterie verbessern. Dies ermöglicht höhere Lade- und Entladeraten ohne erhöhtes Risiko.
- Separatoren: Poröse Membranstrukturen, die einen physikalischen Spalt zwischen Anode und Kathode erzwingen und gleichzeitig Lithium-Ionen während des Lade- und Entladevorgangs passieren lassen. Separatoren bestehen in der Regel aus hochporösem Polyethylen (PE), das häufig ein Polypropylen (PP)-Element enthält, um die Robustheit zu verbessern.
Während des Ladevorgangs werden Lithium-Ionen elektrisch von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode durch den Elektrolyten "geschoben" und werden auf/in den Anodenkohlenstoff adsorbiert. Während des Ladevorgangs fließen Elektronen von der Anode zur Kathode im äußeren Stromkreis. Der Ladestrom drückt Elektronen von der Anode zur Kathode. Während der Entladung bewegen sich diese Ionen zurück zur positiven Elektrode, wobei elektrische Energie freigesetzt wird, und der Strom fließt im äußeren Stromkreis von der Kathode zur Anode. Diese Ionenbewegung wird durch die kristallinen Strukturen in den Elektrodenmaterialien stark unterstützt und durch den Elektronenfluss durch den externen Kreislauf sowohl in der Ladung als auch in der Entladung angeregt.
Die Spannung und Kapazität von Lithiumbatterien variieren je nach Elektroden-/Elektrolytchemie und internem Design, wobei die Spannungen zwischen 3,6 V und 3,7 V pro Zelle liegen. Die Kapazität bezieht sich auf die Menge des Elektrolyten sowie die Größe und den Aufbau der Elektroden. Die Entladerate hängt von vielen Details und den internen Sicherheitssystemen in der Zelle und der Batterie ab. Diese verhindern Überladung, Überentladung und thermisches Durchgehen.
Systeme innerhalb eines BESS
Ein Batterie-Energiespeichersystem (BESS) besteht in der Regel aus Folgendem:
Zellrohstoffe und -konstruktion
Lithium-Ionen-Batterien werden in drei Grundformen hergestellt - starre zylindrische, starre prismatische (quadratischer oder rechteckiger Querschnitt) und nicht starre Pouch-Zellen. Zu den Rohstoffen für all dies gehören in der Regel:
Die Spannung und Kapazität von Lithiumbatterien variieren je nach Elektroden-/Elektrolytchemie und internem Design, wobei die Spannungen zwischen 3,6 V und 3,7 V pro Zelle liegen. Die Kapazität bezieht sich auf die Menge des Elektrolyten sowie die Größe und den Aufbau der Elektroden. Die Entladerate hängt von vielen Details und den internen Sicherheitssystemen in der Zelle und der Batterie ab. Diese verhindern Überladung, Überentladung und thermisches Durchgehen.
Systeme innerhalb eines BESS
Ein Batterie-Energiespeichersystem (BESS) besteht in der Regel aus Folgendem:
Zellrohstoffe und -konstruktion
Lithium-Ionen-Batterien werden in drei Grundformen hergestellt - starre zylindrische, starre prismatische (quadratischer oder rechteckiger Querschnitt) und nicht starre Pouch-Zellen. Zu den Rohstoffen für all dies gehören in der Regel:
- Ionische Lithiumsalze: Ermöglicht die Motilität der Ladung innerhalb der Zelle
- Organische Lösungsmittel: Wirken als Ladungsträger, damit Strom zwischen den Elektroden fließen kann. Dabei kann es sich je nach Batterietechnologie um Flüssigkeit, Gel oder Feststoff handeln.
- Kobalt: Wird aus Stabilitätsgründen in Kathoden verwendet
- Nickel, Mangan und Aluminium in Kathoden: Wird verwendet, um den Kobaltverbrauch zu reduzieren
- Graphit: Diese sind in typischen Anodenstrukturen vorhanden, aber dies entwickelt sich in Richtung Silizium, um eine höhere Kapazität und Robustheit zu erzielen
- Bindemittel (typischerweise Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylalkohol (PVA), Carboxymethylcellulose (CMC) oder Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR)): Integriert und härtet die Elektrodenmaterialien
- Poröse Separatoren aus PE und PP: Isolieren Sie die Elektroden und lassen Sie die Ionenbewegung zu
- Gehäusematerialien - Stahl-, Aluminium- oder Polymerrohre (für zylindrische und prismatische Zellen) und heißversiegelte Polymerfolien für Pouch-Zellen: Das Zellgehäuse versiegelt den Elektrolyten und sorgt für eine elektrische und physikalische Isolierung der Chemie. In einigen wenigen Fällen, in denen die thermische Isolierung im Vordergrund steht, können Keramikgehäuse verwendet werden - und in der Luft- und Raumfahrt werden leichte Verbundwerkstoffe wie Kohlefaser verwendet.
