Verbessern Sie die Sicherheit, Verfügbarkeit und Leistung Ihrer Batterie Energiespeichersystemen

Die Herausforderung des Ungleichgewichts der Zellen

Die Batterie Energiespeichersystemen (bekannt als BESS oder ESS) ist für die Beschleunigung der Umstellung auf grüne Energie von entscheidender Bedeutung. Da die Erzeugung erneuerbarer Energie von den Wetterbedingungen abhängt, kann sie unvorhersehbar sein und nicht mit dem Zeitpunkt des Energieverbrauchs übereinstimmen. Die Batterie Energiespeichersystemen löst dieses Problem, da sie überschüssige Energie speichert, wenn sie im Überfluss vorhanden ist, und sie entlädt, wenn sie benötigt wird. Darüber hinaus bieten ESS Hilfsdienste wie die Frequenzreaktion, um die Zuverlässigkeit des Stromnetzes und den Betrieb innerhalb bestimmter Parameter aufrechtzuerhalten.

Die Batterie Energiespeichersystemen ist heute ein integraler Bestandteil des Stromnetzes auf der ganzen Welt, was bedeutet, dass ihre Verfügbarkeit und Sicherheit wichtiger denn je sind. In den letzten Jahren wurde eine beträchtliche Anzahl von BESS eingesetzt (Quelle: IEA), und es wird prognostiziert, dass diese Zahl in den nächsten Jahren noch erheblich ansteigen wird, wie in Abbildung 1 dargestellt. Darüber hinaus überstiegen die weltweiten Investitionen in Batteriespeicher 20 Milliarden USD im Jahr 2022 und werden voraussichtlich 35 Milliarden USD im Jahr 2023 übersteigen, was einem Anstieg von 75 % entspricht. Die zunehmenden Investitionen und der Einsatz von Energiespeichersystemen bedeuten, dass eine ernsthafte und professionelle Behandlung erforderlich ist, um zu messen, wie gut sie funktionieren, um sicherzustellen, dass sie ihre Anforderungen an das Stromnetz erfüllen und ihre ROI-Ziele erreichen.

Die zunehmende Anzahl von BESS, die Strom in das Netz einspeisen, birgt Risiken, weshalb die North American Electric Reliability Corp (NERC) weiterhin neue Zuverlässigkeitsstandards für inverterbasierte Ressourcen (IBR) - einschließlich Batteriespeicher, Wind- und Solarenergie3 - entwickelt. Batterien sind so komplexe Systeme, dass viel schief gehen kann, z. B. ein riskanter Temperaturanstieg, der das System vom Netz nehmen kann, oder ein Ungleichgewicht der Zellen, das mit der Zeit die Energiemenge verringert, die entladen werden kann. Die Batterie Energiespeichersystemen und andere Anlagen für erneuerbare Energien müssen in der Lage sein, die vereinbarte Strommenge zuverlässig in das Netz einzuspeisen. Wenn sie dazu nicht in der Lage sind, müssen sie mit Strafen rechnen und riskieren, dass sie in Zukunft die Vorschriften nicht einhalten.

Die Verfügbarkeit von BESS ist ebenso wichtig für Eigentümer und Betreiber, die keine Netzdienstleistungen erbringen, sondern im Energiehandel tätig sind. Um Preisschwankungen für den Kauf, die Speicherung und die Abgabe von Energie nach Bedarf nutzen zu können, muss das Energiespeichersystem zuverlässig sein. Es muss bei Bedarf verfügbar sein und sein optimales Potenzial ausschöpfen, da sonst der Handel unterbrochen oder unrentabel werden könnte. Außerdem können extreme Preisspitzen auf dem Markt dazu führen, dass Energiespeichersystemen schon bei wenigen Ereignissen - zum Beispiel bei extremem Wind - einen großen Teil der geplanten Einnahmen verliert. Wenn diese seltenen Ereignisse eintreten, muss das System betriebsbereit sein und optimal funktionieren, sonst lassen Anlagenbesitzer und -betreiber Geld auf dem Tisch liegen.

