Was ist eine String-Energiespeicherlösung?

Vor dem Hintergrund der Klimaneutralität hat sich der Aufbau eines neuen, auf erneuerbaren Energien basierenden Energiesystems zu einem globalen Konsens entwickelt. Energiespeicherung ist dabei als zentrales Element zum Schlüssel für die Transformation der Energiestruktur geworden. Verschiedene Energiespeichertechnologien beeinflussen Sicherheit, Effizienz, Wirtschaftlichkeit und weitere Dimensionen von Energiespeicherkraftwerken und rücken zunehmend in den Fokus der Industrie.

Dieser Artikel konzentriert sich auf die Analyse der beiden wichtigsten technischen Ansätze im aktuellen Energiespeicherbereich – zentrale Energiespeicher und String-Energiespeicher – und vergleicht die beiden Lösungen aus verschiedenen Perspektiven:

Systemstruktur

Zentrale Energiespeicher zeichnen sich in der Regel durch eine hohe Kapazität und ein großes Volumen pro Gerät aus und sind in Containerbauweise gefertigt. Der Systemaufbau sieht folgendermaßen aus: Die Akkupacks sind in Reihe geschaltet und bilden einen Batteriespeicher. Mehrere Batteriespeicher werden parallel auf der Gleichstromseite geschaltet und von einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt. Dieser wird anschließend mittels eines Transformators hochtransformiert und in das Stromnetz eingespeist.

String-Energiespeicher sind in der Regel modular aufgebaut und verwenden intelligente String-Energiespeicherschränke. Die einzelnen Schränke sind klein, mehrere Speicherschränke bilden ein Energiespeicher-Subsystem, und mehrere Subsysteme bilden ein String-Energiespeichersystem. Die Systemstruktur sieht folgendermaßen aus: Die Akkupacks sind in Reihe geschaltet und bilden einen Akkumulatorrahmen. Ein einzelner Akkumulatorrahmen (d. h. ein Akku in einem Speicherschrank) ist mit einem im Speicherschrank integrierten Energiewandler verbunden, der den erzeugten Wechselstrom in Wechselstrom umwandelt. Nachdem mehrere Speicherschränke parallel geschaltet und der Wechselstrom zusammengeführt wurde, werden sie zur Spannungsanhebung an einen Transformator angeschlossen und mit dem Stromnetz verbunden.

Effizienz

Werden mehrere Racks auf der Gleichstromseite eines zentralen Energiespeichersystems parallel geschaltet, werden Unterschiede im Innenwiderstand zwischen den Racks im Langzeitbetrieb immer deutlicher. Dies führt zu Wärmeentwicklung zwischen den Racks, Wärmeerzeugung und beschleunigter Batteriealterung. Hierbei tritt der sogenannte „Fass-Effekt“ auf. Die Inkonsistenz zwischen den Racks bewirkt, dass die Gesamtleistung des Systems durch das Rack mit der geringsten Leistung begrenzt wird. Die Kapazitätsminderung eines einzelnen Racks beeinträchtigt die Leistung des gesamten Systems und wird mit der Zeit immer deutlicher. Dies reduziert die Zyklenlebensdauer und wirkt sich erheblich auf das Lade- und Entladevolumen sowie die Einnahmen über den gesamten Lebenszyklus aus.

Auf der Gleichstromseite des String-Energiespeichersystems besteht keine Parallelschaltung, und das PCS steuert jedes Rack separat. Dadurch werden Probleme mit der Zellkonsistenz aufgrund von Ausgleichsströmen vermieden. Zudem weist das System keinen „Fasseffekt“ zwischen den Racks auf, und der Kapazitätsverlust eines einzelnen Racks beeinträchtigt nur dessen Leistung und hat kaum Auswirkungen auf das Laden und Entladen des Gesamtsystems. Die Systemlebensdauer ist länger, das Lade- und Entladevolumen über den gesamten Lebenszyklus höher und die Rendite höher.

Sicherheit

Die Einzelzellenkapazität des zentralen Energiespeichersystems ist mit 3 bis 5 MWh relativ hoch und besteht aus 8 bis 12 in Reihe und parallel geschalteten Batterieracks. Bei einem thermischen Durchgehen in einem einzelnen Rack kann sich dies sehr leicht auf das gesamte System ausbreiten. Die gemeinsame Nutzung eines Brandschutzsystems durch mehrere Batterieracks birgt zudem gewisse Sicherheitsrisiken. Im Falle eines Unfalls kann es zu einem Großbrand kommen.

