Fachartikel: Batteriespeicher und intelligente Managementsysteme

Batteriespeicher und intelligente Managementsysteme: Schlüsselelemente für die Nutzung von Solarenergie in Betrieben

Von Chris Blättermann - Head of IT, VoltStorage GmbH

(Dieser Artikel ist zuerst erschienen in der Fachzeitschrift r.energy, Heft 05/2023, S.8-9)

Nicht nur in Privathaushalten, sondern auch bei Gewerbebetrieben und der Industrie ist der Einsatz von Solarenergie ungebremst auf dem Vormarsch. Entsprechend wichtig werden Energiespeichertechnologien und intelligente Managementsysteme wie das Energie- als auch das Batteriemanagementsystem. Mit ihnen lässt sich die Lücke zwischen Energieerzeugung und -verbrauch schließen und bestmögliche Effizienz, Leistungsfähigkeit sowie Kostenoptimierung der Anlagen erreichen.

Das Wachstum bei der Erzeugung und Nutzung erneuerbarer Energien ist weiterhin ungebrochen. So sieht die Bundesnetzagentur allein für den Monat Juli 2023 bei der Solarenergie einen Zubau in Höhe von 1,2 GW und bereits im September war das von der Bundesregierung ausgerufene Jahresziel von mindestens 9 GW zugebauter installierter Leistung erreicht worden. Parallel zu diesem Trend lässt sich ebenfalls ein starker Zuwachs bei Batteriespeichern verzeichnen. Im gesamten ersten Halbjahr 2023 belief sich der Zubau auf rund 2,4 GWh - der bisher höchste in Deutschland. Ein Wachstumsfeld ist auch der Bereich Gewerbe und Industrie: aktuelle Daten der RWTH Aachen zeigen bei Gewerbespeicherlösungen im gleichen Zeitraum einen Zuwachs von 90 Prozent.

Aufgrund ihrer technologischen Vorteile wie Kapazitätskonstanz selbst nach vielen Lade- und Entladezyklen eignen sich Batteriespeicher auf Basis der Vanadium-Redox-Flow-Technologie besonders dazu, das Potential von Solarenergie zu heben.

Die Synergie von Solar und Batterie

Batteriespeicher können in Zeiten mit hoher Sonnenstrahlung, in denen eine Photovoltaik-Anlage mehr Energie erzeugt, als benötigt wird, überschüssige Energie laden und zur Nutzung vorhalten. Wenn die Anlage zu einem späteren Zeitpunkt nicht genügend Strom erzeugt, geben sie die gespeicherte Energie ab und können so eine kontinuierliche Stromversorgung bis hin zur Notstromversorgung gewährleisten. Sie können zudem den Zeitpunkt des Netzbezuges steuern, um teure Spitzenzeiten zu vermeiden. All dies setzt jedoch voraus, dass eine leistungsfähige Steuerungs- und Managementeinheit vorhanden ist.

Die Digitalisierung von Sonnenenergie

Die effiziente Nutzung von Solarenergie erfordert intelligente Managementsysteme, mit denen die Leistungsfähigkeit und Sicherheit der Anlagen gewährleistet werden kann. Sowohl die gesamte, beim Verbraucher installierte Anlage, als auch an sie angeschlossene Batteriespeicher können über die Sammlung, Analyse und Steuerung von Daten in Hinblick auf Effizienz, Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit und Kosten optimiert werden. Die so erreichte Digitalisierung der durch Sonnenkraft erzeugten Energie trägt zur erfolgreichen Integration erneuerbarer Energien in das Energiesystem bei. Sie hilft darüber hinaus Unternehmen und Betrieben, ihren Energieverbrauch und ihre Abhängigkeit von konventionellen Energiequellen zu reduzieren. Solarenergie und Digitalisierung gehen hier Hand in Hand und unterstützen sich in ihrer Verbreitung gegenseitig. In diesem Prozess stehen das EMS (Energiemanagementsystem) und das BMS (Batteriemanagementsystem) im Mittelpunkt.