Unternehmen müssen dafür sorgen, dass Maßnahmen ergriffen werden, um eine hohe Verfügbarkeit und Sicherheit von Energiespeichersystemen zu gewährleisten. Das ist jedoch nicht einfach. Anlageneigentümer und -betreiber jonglieren mit vielen verschiedenen Aufgaben und haben oft keinen Überblick über die Vorgänge in ihrem ESS, was es praktisch unmöglich macht, zu erkennen, welche Probleme auftreten könnten und wie sie vermieden werden können. Es gibt zwar viele verschiedene Ursachen für eine schlechte Verfügbarkeit oder Ausfallzeiten, aber eine der Hauptursachen ist das Ungleichgewicht der Zellen. Das Erkennen und Lösen von Problemen mit Zellungleichgewichten kann einen großen Beitrag zur Gewährleistung der Sicherheit und Verfügbarkeit von BESS leisten. In diesem Whitepaper erörtern wir die Herausforderung des Zellungleichgewichts und wie die Batterieanalytik helfen kann, dieses Problem zu lösen.

Risiken von unausgewogenen Zellen

Unausgewogene Module und Zellen führen zu Wechselrichterfehlern und können zu Energieverschwendung führen. Dies kann äußerst problematisch sein und über die Lebensdauer einer Anlage zu Verlusten in Höhe von mehreren Milliarden Dollar/Euro führen. Eine von TWAICE durchgeführte interne Analyse ergab, dass bei einem 100-MWh-System ein Ungleichgewicht des Ladezustands (State of Charge, SoC) von 15 % bei der Hälfte aller Strings zu einem Einnahmeverlust von 10 Mio. EUR während der gesamten Lebensdauer der Anlage führen könnte.

Zellungleichgewichte können auftreten, weil die Batterie Energiespeichersystemen aus Hunderttausenden von einzelnen Batteriezellen besteht, und obwohl diese Zellen Teil desselben Systems sind, unterscheiden sie sich in Qualität und Alterung. Die schwächste Zelle unter ihnen bestimmt die Leistung. Wenn das BESS geladen wird, wird also nicht jede Zelle auf den gleichen Zielwert (z. B. 100 % SoC) aufgeladen. Gleichzeitig wird bei der Entladung nicht jede Zelle auf denselben Sollwert entladen (z. B. 0 % SoC).

Dies hat tiefgreifende Auswirkungen auf das BESS. Einerseits kann dies zu einer erheblichen Belastung der Batterie und des Antriebssystems außerhalb der vordefinierten und sicheren Betriebsfenster führen, was zu Sicherheitsproblemen, Ausfallzeiten und einer kürzeren Lebensdauer führt. Außerdem führt dies zu Energieverschwendung, was bedeutet, dass die BESS mit geringerer Wahrscheinlichkeit in der Lage sind, ihre Marktverpflichtungen zu erfüllen.

Abbildung 2 unten zeigt die Menge an verschwendeter Energie (rot), die aufgrund von Ungleichgewichten auftreten kann. Auf der linken Seite sehen Sie die SoC verschiedener Zellen, die vollständig entladen sein sollten. Sie haben jedoch nicht die gleiche Ladungsmenge. Daher erreicht die Zelle (die zweite von links) beim Aufladen vor den anderen Zellen 100 % Ladung, was bedeutet, dass die anderen Zellen nicht 100 % erreichen, was zu einer erheblichen Energieverschwendung führt.

