So dimensionieren Sie ein gewerbliches Batterie-Energiespeichersystem

Wenn sich ein Unternehmen mit Batteriespeichern zu beschäftigen beginnt, ist eine der ersten Fragen in der Regel: Wie groß sollte das System sein?

Es gibt keine pauschale Antwort, die sich nur an der Größe des Gebäudes oder der monatlichen Stromrechnung orientiert. Eine Fabrik mit gleichmäßigem Stromverbrauch benötigt möglicherweise ein ganz anderes Batteriesystem als eine andere Fabrik mit demselben Monatsverbrauch, aber kurzen, teuren Lastspitzen.

Bei den meisten gewerblichen Projekten läuft die Batteriedimensionierung auf zwei Fragen hinaus:

• Wie viel Leistung muss das System zu einem Zeitpunkt bereitstellen?
• Wie lange muss es diese Leistung kontinuierlich bereitstellen?

Die erste Frage bestimmt die Systemleistung in kW. Die zweite bestimmt die Batteriekapazität in kWh.

Eine einfache Ausgangsformel

Erforderliche Batteriekapazität = Last × Betriebszeit ÷ nutzbare DoD ÷ Systemwirkungsgrad

Diese Formel bietet einen nützlichen Ausgangspunkt; die endgültige Systemgröße sollte jedoch auch das tatsächliche Lastprofil, die Spitzenlast, kritische Lasten und die erwartete Batteriealterung berücksichtigen.

Mit dem Einsatzzweck der Batterie beginnen

Bevor Sie Berechnungen anstellen, legen Sie fest, welche Hauptaufgabe die Batterie erfüllen soll.

Ein für Peak Shaving ausgelegtes System wird nicht auf dieselbe Weise dimensioniert wie ein für die Notstromversorgung ausgelegtes System. Eine Batterie, die tagsüber Solarstrom speichert, kann ebenfalls eine andere Konfiguration erfordern.

Peak Shaving

Peak Shaving bedeutet, die Batterie einzusetzen, wenn der Leistungsbedarf der Anlage einen festgelegten Grenzwert überschreitet.

Beispielsweise liegt der Leistungsbedarf einer Fabrik normalerweise bei etwa 500kW, kann gelegentlich aber auf 750kW. ansteigen. Wenn das Ziel darin besteht, die Netzbezugsleistung unter 600kW zu halten, muss die Batterie während der Spitzenlastperiode möglicherweise bis zu 150kW bereitstellen.

In diesem Fall sind die wichtigsten Fragen:

• Wie viele Kilowatt müssen reduziert werden?
• Wie lange hält die Spitzenlast normalerweise an?
• Wie häufig tritt sie auf?

Notstromversorgung

Bei der Notstromversorgung beginnt die Berechnung mit den Geräten, die bei einem Netzausfall weiterbetrieben werden müssen.

Das bedeutet nicht immer, dass die gesamte Anlage versorgt werden muss. In vielen Projekten muss der Speicher nur ausgewählte kritische Lasten versorgen, zum Beispiel:

• Produktionssteuerungssysteme
• Beleuchtung und Kommunikation
• Kältegeräte
• Wasserpumpen
• Sicherheitssysteme
• Ausgewählte Produktionsmaschinen

Die Trennung kritischer Lasten von nicht wesentlichen Lasten macht das Projekt oft deutlich praktikabler und kostengünstiger.

Solarstromspeicherung

In einem Solar-plus-Speicher-Projekt kann die Batterie geladen werden, wenn die Solarerzeugung höher ist als die Last der Anlage, und später am Tag entladen werden.

Diese Art von Projekt erfordert stündliche Daten zur Solarerzeugung und zum Stromverbrauch. Monatliche Summen allein reichen nicht aus, da sie nicht zeigen, wann die Energie erzeugt oder verbraucht wird.

Bei Projekten, die hauptsächlich auf die Abstimmung der Batteriekapazität auf die Photovoltaik-Erzeugung ausgerichtet sind, sehen Sie unsere Leitfaden zur Dimensionierung von Solar-Batteriespeichern.

kW und kWh sind nicht dasselbe

Dies ist einer der wichtigsten Punkte bei der Dimensionierung gewerblicher Batteriespeicher.

kW zeigt, wie viel Leistung das System bereitstellen kann

Die Nennleistung eines BESS wird in Kilowatt gemessen. Sie zeigt, wie viel Leistung das System gleichzeitig laden oder entladen kann.

