Das elektrochemische Energiespeichersystem besteht aus zwei Teilen: der Gleichstromseite und der Wechselstromseite. Die Gleichstromseite umfasst das Batterielager mit Batterien, Temperaturregelung, Brandschutz, Verteilerschränken, Containern und weiterer Ausrüstung. Die Wechselstromseite ist das elektrische Lager mit Energiespeicherumrichtern, Transformatoren, Containern usw. Die elektrische Energieübertragung zwischen dem Energiespeichersystem und dem Stromnetz erfolgt über die Wechsel-Gleichstrom-Wandlung des PCS-Umrichters.
1. Klassifizierung von Energiespeichersystemen
Nach ihrer elektrischen Struktur lassen sich großtechnische Energiespeichersysteme wie folgt unterteilen:
(1) Zentralisiert: Ein zentralisiertes, netzgekoppeltes Energiespeichersystem vom Niederspannungs-Hochleistungstyp. Mehrere Batteriecluster sind parallel geschaltet und an ein PCS (Power-to-Converter) angeschlossen. Das PCS ist auf hohe Leistung und hohen Wirkungsgrad ausgelegt. Aktuell wird die 1500-V-Lösung vorangetrieben.
(2) Verteilt: Verteiltes Niederspannungs- und Niedrigleistungs-Energiespeichersystem mit Netzanschluss, wobei jeder Batteriecluster mit einer PCS-Einheit verbunden ist und die PCS eine Niedrigleistungs- und verteilte Anordnung aufweist.
(3) Intelligenter String-Typ: Auf der Grundlage der Architektur des verteilten Energiespeichersystems werden innovative Technologien wie die Energieoptimierung auf Batteriemodulebene, die Energiesteuerung einzelner Batteriecluster, das digitale intelligente Management und der vollständig modulare Aufbau eingesetzt, um eine effizientere Anwendung von Energiespeichersystemen zu erreichen.
(4) Hochspannungs-Kaskaden-Hochleistungs-Energiespeichersystem: Einzelcluster-Batteriewechselrichter, direkt an das Stromnetz mit einer Spannung über 6/10/35 kV ohne Transformator angeschlossen. Die Kapazität einer einzelnen Einheit kann 5 MW/10 MWh erreichen.
(5) Verteilte Bauart: Mehrere Zweige auf der Gleichstromseite sind parallel geschaltet, am Ausgang des Batterieclusters wird ein DC/DC-Wandler zur Trennung des Batterieclusters hinzugefügt, und die DC/DC-Wandler werden nach der Sammlung mit der zentralen PCS-Gleichstromseite verbunden.
2. Die Weiterentwicklung der Energiespeichertechnologie konzentriert sich auf Sicherheit, Kosten und Effizienz.
Sicherheit, Kosten und Effizienz sind die zentralen Aspekte, die bei der Entwicklung von Energiespeichern berücksichtigt werden müssen. Kern der Weiterentwicklung von Energiespeichertechnologien ist die Verbesserung der Sicherheit, die Senkung der Kosten und die Steigerung der Effizienz.
(1) Sicherheit
Die Sicherheit von Energiespeicherkraftwerken ist das wichtigste Thema der Branche. Zu den potenziellen Sicherheitsrisiken elektrochemischer Energiespeicherkraftwerke zählen Brände durch Elektrizität, Batteriebrände, Wasserstoffexplosionen im Brandfall, Systemstörungen usw. Die Ursache für Sicherheitsprobleme in Energiespeicherkraftwerken lässt sich meist auf das thermische Durchgehen der Batterie zurückführen. Ursachen hierfür sind mechanische, elektrische und thermische Überlastung. Um Sicherheitsprobleme zu vermeiden, ist eine strenge Überwachung des Batteriezustands unerlässlich, um das Auftreten von Anreizen für ein thermisches Durchgehen zu verhindern.