SoC-Ungleichgewichte können natürlich aufgrund von Qualitätsunterschieden zwischen den einzelnen Batteriezellen auftreten, aber auch aufgrund der Art und Weise, wie das Batteriemanagementsystem (BMS) den Ladezustand berechnet. Das BMS berechnet den Ladezustand normalerweise auf der Grundlage der Coulomb-Zählmethode oder der Spannung. Die Coulomb-Zählmethode misst den Strom der Batterie, aber es häufen sich Fehler, wenn die Batterie über einen längeren Zeitraum verwendet wird, ohne vollständig geladen oder entladen zu sein, was eine genaue Schätzung des SoC erschwert. Die Einschränkung bei der Verwendung der Spannungsmethode zur Berechnung der SoC besteht darin, dass sich die Leerlaufspannung (OCV) mit der Temperatur und der Alterung ändert. Dies ist besonders problematisch für LFP-Speichersysteme, da diese eine flache OCV haben, so dass kleine Fehler in der Spannung zu großen Verzerrungen bei der SoC-Schätzung führen.(In diesem Whitepaper werden die verschiedenen Methoden zur Berechnung des Ladezustands von Batterien näher erläutert).

Wenn mehrere Zellen oder Module zusammengeschaltet werden, bedeutet die ungenaue SoC, die vom BMS bereitgestellt wird, dass einige Zellen über- und einige Zellen unterladen werden, was zu noch stärkeren SoC-Ungleichgewichten führt - und damit zu mehr Energieverschwendung und höheren Sicherheitsrisiken.

Zusammenfassung

Zellunsymmetrien sind ein Schlüsselindikator, der zu geringer Verfügbarkeit, Umsatzverlusten, Sicherheitsrisiken und einer kürzeren Batterielebensdauer führen kann. Zellungleichgewichte verursachen eine geringe Verfügbarkeit, da sie zu Energieverschwendung und mit der Zeit zu einer erhöhten Belastung der Batterie führen. Es ist zwar hilfreich zu wissen, wann und wo ein Zellungleichgewicht auftritt, aber noch hilfreicher ist es, die Grundursache des Problems zu verstehen. Dabei kann es sich um ein Problem handeln, das während der Herstellung oder Konstruktion aufgetreten ist, es kann mit HLK-Komponenten wie dem Kühlsystem zu tun haben oder es kann direkt aus der Art und Weise resultieren, wie das Speichersystem betrieben wird.

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Aufspüren schwacher Zellen mit der Batterieanalytik

Die Batterieanalyse bietet detaillierte Einblicke und Transparenz über das gesamte Batteriespeichersystem und erleichtert es, genau die Komponenten zu identifizieren, die nicht so funktionieren, wie sie sollten. Obwohl ein Batteriemanagementsystem den sicheren Betrieb der Batterie gewährleistet, liefert es nur begrenzte Informationen - Temperatur, Strom und Spannung sowie Berechnungen des Lade- und Gesundheitszustands. Wie im vorangegangenen Abschnitt erläutert, sind Ungleichgewichte zwischen den Zellen ein Hauptproblem, das von einem Batteriemanagementsystem nicht erkannt oder angezeigt wird.

Kontinuierliche Einblicke in Teilsystemebenen

Mit der Batterieanalyse können Anlagenbesitzer und -betreiber leicht erkennen, welche Wechselrichter und Strings hohe Ungleichgewichte aufweisen - angezeigt anhand der SoC- und Spannungsdimension. Dies hilft bei der Festlegung von Maßnahmen für die prädiktive Wartung, da die Wartungsteams wissen, wo sie vor Ort Untersuchungen durchführen müssen, und bei Bedarf Module oder externe Komponenten wie Kühlsysteme austauschen können. Mit diesen detaillierten Einblicken können Anlagenbesitzer und -betreiber vorhersagen, welche Module Ausfallzeiten verursachen könnten, und sie austauschen, bevor es dazu kommt.

Beispiel: Wechselrichter 2.1 Leistungsanalyse

Dieses Beispiel zeigt, wie Zellungleichgewichte mit Hilfe der Batterieanalyse ermittelt werden können. In diesem Fall, der in Abbildung 3 dargestellt ist, wies Wechselrichter 2.1 die höchste Spannungs- und TWAICE-Ladezustandsvarianz im gesamten System auf. Dies ist hauptsächlich auf zwei Strings aus der gesamten Gruppe zurückzuführen, was anhand der Farbverteilung deutlich zu erkennen ist. Diese Strings schränken die Leistung aller Strings innerhalb dieses Wechselrichters ein.

