Die Kapazität von Lithium-Ionen-Batteriespeichern nimmt mit der Zeit ab. Um die Leistung über die gesamte Lebensdauer zu erhalten, sind Erweiterungsstrategien entscheidend. Zwei Hauptmethoden stehen dabei im Mittelpunkt: die AC- und die DC-Erweiterung. Beide Ansätze bieten spezifische Vor- und Nachteile, die bei der Planung und Implementierung berücksichtigt werden müssen.
Wichtige Erkenntnisse
- Lithium-Ionen-Batterien verlieren mit der Zeit an Kapazität durch Lade- und Entladezyklen.
- Erweiterung (Augmentation) ist eine kosteneffiziente Methode, um Kapazitätsverlusten entgegenzuwirken.
- AC-Erweiterung fügt neue Batterien mit eigenen Wechselrichtern hinzu, ist technisch einfacher, aber regulatorisch komplexer für netzgekoppelte Systeme.
- DC-Erweiterung integriert Batterien hinter bestehende Wechselrichter, ist kostengünstiger, platzsparender und schneller zu implementieren, erfordert aber Kompatibilität und Systemabschaltung.
- Vorausschauende Planung ist für beide Erweiterungsstrategien unerlässlich, um die Effizienz zu maximieren und Kosten zu sparen.
Warum Batteriespeicherkapazität abnimmt
Lithium-Ionen-Batterien sind das Herzstück vieler Energiespeichersysteme (BESS). Doch mit jedem Lade- und Entladezyklus verlieren sie einen Teil ihrer ursprünglichen Kapazität. Dieser Prozess, bekannt als Degradation, ist unvermeidlich und führt dazu, dass ein BESS nach einigen Jahren nicht mehr die gleiche Leistung erbringt wie zu Beginn.
Um dieser Kapazitätsminderung entgegenzuwirken, gibt es zwei grundlegende Strategien: das Überdimensionieren (Overbuilding) und die Erweiterung (Augmentation). Beim Überdimensionieren wird von Anfang an mehr Kapazität installiert, als eigentlich benötigt wird, um den späteren Verlust auszugleichen. Die Erweiterung hingegen bedeutet, dass die Kapazität im Laufe der Zeit bei Bedarf hinzugefügt wird.
Faktencheck: Degradation
Jeder Lade-Entlade-Zyklus reduziert die Kapazität einer Lithium-Ionen-Batterie. Nach nur wenigen Jahren kann ein Batteriespeichersystem (BESS) deutlich weniger Energie speichern als bei seiner Erstinstallation.
AC-Erweiterung: Unabhängige Systeme hinzufügen
Die AC-Erweiterung ist eine Methode, bei der neue Batterien zusammen mit ihren eigenen Stromrichtersystemen (PCS) und Steuerungseinheiten an den AC-Bus des bestehenden BESS angeschlossen werden. Im Wesentlichen wird ein unabhängiges Batteriesystem zum bestehenden hinzugefügt.
Dieser Ansatz bietet mehrere Vorteile. Er ermöglicht eine inkrementelle Größenanpassung und birgt ein geringes Risiko technischer Komplikationen, da die neuen Komponenten weitgehend unabhängig vom bestehenden System arbeiten. Die Installation ist technisch einfacher und weniger störend für den laufenden Betrieb des BESS.
"Die AC-Erweiterung ist aus technischer Sicht ein einfacherer Ansatz, der keine umfangreichen Änderungen am bestehenden BESS erfordert und den täglichen Betrieb weniger stört."
Herausforderungen bei AC-Erweiterung
Trotz der technischen Einfachheit ist die AC-Erweiterung mit regulatorischen Hürden verbunden, insbesondere bei netzgekoppelten BESS. Sie erfordert oft zusätzliche Genehmigungen und Zulassungen, was den Installationsprozess verlangsamen und komplizieren kann. Für netzunabhängige Systeme oder Insel-Mikronetze sind diese Herausforderungen geringer, was die AC-Erweiterung dort zu einer attraktiven Option macht.
Für Großprojekte und langfristige Erweiterungspläne ist die AC-Erweiterung jedoch eine bevorzugte Methode, da sie Skalierbarkeit ermöglicht. Man unterscheidet hierbei zwischen Mittelspannungs- und Niederspannungs-AC-Erweiterung, wobei letztere einige regulatorische Anforderungen reduzieren kann, aber eine Integration kompatibler AC-Gehäuse erfordert.
AC-Erweiterung auf einen Blick
- Vorteile: Einfache Installation, geringes technisches Risiko, inkrementelle Skalierung, minimale Betriebsunterbrechung.
- Nachteile: Hoher regulatorischer Aufwand für netzgekoppelte Systeme, höhere Kosten durch neue Wechselrichter und Steuerungssysteme.
- Anwendungsbereiche: Netzunabhängige Systeme, langfristige Skalierungspläne, Großprojekte.
DC-Erweiterung: Integration hinter bestehende Systeme
Die DC-Erweiterung, oft als "In-Rack"-Lösung bezeichnet, beinhaltet das Hinzufügen von Batteriemodulen oder -racks direkt in den DC-Bus, also hinter die bestehenden Stromrichtersysteme (PCS) und Wechselrichter. Dieser Ansatz nutzt die vorhandene Infrastruktur, was ihn kostengünstiger und platzsparender macht.