Das String-Energiespeichersystem nutzt ein Einzelrack-Wärmemanagement, um eine bessere Temperaturhomogenität zwischen den einzelnen Packs zu gewährleisten. Dies verlängert nicht nur die Lebensdauer der Batterien, sondern erhöht auch die Systemsicherheit. Die Brandschutzkonfiguration verwendet ein einzelnes Rack als minimale Steuer- und Isolationseinheit. Im Fehlerfall wird der Fehlerbereich schnell isoliert und beeinträchtigt keine anderen Energiespeicherschränke. Dadurch wird der Umfang des Unfalls minimiert und die Sicherheit von Personal und System gewährleistet.

Flexibel

Zentrale Energiespeichersysteme zeichnen sich durch hohe Kapazität und Größe einzelner Geräte, schwierige Transportmöglichkeiten und hohe Anforderungen an den Installationsort aus, wodurch ihre Anwendungsbereiche begrenzt sind. Aufgrund des mehrstufigen Managements ist es schwierig, alte und neue Batterien zu kombinieren, und Kapazitätserweiterungen oder Stromauffüllungen müssen einheitlich in den einzelnen Speichereinheiten erfolgen, was die Flexibilität einschränkt.

Der Batterieschrank des String-Energiespeichersystems ist modular aufgebaut, mit einer Mindestleistung von 50 kW und kann beliebig kombiniert werden, um Systeme mit unterschiedlicher Leistung und Kapazität zu bilden; ein einzelner Schrank ist klein, leicht zu transportieren und zu installieren und eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungsszenarien wie industrielle und gewerbliche Nutzer, gemeinsame Energiespeicherung, Speicherung in der Energieverteilung, Photovoltaikspeicherung und Diesel-Mikronetze; das System unterstützt die gemischte Nutzung neuer und alter Batterien und kann die Leistung flexibel je nach Bedarf erweitern oder ergänzen, wodurch die Flexibilität und Wartungsfreundlichkeit des Systems erheblich verbessert wird.

Stabil

In einem zentralisierten Energiespeichersystem wird ein einzelner Behälter von einem Wärmemanagementsystem gehalten. Dieses System weist jedoch eine ungleichmäßige Temperaturverteilung auf, was die Systemstabilität beeinträchtigt. Zudem muss bei einem Problem mit einem einzelnen Speichermodul oder Rack der gesamte Schrank zur Inspektion abgeschaltet werden. Dies ist zeit- und personalintensiv und mindert die Effizienz der Energieentnahme erheblich.

Das String-Energiespeichersystem nutzt ein effizientes Wärmemanagementsystem mit einem Cluster und einer zentralen Steuerung. Dies gewährleistet eine gute Temperaturhomogenität, eine lange Batterielebensdauer und einen relativ stabilen Systembetrieb. Tritt ein einzelner Fehler auf, ist lediglich der Betrieb des defekten Gehäuses beeinträchtigt; die übrigen, intakten Gehäuse arbeiten normal weiter, wodurch der Gesamtbetrieb des Systems kaum beeinträchtigt wird.

Betrieb und Instandhaltung

Das Batteriefach des zentralen Energiespeichersystems ist groß, die Vor-Ort-Inbetriebnahme des aktuellen Fachs ist komplex und der Inbetriebnahmezyklus lang; der Innenraum des Containers ist eng, es fehlen Betriebs- und Wartungskanäle, und die Wartung ist schwierig; wenn das System ausfällt, muss der Hersteller in der Regel zur Wartung vor Ort eilen, die Systemausfallzeit ist lang und die Betriebs- und Wartungskosten sind hoch.

Das String-Energiespeichersystem verwaltet jeweils einen Cluster, wobei das einzelne Rack als Ganzes betrieben und gewartet wird. Im Falle eines Systemausfalls kann dieser präzise auf ein einzelnes Rack beschränkt werden, ohne den Betrieb anderer Schränke zu beeinträchtigen. Fällt ein Gerät im System aus, beispielsweise ein PCS, kann das Betriebs- und Wartungspersonal die Standby-Maschine rechtzeitig austauschen, wodurch die Betriebs- und Wartungseffizienz gesteigert und die Betriebs- und Wartungskosten gesenkt werden.