Dieses Ungleichgewicht konnte schließlich durch einen Systemausgleich behoben werden. Bei anderen Wechselrichtern traten jedoch ähnliche Probleme auf, allerdings mit steigender Tendenz. Die folgenden Diagramme zeigen die Entwicklung des TWAICE-Ladezustands im Zeitverlauf. Im Februar 2022 waren alle Wechselrichter ausgeglichen, wodurch die Ungleichgewichte in den meisten Strings im gesamten System verringert wurden. Aber insbesondere bei Wechselrichter 5 wiesen drei Stränge (5.1.2 bis 5.1.4) immer noch ein überdurchschnittliches Ungleichgewicht auf, das in den folgenden Monaten konstant blieb und sogar leicht anstieg. Die Analyse kann von den Betriebs- und Wartungsteams vor Ort genutzt werden, wenn sie Untersuchungen durchführen. Mit diesen Informationen wissen sie, dass sie direkt in die Stränge 5.1.2 bis 5.1.4 schauen und die Ausgleichsfunktion überprüfen sollten.

Die Ungleichgewichte verringern die Gesamtleistung ganz erheblich, in diesem Beispiel um bis zu 10 %. Eine geringere Leistung bedeutet ein geringeres Ertragspotenzial.

Die TWAICE-Analyse bietet die Möglichkeit, nicht nur den begrenzenden String zu identifizieren, sondern auch die einzelnen Module zu bestimmen, die für die verminderte Leistung der Strings 5.1.2 bis 5.1.4 verantwortlich sind. Letztlich weisen einzelne, schwache Zellen eine höhere, abnormale Selbstentladungsrate auf, die zu diesen Problemen führt.

Lassen Sie kein Geld auf dem Tisch liegen wegen eines falschen SoC von der BMS

Ein weiterer großer Vorteil der Batterieanalytik ist die Fähigkeit, eine SoC auf der Grundlage eines daten- und batteriemodellbasierten Ansatzes zu liefern, der eine höhere Genauigkeit als die vom BMS gelieferte SoC bietet. Dies bedeutet erstens, dass SoC-Ungleichgewichte berechnet und angezeigt werden können, was Anlagenbesitzern und -betreibern hilft, Ungleichgewichtsprobleme zu erkennen und zu beheben. Zweitens bietet es den Eigentümern und Betreibern von Speichersystemen Vertrauen, da sie darauf vertrauen können, dass die Batterie ausreichend geladen ist, um die Leistungsanforderungen eines bestimmten Dienstes zu erfüllen.

Schlussfolgerung

Selbst geringfügige Ungleichgewichtsprobleme können zu unnötigen Ausfallzeiten und Umsatzeinbußen führen, insbesondere wenn sie mit anderen Problemen kombiniert werden. Die von der Batterieanalytik gelieferten Erkenntnisse ermöglichen es Anlagenbesitzern und -betreibern, Gleichgewichtsprobleme zu erkennen, die Planung von Gegenmaßnahmen zu unterstützen und schwache Zellen und Module zu identifizieren und zu beheben, bevor sie die Leistung, Verfügbarkeit oder Lebensdauer einschränken. Das Aufspüren von Problemen durch Analysen und deren proaktive Behebung ist entscheidend für die Gewährleistung der finanziellen Rentabilität von großen BESS-Anlagen.

Ausgestattet mit TWAICE-Analysen können Anlagenbesitzer Leistungsprobleme sofort erkennen. Dadurch können sie das Betriebs- und Wartungsteam (O&M) anweisen, Strings oder Module mit schwachen Zellen auszutauschen und Gegenmaßnahmen zu entwickeln, um die Leistungseinschränkungen zu mildern, bis der Austausch erfolgt ist. Diese Maßnahmen ermöglichen Anpassungen im Systembetrieb, um Spannungs- und SoC-Streuungen zu minimieren und so die Einnahmen zu sichern.