(2) Hohe Effizienz
Die Zellkonsistenz ist ein Schlüsselfaktor für die Systemeffizienz. Sie hängt von der Batteriequalität, der Energiespeichertechnologie und den Betriebsbedingungen ab. Mit zunehmender Anzahl an Ladezyklen werden die Unterschiede zwischen den Batterien immer deutlicher. Im überlagerten Betrieb verstärken sich diese Unterschiede, und das Konsistenzproblem tritt deutlich hervor. Dies stellt das Batteriemanagementsystem (BMS) vor Herausforderungen und birgt sogar Sicherheitsrisiken. Daher sollte die Batteriekonsistenz im Design und Betrieb von Energiespeicherkraftwerken so weit wie möglich verbessert werden, um die Systemeffizienz zu steigern.
(3) Niedrige Kosten
Die Kosten eines Energiespeichersystems hängen von der Anfangsinvestition und der Zyklenlebensdauer ab. Alterung und Leistungsabfall der Batteriematerialien, das Lade- und Entladesystem, die Betriebstemperatur der Batterie und die Monomerzusammensetzung beeinflussen die Zyklenlebensdauer. Beträgt die Temperaturdifferenz im Speichergehäuse mehr als 10 Grad, verkürzt sich die Lebensdauer der Batterie um mehr als 15 %. Auch unterschiedliche Temperaturerhöhungen zwischen den Modulen können die Gesamtlebensdauer des Systems verkürzen. Um die Zyklenlebensdauer des Energiespeichersystems zu verbessern, sollten das Lade- und Entladeverfahren optimiert, die Temperaturdifferenz zwischen den Modulen reduziert und die Monomerzusammensetzung der Batterie verbessert werden.
3. Technologieansatz zur Integration von Energiespeichern: Topologieschemata werden schrittweise iteriert
(1) Zentralisierte Lösung: 1500 V statt 1000 V sind zum Trend geworden
Mit der Entwicklung zentralisierter Windkraftanlagen und dem Ausbau von Energiespeichern mit höherer Kapazität hat sich die Hochspannungs-Gleichstromtechnik als wichtigste Lösung zur Kostensenkung und Effizienzsteigerung etabliert. Energiespeichersysteme mit einer auf 1500 V erhöhten Gleichspannung setzen sich zunehmend durch. Im Vergleich zu herkömmlichen 1000-V-Systemen erhöht das 1500-V-System die Spannungsfestigkeit von Kabeln, BMS-Hardwaremodulen, PCS und anderen Komponenten von maximal 1000 V auf maximal 1500 V. Die 1500-V-Technologie für Energiespeichersysteme stammt aus der Photovoltaik. Laut CPIA-Statistiken lag der Marktanteil von Photovoltaikanlagen mit einer Gleichspannung von 1500 V im Jahr 2021 bei rund 49,4 % und wird voraussichtlich zukünftig auf nahezu 80 % steigen. Das 1500-V-Energiespeichersystem trägt zur Verbesserung der Kompatibilität mit Photovoltaikanlagen bei.
Die Leistung des 1500-V-Energiespeichersystems ist im Vergleich zur 1000-V-Lösung ebenfalls verbessert. Am Beispiel der Lösung von Sungrow lässt sich zeigen, dass die Energiedichte und Leistungsdichte des Batteriesystems im Vergleich zum 1000-V-System um mehr als 35 % gestiegen sind. Das Kraftwerk mit gleicher Kapazität benötigt weniger Ausrüstung, und die Kosten für Batteriesystem, PCS, BMS, Kabel und weitere Komponenten werden deutlich reduziert. Gleichzeitig sinken auch die Kosten für Infrastruktur und Grundstücksinvestitionen. Schätzungen zufolge reduzieren sich die anfänglichen Investitionskosten des 1500-V-Energiespeichersystems im Vergleich zur herkömmlichen Lösung um mehr als 10 %. Gleichzeitig steigt jedoch mit der Spannung des 1500-V-Energiespeichersystems die Anzahl der in Reihe geschalteten Batterien, was die Regelung der Gleichstromversorgung erschwert und höhere Anforderungen an die Vermeidung von Gleichstromlichtbögen sowie an die elektrische Isolationsauslegung stellt.