Hauptkomponenten eines containerisierten BESS (Cummins-Bild)
Sonstige Komponenten
Ein funktionierendes BESS-Containersystem bzw. eine funktionierende BESS Containeranlage besteht zudem aus:
- BESS-Controller: Diese Systemaufsicht führt die Leistungszuweisung durch, verwaltet den Ladevorgang und verfügt über eine Betriebsaufsicht und Sicherheitskontrolle.
- Strukturelle Rahmen und Gehäuse: Wird für die Unterbringung und Aufbewahrung von Batteriemodulen verwendet.
- Batteriemanagementsysteme: Überwachen und steuern Sie die Batterieleistung, um Sicherheit und Effizienz zu gewährleisten.
- HLK-Kühlsysteme: Regulieren Sie die Temperatur im Inneren des Behälters und verhindern Sie so eine Überhitzung während hoher Lade- oder Entladezeiten, um einen optimalen Betrieb zu ermöglichen.
- Netzsynchronisierte Wechselrichter: Wandeln Gleichstrom aus Batterien in frequenzsynchronisierten Wechselstrom für den Netzanschluss oder andere Anwendungen um.
- AC/DC-Wandler (Gleichrichter): Liefern Netz-AC als batteriefreundliche Gleichspannung zum Laden.
- Transformatoren: Dienen zum Anheben oder Absenken der Spannungspegel, um den Anforderungen des Netzes oder des lokalen Systems gerecht zu werden.
- Kühlsysteme: Viele Elemente eines BESS-Setups erfordern eine Temperaturregelung, um eine gute Funktion zu gewährleisten.
- USV: Das BESS-System kann als unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) mit hoher Kapazität betrieben werden.
- Brandbekämpfungssysteme: Erkennen und löschen Sie Brände, um die Anlage zu schützen.
BESS-Anwendungen
BESS-Installationen eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen in verschiedenen Sektoren, darunter:
BESS-Installationen eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen in verschiedenen Sektoren, darunter:
- Netzstabilisierung und Frequenzregelung ergeben sich aus der schnellen Reaktion auf plötzliche Änderungen der Nachfrage oder des Angebots im lokalen (oder weiteren) Netz. Auf diese Weise können BESS-Installationen zur Stabilisierung von Frequenz und Spannung beitragen, indem sie überschüssige Energie in Zeiten reduzierter Nachfrage (oder Überangebot) aufnehmen und gespeicherte Energie bei erhöhtem Bedarf freisetzen.
- Die Integration erneuerbarer Energien erfordert die Pufferung der Versorgung in Spitzenzeiten und die daraus resultierende reibungslose Verfügbarkeit von Strom. BESS-Anlagen speichern das sonst nutzlose Überangebot, das für Solar- und Windkraft typisch ist. Durch die Glättung der zerstörerischen Schwankungen bei den erneuerbaren Energien werden die "Junk-Power"-Effekte von Überangebot und Unterbrechungen beseitigt. Dies ermöglicht eine stärkere Einspeisung erneuerbarer Energien in das Netz, das nicht auf thermische Ressourcen angewiesen ist, um kurze (oder längere) Versorgungseinbrüche auszugleichen.
- Spitzenlastreduzierung und Lastmanagement sind wichtige BESS-Dienste, die die Stromkosten senken können, indem Energie außerhalb der Spitzenzeiten, wenn die Preise niedrig sind, gespeichert und während der Spitzenzeiten, wenn die Preise hoch sind, entladen werden. Diese Spitzenlastreduzierung trägt dazu bei, das Netz in Zeiten hoher Nachfrage zu entlasten und den Bedarf an teuren Spitzenlastkraftwerken zu reduzieren. In dezentralen Mikronetzen bedeutet dies, dass weniger Kraftstoff (Diesel) benötigt wird und die Belastung der Generatoren sowie die Wartungskosten gesenkt werden.