In den meisten gewerblichen Systemen wird diese Leistung hauptsächlich durch das PCS oder das Power Conversion System bestimmt.

Ein 100kW PCS kann unter Nennbedingungen in der Regel etwa 100kW Dauerleistung liefern. Selbst wenn er an eine 500kWh Batterie angeschlossen ist, kann er eine 150kW Last nicht dauerhaft versorgen, sofern das System nicht über ausreichende PCS-Kapazität verfügt.

kWh gibt an, wie lange die Batterie betrieben werden kann

Die Batteriekapazität wird in kWh gemessen.

Eine einfache Möglichkeit, den Zusammenhang zu verstehen, ist:

• Eine Batterie mit 100kWh, die eine 50kW Last versorgt, hat eine theoretische Laufzeit von zwei Stunden.
• Eine Batterie mit 200kWh, die eine 50kW Last versorgt, hat eine theoretische Laufzeit von vier Stunden.
• Eine Batterie mit 500kWh, die eine 250kW Last versorgt, hat eine theoretische Laufzeit von zwei Stunden.

Dies sind theoretische Werte. Die tatsächliche Laufzeit wird geringer sein, da ein Teil der Batteriekapazität normalerweise reserviert ist und beim Laden und Entladen auch Energie verloren geht.

kW gibt an, wie viel Last BESS tragen kann.

kWh gibt an, wie lange diese Last getragen werden kann.

Verwenden Sie nach Möglichkeit reale Lastdaten

Monatliche Stromrechnungen sind nützlich, liefern aber selten genügend Details für eine genaue Dimensionierung von BESS.

Die hilfreichste Information ist normalerweise ein Lastprofil vom Typ 15-minute oder 30-minute. Daraus geht hervor, wie sich der Strombedarf über den Tag verändert.

Achten Sie bei der Prüfung der Lastdaten auf:

• Höchstlast
• Durchschnittliche Betriebslast
• Täglicher Stromverbrauch
• Zeitpunkt der Spitzenlast
• Dauer der Spitzenlastperiode
• Unterschiede zwischen Werktagen und Wochenenden
• Saisonale Schwankungen
• Kritische Last bei einem Stromausfall

Betrachten Sie zwei Fabriken, die jeweils 300,000kWh pro Monat verbrauchen.

Eine Fabrik kann den ganzen Tag über mit einer stabilen Last betrieben werden. Die andere kann eine ausgeprägte zweistündige Spitze aufweisen, die dadurch entsteht, dass mehrere Produktionslinien gleichzeitig anlaufen. Obwohl ihr monatlicher Verbrauch ähnlich ist, werden sich ihre Anforderungen an die Batterie deutlich unterscheiden.

So berechnen Sie die erforderliche PCS-Leistung

PCS muss ausreichend dimensioniert sein, um die maximal erwartete Leistung aus der Batterie abzudecken.

Für die Notstromversorgung

Addieren Sie die kritischen Lasten, die gleichzeitig in Betrieb sein können.

Angenommen, die kritische Last beträgt 80kW.. Addiert man eine Marge von 20 %, ergibt sich:

80kW × 1.2 = 96kW

Ein 100kW PCS kann eine sinnvolle Wahl sein.

Die zusätzliche Marge kann dazu beitragen, temporäre Laständerungen, künftige Geräteerweiterungen und den Anlaufstrom von Motoren oder Kompressoren abzudecken.

Für die Spitzenlastkappung

Die PCS-Leistung sollte grundsätzlich der größten Leistung entsprechen, die von der Netzlastspitze abgezogen werden muss.

Zum Beispiel:

• Maximaler Anlagenbedarf: 800kW
• Angestrebter Netzbezug: 600kW
• Erforderliche Reduzierung: 200kW

BESS sollte während der Spitzenlastperiode etwa 200kW bereitstellen können.

In der Praxis kann der endgültige PCS-Nennwert etwas höher liegen, um eine gewisse Betriebsreserve zu belassen.

Berechnung der Batteriekapazität

Sobald die benötigte Leistung bekannt ist, muss im nächsten Schritt berechnet werden, wie viel Energie die Batterie speichern muss.