Ein wesentlicher Vorteil ist, dass die Energiekapazität erhöht wird, ohne die Netzschnittstelle ändern zu müssen. Die Installation ist in der Regel schneller und erfordert weniger regulatorische Genehmigungen als die AC-Erweiterung. Zudem hat die DC-Erweiterung weniger Stromumwandlungsstufen und ist daher etwas effizienter.
Kompatibilität und Ausfallzeiten
Im Gegensatz zur AC-Erweiterung erfordert die DC-Erweiterung eine Systemabschaltung, da die neuen Batterien direkt in das bestehende System integriert werden. Eine große Herausforderung ist die Kompatibilität: Neue Batterien müssen mit den vorhandenen Wechselrichtern und Steuerungssystemen kompatibel sein. Dies schränkt die Flexibilität ein, da nicht immer die neuesten Wechselrichtertechnologien genutzt werden können.
Die DC-Erweiterung erhöht nur die Energiekapazität des Systems, nicht aber die Leistung, da diese durch die bestehenden PCS begrenzt ist. Für Standorte, die wissen, dass sie in Zukunft Kapazität nachfüllen müssen, ist die DC-Erweiterung eine gute Wahl, wenn die Kompatibilität im Voraus geplant wird.
Verschiedene Ansätze der DC-Erweiterung
Es gibt mehrere Wege, eine DC-Erweiterung durchzuführen:
- Direkter Modulersatz: Hierbei werden degradierte Module direkt durch neue, kompatible Batteriemodule mit höherer Kapazität ersetzt. Dies ist der häufigste Ansatz und kann den Einsatz von DC-DC-Wandlern erfordern, um unterschiedliche Gesundheitszustände (SOH) der Module zu verwalten.
- DC-Direkt: Neue Batterieracks oder -gehäuse werden zusätzlich zu den bestehenden in den DC-Bus integriert. Dies erweitert die Gesamtenergiekapazität, benötigt jedoch Spannungsregelung auf Batterie- und Gehäuseebene aufgrund von Spannungsungleichgewichten.
- DC-Shuffling: Bestehende Batteriemodule werden innerhalb der BESS-DC-Architektur neu konfiguriert oder umgruppiert, um die Systemleistung zu optimieren und die Batterielebensdauer zu verlängern. Module mit ähnlicher Degradation werden zusammengefasst. Dies allein fügt keine Kapazität hinzu, kann aber Platz für neue Kapazität schaffen.
Effizienz der DC-Erweiterung
Die DC-Erweiterung ist aufgrund geringerer Stromumwandlungsstufen tendenziell effizienter als die AC-Erweiterung. Dies führt zu weniger Energieverlusten während des Betriebs.
Die Rolle von DC-DC-Wandlern
DC-DC-Wandler spielen eine wichtige Rolle bei der Bewältigung von Spannungsungleichgewichten, die entstehen können, wenn neue Batteriemodule neben älteren eingesetzt werden. Sie selbst erhöhen nicht die Kapazität, machen aber neue Kapazität mit bestehenden Batterien nutzbar.
Es gibt zentralisierte und Rack-Level-DC-DC-Wandler. Rack-Level-Wandler sind besonders nützlich, da sie Spannungsungleichgewichte auf Rack-Ebene isolieren und sicherstellen, dass sowohl neue als auch alte Batteriestränge bei ihren optimalen Spannungen betrieben werden können. Ihre Nachrüstung erhöht die Anfangsinvestitionen (CAPEX), kann aber die Lebensdauer des Systems verlängern, indem sie den Austausch weniger stark degradierter Module vermeidet.
Erweiterung vs. Überdimensionierung: Eine Kostenfrage
Während die Überdimensionierung die Notwendigkeit zukünftiger Eingriffe reduziert, wird die Erweiterung oft als die kosteneffizientere Methode angesehen, um die Kapazität über die Zeit zu erhalten. Bei der Überdimensionierung wird das gesamte Kapital (CAPEX) zu Beginn gebunden, mit dem Risiko, dass ein Teil der zusätzlichen Kapazität ungenutzt bleibt, wenn die Degradation langsamer als erwartet verläuft.
Die Erweiterung hingegen ermöglicht es, zusätzliche Kapazität nur dann hinzuzufügen, wenn sie tatsächlich benötigt wird. Dies verhindert, dass Geld für ungenutzte Kapazitäten ausgegeben wird. Zudem profitieren Unternehmen von sinkenden Batteriepreisen und technologischen Fortschritten, indem sie neuere, effizientere Batterien integrieren, wenn sie erweitern.
Wirtschaftliche Überlegungen
- Überdimensionierung: Hohes Anfangs-CAPEX, Risiko ungenutzter Kapazität, verpasst potenziell günstigere zukünftige Batterietechnologien.
- Erweiterung: Niedrigeres Anfangs-CAPEX, gezielte Investitionen bei Bedarf, Möglichkeit zur Nutzung neuerer, effizienterer Batterietechnologien.
Die Wahl zwischen Überdimensionierung und Erweiterung hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich der erwarteten Degradationsrate, der zukünftigen Batteriepreisentwicklung und den regulatorischen Anforderungen. Eine sorgfältige Vorausplanung ist in jedem Fall entscheidend, um sicherzustellen, dass das BESS während seiner gesamten Lebensdauer eine nutzbare Kapazität beibehält.