(2) Verteilte Lösung: hocheffiziente und ausgereifte Lösung
Die dezentrale Lösung wird auch als mehrsträngige Parallelschaltung auf der Wechselstromseite bezeichnet. Im Vergleich zur zentralisierten Lösung wandelt sie die Parallelschaltung der Gleichstromseite des Batterieclusters mittels eines verteilten String-Wechselrichters in eine Parallelschaltung der Wechselstromseite um. Dadurch werden die Risiken von Parallelkreisläufen, Kapazitätsverlusten und Gleichstromüberschlägen, die durch die Parallelschaltung auf der Gleichstromseite entstehen können, vermieden und die Betriebssicherheit erhöht. Gleichzeitig verbessert sich die Regelungsgenauigkeit von mehreren Batterieclustern auf einen einzelnen Batteriecluster, was zu einer höheren Regelungseffizienz führt.
Das Energiespeicherkraftwerk Huangtai von Shandong Huaneng ist das weltweit erste 100-Megawatt-Energiespeicherkraftwerk mit dezentraler Steuerung. Es nutzt Batterien von CATL und das PCS-System von Sineng Electric. Nach der Inbetriebnahme wird die Auslastung der Batteriekapazität voraussichtlich bei rund 92 % liegen, was 7 Prozentpunkte über dem aktuellen Branchendurchschnitt entspricht. Durch die dezentrale Steuerung der Batteriecluster kann zudem der Ladezustand (SOC) der Batterien automatisch kalibriert werden, was den Betriebs- und Wartungsaufwand deutlich reduziert. Der Wirkungsgrad im Netzbetrieb beträgt 87,8 %. Laut aktuellen Projektangeboten ist das dezentrale System nicht teurer als ein zentrales.
(3) Intelligente Clusterlösung: ein Paket, eine Optimierung, ein Cluster, ein Management
Die von Huawei vorgeschlagene intelligente String-Lösung behebt drei Hauptprobleme zentralisierter Lösungen: (1) Kapazitätsverlust. Bei herkömmlichen Lösungen führt die Verwendung von Batterien zu einem deutlichen Kurzschlusseffekt. Die Batteriemodule sind parallel geschaltet. Beim Laden ist eine Batteriezelle voll, der Ladevorgang stoppt. Beim Entladen ist eine Batteriezelle leer, der Entladevorgang stoppt. Die Gesamtlebensdauer des Systems hängt von der Lebensdauer der Batterie mit der kürzesten Kapazität ab. (2) Inkonsistenz. Im Betrieb und in der Anwendung des Energiespeichersystems kommt es aufgrund unterschiedlicher Umgebungsbedingungen zu Schwankungen in der Batteriekonsistenz, was zu einem exponentiellen Kapazitätsverlust des Systems führt. (3) Kapazitätsabweichung. Die Parallelschaltung von Batterien verursacht häufig Kapazitätsabweichungen, sodass die tatsächliche Batteriekapazität deutlich unter der Sollkapazität liegt.
Die intelligente String-Lösung behebt die drei oben genannten Probleme der zentralisierten Lösung durch ein intelligentes und modulares Design: (1) String-Architektur: Der Energieoptimierer realisiert das Management auf Modulebene, der Batteriecluster-Controller sorgt für den Ausgleich zwischen den Clustern, und die verteilte Klimaanlage reduziert die Temperaturunterschiede. (2) Intelligenz: Fortschrittliche IKT-Technologien wie KI und Cloud-BMS werden zur Erkennung interner Kurzschlüsse eingesetzt, KI prognostiziert den Batteriestatus, und intelligente Temperaturregelungsstrategien mit mehreren verknüpften Modellen gewährleisten optimale Lade- und Entladezustände. (3) Modularisierung: Das modulare Design des Batteriesystems ermöglicht die separate Trennung defekter Module, ohne den normalen Betrieb der anderen Module im Cluster zu beeinträchtigen. Dank des modularen Designs der Leistungselektronik (PCS) arbeiten die übrigen PCS weiter, wenn ein einzelnes ausfällt, und das System bleibt auch bei Ausfall mehrerer PCS funktionsfähig.