Batteriekapazität = Last × Betriebszeit ÷ DoD ÷ Systemwirkungsgrad

In dieser Formel:

• Last ist die erforderliche Batterieleistung in kW.
• Betriebszeit ist die erforderliche Dauer in Stunden.
• DoD ist die nutzbare Entladetiefe.
• Systemwirkungsgrad berücksichtigt Energieverluste in der Batterie und PCS.

Beispiel für Notstromversorgung

Ein Fabrikbetrieb möchte eine kritische Last von 100kW für zwei Stunden versorgen.

• Kritische Last: 100kW
• Notstromdauer: 2 Stunden
• Nutzbare Entladetiefe (DoD): 90%
• Systemwirkungsgrad: 92%

Die Berechnung lautet:

100kW × 2 ÷ 0.90 ÷ 0.92 = 241.5kWh

Ein Standardsystem mit etwa 250kWh oder 261kWh kann geeignet sein, abhängig von der verfügbaren Konfiguration und der erforderlichen Reserve.

Wenn dieselbe Last eine Backup-Zeit von vier Stunden benötigt:

100kW × 4 ÷ 0.90 ÷ 0.92 = 483.1kWh

In diesem Fall kann ein System mit etwa 500kWh in Betracht gezogen werden.

Beispielrechnung für Peak Shaving

Beim Peak Shaving hängt die Batteriekapazität sowohl vom Reduktionsziel als auch von der Dauer der Lastspitze ab.

Angenommen, ein Werk möchte den Netzbezug für zwei Stunden um 200kW reduzieren.

Der theoretische Energiebedarf beträgt:

200kW × 2 Stunden = 400kWh

Nach Berücksichtigung von 90% DoD und 92% Systemwirkungsgrad:

400kWh ÷ 0.90 ÷ 0.92 = 483.1kWh

Eine mögliche Konfiguration wäre:

• Etwa 200kW PCS Leistung
• Etwa 500kWh Batteriekapazität

Die tatsächliche Lastkurve kann jedoch zeigen, dass die Batterie nicht während der gesamten zwei Stunden die volle 200kW bereitstellen muss. In diesem Fall kann die endgültige Batteriekapazität geringer ausfallen.

Deshalb sind Lastdaten in Intervallen deutlich aussagekräftiger, als einfach die Höchstlast mit der Anzahl der Stunden zu multiplizieren.

Um den finanziellen Zweck hinter dieser Anwendung zu verstehen, lesen Sie mehr darüber, wie Batteriespeicher Leistungskosten senken können.

Nicht die volle Nennkapazität ansetzen

Eine Batterie mit einer Nennkapazität von 500kWh stellt der Last üblicherweise nicht die volle 500kWh zur Verfügung.

Drei Faktoren sind zu berücksichtigen.

Entladetiefe

Die Entladetiefe zeigt, wie viel der Nennkapazität der Batterie für den normalen Betrieb verfügbar ist.

Bei 90% Entladetiefe stellt eine Batterie mit 500kWh etwa 450kWh bereit, bevor weitere Verluste berücksichtigt werden.

Systemverluste

Ein Teil der Energie geht im PCS, in der Batterie, im Transformator, in den Kabeln und in den Hilfskomponenten verloren.

Kühlsysteme, Steuerungskomponenten und Brandschutzsysteme können ebenfalls eine geringe Leistung aufnehmen.

Batteriealterung

Die Batteriekapazität nimmt mit der Zeit allmählich ab.

Wenn ein Projekt auch nach mehreren Jahren noch eine bestimmte Überbrückungszeit bereitstellen muss, muss die Batterie möglicherweise von Anfang an größer dimensioniert werden als der Bedarf im ersten Jahr.

Wenn das Projekt beispielsweise am Ende der geplanten Betriebsdauer 500kWh benötigt und die erwartete Restkapazität 80% beträgt:

500kWh ÷ 0.80 = 625kWh

Das bedeutet nicht, dass jedes Projekt im gleichen Umfang überdimensioniert werden muss. Die Reserve sollte sich nach der Batteriegarantie, der erwarteten Zyklenzahl und den Betriebsbedingungen richten.

Häufige Fehler bei der kommerziellen Dimensionierung von BESS

Nur den monatlichen Stromverbrauch betrachten

Der Monatsverbrauch zeigt nicht, wann Lastspitzen auftreten oder wie lange sie andauern.

Batteriekapazität wählen, ohne die Leistung von PCS zu prüfen

Eine große Batterie kann eine große Last nicht versorgen, wenn PCS zu klein dimensioniert ist.