EMS: Optimierung des Gesamtsystems

Einen ganzheitlichen Ansatz, der auf die gesamte installierte Anlage blickt, ermöglicht das EMS. Es sammelt kontinuierlich Daten von der PV-Anlage, den Batteriespeichern und anderen angeschlossenen Komponenten wie z.B. Stromzählern, analysiert diese und identifiziert Muster und Trends. Auf Grundlage der gesammelten Daten steuert es den Energiefluss im gesamten System. Das EMS kann Verbraucher aktiv regeln, was den Energieverbrauch in günstige Zeitfenster mit PV-Produktion legen kann. Weiterhin kann es Batteriespeicher so steuern, dass der vorhandene Strom möglichst effizient genutzt wird, um z.B. den Eigenverbrauch zu maximieren. Dabei wird der erzeugte Solarstrom in erster Linie zur Deckung des eigenen Bedarfs verwendet, bevor überschüssige Energie in Batterien gespeichert oder ins Netz eingespeist wird. Darüber hinaus kann das EMS auch dazu verwendet werden, netzstabilisierende Dienstleistungen zu erbringen: In Zeiten erhöhter Nachfrage kann es Strom ins Netz einspeisen, während es in Zeiten geringer Nachfrage Energie speichert. Notwendig hierzu sind entsprechende Batteriespeicher, deren Management (Batteriemanagementsystem / BMS) mit dem EMS koordiniert wird. Dieses überwacht kontinuierlich den Zustand der gesamten Anlage und kann bei Problemen wie Überhitzung oder Fehlfunktionen Schutzmaßnahmen ergreifen.

BMS: Sicherstellung der Batterieleistung

Im Gegensatz zum EMS ist das BMS speziell auf die Überwachung und Steuerung von Batterien ausgerichtet. Es überwacht jeden Aspekt des Batteriezustands, einschließlich Spannung, Strom, Temperatur und verschiedener Arten des Balancings. Damit stellt es sicher, dass die Batterien ordnungsgemäß funktionieren und sicher betrieben werden. Es gibt unterschiedliche Arten von BMS für Vanadium Redox-Flow-Batteriespeicher. Ein einfaches BMS kann eine konstante Lade- und Entladeleistung aufrechterhalten, um den Batteriebetrieb zu stabilisieren und den Energiefluss zu regeln. Fortgeschrittenere BMS-Systeme arbeiten adaptiv und passen die Lade- und Entladeleistung basierend auf den aktuellen Anforderungen des Systems und der Netzbedingungen an. Dies ermöglicht eine optimale Nutzung der Batteriekapazität. 

Während ein einfaches BMS die Kapazität und Leistung des Speichers fest vorgibt und nur begrenzte Anpassungen zulässt, bieten fortgeschrittenere BMS-Systeme die Möglichkeit zur unabhängigen Skalierung. Dies erlaubt eine präzise Anpassung an die spezifischen Anforderungen des Betriebs und eine flexiblere Integration in das Energiemanagementsystem des Unternehmens. 

Auch bei Zyklussteuerung und Effizienzoptimierung kann es Unterschiede geben. Einfache BMS-Systeme überwachen die Anzahl der Lade- und Entladezyklen und stellen sicher, dass die Batterie innerhalb ihrer Spezifikationen betrieben wird. Weiter entwickelte Systeme berücksichtigen darüber hinaus auch den aktuellen Zustand der Batterie und passen die Lade- und Entladevorgänge an, um die Lebensdauer zu maximieren. Fortgeschrittene BMS-Systeme nutzen darüber hinaus Echtzeitdaten und Algorithmen zur Optimierung der Effizienz. Sie passen die Lade- und Entladevorgänge kontinuierlich an, um den aktuellen Betriebsbedingungen gerecht zu werden. 

Digitalisierung bringt den Faktor Zeit ins Spiel

Ohne digitale Systeme zum Betrieb und zum Management ist eine effiziente Nutzung erneuerbarer Energien herausfordernd. Das EMS spielt dabei eine zentrale Rolle, indem es das Gesamtsystem optimiert. Dies trägt nicht nur zur effizienten Nutzung der erzeugten Energie bei, sondern ermöglicht auch die Erbringung von Netzdienstleistungen.