- Die Unterstützung von Mikronetzen ähnelt der Spitzenlastabnahme, da ein BESS Notstrom-, Lastausgleichs- und Netzunterstützungsdienste bereitstellen kann. Dies erhöht die Zuverlässigkeit und Widerstandsfähigkeit von Mikronetzen, gewährleistet eine unterbrechungsfreie Stromversorgung und optimiert die Nutzung erneuerbarer und thermischer Energiequellen.
- Die Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge wird durch BESS erheblich verbessert und unterstützt den Einsatz von Elektrofahrzeugen durch die Bereitstellung reaktionsschnellerer Schnellladefunktionen und die Bewältigung von Nachfragespitzen. Die Integration einer großen Anzahl von Elektrofahrzeugen in das Netz, ohne die bestehende Infrastruktur zu überlasten, ist die größte Herausforderung für die Stromnetze, und BESS ist entscheidend für die sichere Bewältigung der Spitzenlast.
- BESS kann kritische Industrie- und Gewerbeanlagen unterbrechungsfrei mit Strom versorgen, einen reibungslosen Betrieb bei Netzausfällen oder Stromausfällen gewährleisten und die Stromkosten durch agile Nachfragesteuerung senken.
- BESS kann in Haushalten installiert werden, wodurch der Hinter-dem-Zähler effektiver/kostengünstiger wird, indem überschüssige Energie von Sonnenkollektoren oder in Zeiten mit hohem Angebot und geringer Nachfrage gespeichert und für eine spätere Verwendung zur Verfügung gestellt wird.
- BESS kann zuverlässige Energie an abgelegenen oder netzunabhängigen Standorten liefern, an denen der Zugang zum Stromnetz eingeschränkt oder nicht verfügbar ist. Sie werden in Anwendungen wie Telekommunikation, Fernüberwachung und ländlichen Elektrifizierungsprojekten eingesetzt.
Warum ist BESS für bedarfsgesteuerte Energiespeichersysteme so wichtig?
BESS spielt eine immer wichtigere Rolle in selbstheilenden, antifragilen Stromnetzen. Sie tragen zur Integration erneuerbarer Energiequellen bei, verbessern die Energieeffizienz und erhöhen die Zuverlässigkeit von Spannungen/Frequenzen sowie die allgemeine Widerstandsfähigkeit des Systems.
Durch die sorgfältige Anwendung von BESS wird die Betriebsgrenze aufgehoben, die sonst für Stromnetze gilt, wenn intermittierende Stromquellen (Solar-, Wind-, Gezeiten-, Wellenstromquellen) aufgenommen werden, die sonst bei einem Überangebot als Junk-Power gelten. Die Anforderung an die Spinning-Reserve beschränkt die meisten Netze auf 15-25 % intermittierende Quellen. Wann immer BESS jedoch als Puffer fungiert, kann diese Spinnreserve das BESS-System sein, ohne dass Energie verschwendet wird. Diese vielseitige Skalierbarkeit macht BESS unverzichtbar für den Übergang zu einer nachhaltigeren und widerstandsfähigeren Energiezukunft.
BESS spielt eine immer wichtigere Rolle in selbstheilenden, antifragilen Stromnetzen. Sie tragen zur Integration erneuerbarer Energiequellen bei, verbessern die Energieeffizienz und erhöhen die Zuverlässigkeit von Spannungen/Frequenzen sowie die allgemeine Widerstandsfähigkeit des Systems.
Durch die sorgfältige Anwendung von BESS wird die Betriebsgrenze aufgehoben, die sonst für Stromnetze gilt, wenn intermittierende Stromquellen (Solar-, Wind-, Gezeiten-, Wellenstromquellen) aufgenommen werden, die sonst bei einem Überangebot als Junk-Power gelten. Die Anforderung an die Spinning-Reserve beschränkt die meisten Netze auf 15-25 % intermittierende Quellen. Wann immer BESS jedoch als Puffer fungiert, kann diese Spinnreserve das BESS-System sein, ohne dass Energie verschwendet wird. Diese vielseitige Skalierbarkeit macht BESS unverzichtbar für den Übergang zu einer nachhaltigeren und widerstandsfähigeren Energiezukunft.
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