(4) Hochspannungs-Kaskadierungsschema: Hocheffizientes Schema ohne Parallelstruktur
Die Hochspannungs-Kaskadenspeicherlösung ist mittels Leistungselektronik so ausgelegt, dass sie ohne Transformator eine Netzanschlussspannung von 6–35 kV erreicht. Am Beispiel der 35-kV-Lösung von Xinfengfeng lässt sich zeigen, dass das einzelne Energiespeichersystem eine Kapazität von 12,5 MW/25 MWh aufweist. Der elektrische Aufbau des Systems ähnelt dem eines Hochspannungs-SVG und besteht aus drei Phasen (A, B und C). Jede Phase enthält 42 H-Brücken-Leistungseinheiten, die jeweils 42 Batteriecluster versorgen. Insgesamt 126 H-Brücken-Leistungseinheiten in den drei Phasen versorgen 126 Batteriecluster und speichern insgesamt 25,288 MWh elektrische Energie. Jeder Batteriecluster besteht aus 224 in Reihe geschalteten Zellen.
Die Vorteile des Hochspannungs-Kaskadierungsschemas zeigen sich in: (1) Sicherheit. Da im System keine Zellen parallel geschaltet sind, ist der Austausch defekter Batterien eingeschränkt, der Einflussbereich gering und die Wartungskosten niedrig. (2) Konsistenz. Die Akkupacks sind nicht direkt, sondern erst nach der AC/DC-Wandlung verbunden. Dadurch kann der Ladezustand (SOC) aller Akkupacks über die AC/DC-Wandlung geregelt werden. Jeder Akkupack enthält nur einen Batteriecluster; eine Parallelschaltung der Batteriecluster ist nicht möglich, wodurch Stromverteilungsprobleme vermieden werden. Die Regelung des Zellausgleichs erfolgt über das Batteriemanagementsystem (BMS) im Batteriecluster. Diese Lösung maximiert die Ausnutzung der Batteriekapazität. Bei gleicher Netzanschlussleistung können weniger Batterien installiert werden, was die Investitionskosten senkt. (3) Hohe Effizienz. Da im System keine Zellen/Batteriecluster parallel laufen, gibt es keinen Kurzschlusseffekt. Die Systemlebensdauer entspricht in etwa der Lebensdauer einer einzelnen Zelle, wodurch die Wirtschaftlichkeit des Energiespeichers maximiert wird. Das System benötigt keinen Aufwärtstransformator, und der tatsächliche Wirkungsgrad des Systemzyklus vor Ort erreicht 90%.
(5) Dezentrale Lösung: DC-Trennung + zentraler Wechselrichter
Das dezentrale System wird auch als mehrzweigige Parallelschaltung auf der Gleichstromseite bezeichnet. Im Gegensatz zum herkömmlichen zentralisierten System wird am Ausgang des Batterieclusters ein DC/DC-Wandler zur Trennung des Batterieclusters hinzugefügt. Dieser DC/DC-Wandler ist mit dem zentralen PCS (Power-to-Converter) verbunden. Auf der Seite werden zwei bis vier PCSs parallel an einen Vor-Ort-Transformator angeschlossen und nach der Spannungsanhebung durch den Transformator an das Netz angeschlossen. Durch die erhöhte DC/DC-Trennung im System werden Gleichstromüberschläge, Ausgleichsströme und Kapazitätsverluste, die durch die Gleichstromparallelschaltung entstehen, vermieden. Dies erhöht die Systemsicherheit und damit die Systemeffizienz erheblich. Da das System jedoch zwei Wechselrichterstufen durchlaufen muss, wirkt sich dies negativ auf die Systemeffizienz aus.
Veröffentlichungsdatum: 22. September 2023