Ein angeschlossener Batteriespeicher mit einem entsprechenden intelligenten EMS vervollständigt diesen Lösungsansatz. Der Batteriespeicher bringt den Faktor Zeit ins Spiel, da er abhängig von Last- und Verbrauchsdaten Zeiten mit geringer Solarleistung überbrücken kann, wie beispielsweise in den Abend- und Nachtstunden. Zudem kann das EMS entscheiden, wann die gespeicherte Energie zum Eigenverbrauch verwendet wird, um zu anderen Zeitpunkten von günstigeren Tarifen bei Netzbezug zu profitieren.

Der Vorteil von Vanadium-Redox-Flow-Batterien

Die für die Solarenergie typischen volatilen Leistungszeiten – in der Regel arbeitet sie tagsüber und bei Sonnenschein, jedoch nicht nachts und eingeschränkt bei starker Bewölkung – lassen sich durch Vanadium-basierte Redox-Flow-Speicher am besten auffangen.

Vanadium-Redox-Flow hat mit bis zu 75 Prozent einen hohen Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung, was bedeutet, dass die Batterie die gespeicherte Energie mit minimalen Verlusten abgeben kann. Die Technologie ermöglicht bis zu 10.000 Lade- und Entladezyklen ohne Kapazitätsverluste und erlaubt somit langlebige und umweltfreundliche Speicherlösungen.

Weitere Vorteile von Vanadium-basierten Speichern sind, dass Vanadium als Abfallprodukt bei der Gewinnung anderer Rohstoffe anfällt und somit in hohen Mengen verfügbar ist. Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien bieten Vanadium-basierte Systeme zudem den Vorteil, dass sie keine schnelle Kapazitätsverschlechterung aufweisen und daher über eine längere Lebensdauer verfügen.

Das als Elektrolyt verwendete Vanadium ist darüber hinaus umweltfreundlicher als einige andere Batterietechnologien, die problematische Materialien wie zum Beispiel Lithium enthalten. Darüber hinaus sind Wartungsaufwand und Brandrisiko sehr gering, während die Sicherheit in Bezug auf thermische Instabilität hoch ist. Dies macht sie zu einer idealen Wahl für den langfristigen Einsatz in Solarenergieanlagen.

Betriebsinformationen einer PV-Anlage im EMS-Dashboard des VoltStorage VDIUM C50

Anhand des EMS-Dashboards lässt sich überprüfen, wie sich der Energieverbrauch (gelbe Linie) über den Zeitraum eines Tages verteilt darstellt, zu welcher Zeit die PV-Anlage Strom erzeugt (blaue Linie) und wann und wieviel Strom zur Deckung des Bedarfs aus dem Netz bezogen wird (schwarze Linie). In der Installation arbeitet bereits eine Batterie (siehe Grafik 2), die dafür sorgt, dass Netzbezug (schwarz) vermieden wird, was der Darstellung nach gut gelingt.

Tagsüber, wenn es einen Überschuss an erzeugter Energie gibt, wird die an die PV-Anlage angeschlossene Batterie geladen. Im gezeigten Beispiel geschieht das so lange, bis sie gegen kurz nach 14:00 Uhr voll ist. Abends (ab ca. 17:40 Uhr), wenn die Erzeugungsleistung der PV sinkt und geringer ist als der Verbrauch, steuert die Batterie gegen. Um in dieser Zeit die fehlende Verbrauchsabdeckung durch Netzbezug zu vermeiden, entlädt sie sich. Die Kapazität der Batterie ist ausreichend, um die gesamte Zeit ohne PV-Erzeugung zwischen 17:40 Uhr und den Morgenstunden des nächsten Tages zu überbrücken. Ab ca. 7:30 Uhr ist dann die Leistung der PV-Anlage wieder ausreichend genug, um die Entladung der Batterie zu beenden und sie stattdessen zu beladen.

Erneuerbare Energien effizient erzeugen, speichern und nutzen

Die Arbeit von Energiemanagementsystem (EMS) und Batteriemanagementsystem (BMS) ist von entscheidender Bedeutung, um die optimale Leistung und Sicherheit eines Batteriespeichersystems und somit auch die wirtschaftliche Nutzung von Solarenergie sicherzustellen. Die Systeme machen es möglich, die Faktoren Bedarf, Leistung, Kapazität und Zeit so aufeinander abzustimmen, dass Solarenergie zur kalkulierbaren und steuerbaren Option für nachhaltige Energieerzeugung und -nutzung wird.