Nennkapazität als nutzbare Kapazität behandeln

DoD, Effizienzverluste und Reserveeinstellungen reduzieren alle die für die Last verfügbare Energiemenge.

Alle Lasten überbrücken wollen

Die Versorgung der gesamten Anlage kann das System deutlich größer als erforderlich machen. Häufig ist es besser, die Geräte zu identifizieren, die tatsächlich eine unterbrechungsfreie Stromversorgung benötigen.

Anlaufleistung von Motoren ignorieren

Pumpen, Kompressoren und Industriemotoren können beim Anlaufen deutlich mehr Leistung aufnehmen als im Normalbetrieb.

Das größtmögliche System wählen

Eine größere Batterie ist nicht automatisch eine bessere Investition. Wird die Batterie selten vollständig genutzt, kann die zusätzliche Kapazität lediglich die Projektkosten erhöhen.

Welche Informationen sollten vor der Dimensionierung eines BESS vorbereitet werden?

Ein Lieferant kann in der Regel eine genauere Empfehlung abgeben, wenn die folgenden Informationen vorliegen:

• Projektstandort
• Netzspannung und Frequenz
• Aktuelle Stromrechnungen
• Lastdaten für 15-minute oder 30-minute
• Höchstlast
• Kritische Last
• Erforderliche Überbrückungszeit
• Bestehende oder geplante Solarleistung
• Transformatorkapazität
• Verfügbare Installationsfläche
• Hauptzweck des Batteriesystems

Auch wenn nicht alle Daten vorliegen, sind die maximale Last, die kritische Last, die erwartete Betriebszeit und das Projektziel die wichtigsten Informationen.

Häufig gestellte Fragen

Welche Batteriegröße ist für eine Last von 100kW erforderlich?

Für zwei Stunden Überbrückung kann eine Last von 100kW unter Berücksichtigung von DoD und Systemeffizienz etwa 240kWh oder mehr erfordern. Für vier Stunden kann der Bedarf bei etwa 480kWh oder mehr liegen.

Benötigt ein 100kW PCS eine 100kWh Batterie?

Nicht unbedingt. Ein 100kW PCS mit einer Batterie vom Typ 100kWh ist in etwa ein System für eine Stunde. Derselbe PCS kann auch mit 200kWh, 400kWh oder mehr kombiniert werden, je nach erforderlicher Betriebszeit und Entladerate der Batterie.

Wie viel Batteriespeicher benötigt eine Fabrik?

Das hängt davon ab, welche Aufgabe die Batterie erfüllen soll. Ein kleines Peak-Shaving-Projekt benötigt möglicherweise nur einige hundert kWh, während eine langandauernde industrielle Notstromversorgung mehrere MWh erfordern kann.

Kann dasselbe BESS sowohl Backup als auch Peak Shaving bereitstellen?

Ja, aber die Betriebsstrategie muss ausreichend Batteriekapazität für das Backup reservieren. Wenn die Batterie für Peak Shaving stark entladen wird, steht möglicherweise nicht genügend Energie zur Verfügung, wenn ein Ausfall auftritt.

Ist es besser, zusätzliche Batteriekapazität zu installieren?

Eine angemessene Reserve kann für die Batteriealterung und zukünftiges Lastwachstum sinnvoll sein. Allerdings kann zusätzliche Kapazität ohne klaren betrieblichen Bedarf das System verteuern und die finanzielle Rendite verringern.

Auswahl einer praxisgerechten Systemgröße

Eine sinnvolle BESS-Auslegung beginnt nicht mit einem Produktmodell. Sie beginnt mit dem tatsächlichen Stromverbrauch der Anlage.

Zuerst ist zu bestimmen, welche Aufgabe die Batterie erfüllen muss. Dann werden die erforderliche Leistung, die Betriebszeit und die nutzbare Batteriekapazität berechnet. Anschließend können technische Faktoren wie DoD, Wirkungsgrad, Motoranlaufleistung und Batteriealterung in die Berechnung einfließen.

Bei einem einfachen Backup-Projekt kann die Berechnung unkompliziert sein. Bei Peak Shaving oder Solarenergiemanagement ist die Lastkurve in der Regel die wichtigste Information.

Es geht nicht darum, die größte Batterie zu wählen. Es geht darum, ein System zu wählen, das die erforderliche Aufgabe erfüllen kann, ohne dass ein großer Teil teurer Kapazität ungenutzt bleibt.

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