DC-gekoppelte Batteriespeichersysteme
Gleichstromnetze in der Industrie gewinnen zunehmend an Bedeutung, denn mit DC-Netzen lässt sich die Energieeffizienz und Nachhaltigkeit deutlich steigern. Um diese Vorteile optimal nutzen zu können, müssen die Netze stabil und sicher versorgt werden. Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) tragen maßgeblich dazu bei.
Herausforderung
Versorgungssicherheit in der All Electric Society Factory
Als eines der ersten Industriegebäude in Deutschland haben wir unser neues Gebäude in Blomberg, die All Electric Society Factory, mit einem Gleichstromnetz ausgestattet, um uns die damit verbundenen Vorteile zu Nutzen zu machen. Ein besonderes Augenmerk lag dabei natürlich auf der Versorgungssicherheit, verbunden mit maximaler Energieeffizienz. Die Einbindung eines Batteriespeichersystems, das direkt mit dem DC-Netz verbunden ist, war daher naheliegend.
Einer der Vorteile eines DC-gekoppelten BESS ist die Effizienz im Vergleich zu herkömmlichen AC-Systemen. Da keine Umwandlung von Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) und umgekehrt erforderlich ist, werden Wandlungsverluste vermieden. Dies führt zu einer effizienteren Nutzung der gespeicherten Energie, maximiert die verfügbare Leistung und macht Batteriespeicher in DC-Netzen zu einer attraktiven Option.
Auch die kosteneffiziente Stromerzeugung durch erneuerbare Energien spielt in der All Electric Society Factory eine große Rolle. Sie bietet die Möglichkeit, den eigenen Energiebezug strategisch neu zu gestalten, um sich vor steigenden Stromkosten zu schützen und die Versorgung sicherzustellen. Mit einem Batteriespeichersystem kann zudem günstiger Strom gezielt eingekauft und dann genutzt werden, wenn er benötigt wird.
Batteriespeicher sind flexibel, da sie elektrische Energie mit hoher Leistung und Reaktionszeiten im Millisekundenbereich aufnehmen und abgeben können. Durch ihre modulare Bauweise lassen sie sich flexibel skalieren und anpassen – bis hin zu großformatigen, industriellen Speichersystemen. Analysemethoden ermöglichen eine präzise Überwachung und Steuerung des Energieinhalts und der Leistungsfähigkeit der Batterien. Die erfassten Daten können in Smart Grids dazu dienen, eine optimierte Einspeisung, Speicherung und Nutzung von Energie sicherzustellen. Dies trägt nicht nur zur Netzstabilität bei, sondern ermöglicht auch eine effizientere Integration erneuerbarer Energien.
Ein Gleichstromnetz optimiert die gesamte Energiekette von der Erzeugung über die Verteilung bis hin zum Verbrauch. Dabei sind Energiespeichersysteme unverzichtbar.
Tobias Lüke von Phoenix Contact Power Supplies GmbH und Roman Alberti von Voltfang GmbH
Zusammenarbeit als Erfolgsfaktor
Phoenix Contact kooperiert mit dem Unternehmen Voltfang
Das Aachener Unternehmen Voltfang GmbH entwickelt Methoden zur Verwertung von Elektromobilitätsbatterien. Second-Life-Batterien oder Batterien aus der Überproduktion, die für die Elektromobilität konzipiert wurden, weisen in der Regel eine höhere Belastungsfähigkeit auf als Batterien, die für die stationäre Anwendung entwickelt wurden. Voltfang nutzt das und setzt auf die Wiederverwendung von Hochleistungsbatterien, die auf eine hohe Zyklenfestigkeit ausgelegt sind. Durch optimierte Betriebsstrategien und ein intelligentes Energiemanagement wird die Lebensdauer dieser Batterien maximiert und die Effizienz für stationäre Anwendungen gesichert. Mit dem Voltfang Energiemanagementsystem in Verbindung mit PLCnext Technology können Anwendungsfälle wie Lastspitzenkappung, Eigenverbrauchsoptimierung, dynamische Stromtarife und Flexibilitätsvermarktung installiert und der wirtschaftliche Betrieb des Energiesystems optimiert werden. Zudem beschäftigen sich die Aachener seit Jahren mit der Kopplung von Batteriespeichersystemen an Gleichstromnetze. Der Grundstein für eine erfolgreiche Zusammenarbeit war damit gelegt.
Lösung
Von der Idee in den realen Betrieb: Ein Batteriespeicher vervollständigt die All Electric Society Factory
Als Resultat der Zusammenarbeit zwischen Phoenix Contact und Voltfang entstand eine Lösung mit einer Speicherkapazität von 300 kWh. Für den Stromspeicher, der vor der All Electric Society Factory seinen Platz gefunden hat, setzt Voltfang requalifizierte Batteriemodule aus Elektrofahrzeugen ein. Ihnen wird vor dem Recycling ein weiteres Leben geschenkt: mit der Erweiterung der Nutzungsdauer im stationären Speichereinsatz. Als Schnittstelle zwischen DC-Grid und Batterie werden die DC-Leistungsmodule CHARX eingesetzt, die die 270-kW-Systemleistung in beide Energieflussrichtungen bereitstellen. Neben Schaltschrankkomponenten wie Reihenklemmen, Sicherheitskomponenten, Relais und Sicherungseinsätzen wurde die 24-V-DC-Hilfsspannungsversorgung der Quintreihe inklusive USV von Phoenix Contact verwendet.
Die Eigenversorgung der Komponenten erfolgt aus der Batterie. Dadurch besitzt das System die Fähigkeit zum Schwarzstart des gesamten DC-Netzes und übernimmt somit auch die Ersatzstromfunktion im Energiesystem des Gebäudes. Das System ist in einem 20-Fuß-Container untergebracht und wird durch die Produkte der Reihe VAL MB von Phoenix Contact vor Überspannungen geschützt. Die Integration des DC-BESS ins DC-Netzmanagement erfolgt über die Plattform PLCnext Technology von Phoenix Contact. Das Voltfang-EMS regelt die Parameter für Ladung und Entladung durch einen vereinfachten Regelalgorithmus ausschließlich über die Systemspannung des DC-Verbunds. Dadurch werden Spannungsschwankungen ausgeglichen und das Netz stabilisiert. Die Kennlinie, nach der geregelt werden soll, wird dem Batterie-Energiespeichersystem vom übergeordneten Energiemanagementsystem in Abhängigkeit vom jeweiligen energiewirtschaftlichen Anwendungsfall vorgegeben. Normal arbeitet das Speichersystem als Netzstabilisator. Diese Systemarchitektur ermöglicht aufgrund minimierter Kommunikation zwischen den einzelnen Teilsystemen im Energienetz einen fehlerresistenten und skalierbaren Betrieb. Mit dem Pilotprojekt schufen die Unternehmen ein modular skalierbares, nachhaltiges und gleichzeitig effizientes Energiespeichersystem, das in ähnlichen Größenordnungen aufgrund höherer Effizienz und geringerem Materialeinsatz gegenüber der AC-Kopplung auch in anderen DC-Netzen in industriellen Anwendungen Einzug hält.
Produkte für DC-gekoppelte Batteriespeichersysteme