Batteriemanagement und Energiespeicher Europas Ziele für erneuerbare Energien erreichen

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Dieser Beitrag befasst sich mit den Herausforderungen bei der Konzipierung und Entwicklung sowie den Innovationen, die erforderlich sind, um den sich entwickelnden Anforderungen nachzukommen, damit diese Ziele bei erneuerbaren Energien erreicht werden können.

Europas ehrgeiziges Ziel, 45 Prozent seiner Energie bis 2030 aus erneuerbaren Quellen zu gewinnen, verändert die Energielandschaft und stellt die gesamte Branche vor technologische Herausforderungen. Der Kontinent strebt an, seine Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern und auf sauberere Energiequellen umzusteigen, und daher ist es von entscheidender Bedeutung, fortschrittliche Lösungen für Batteriemanagement und Energiespeicherung zu entwickeln.

Wachsende Nachfrage nach Energiespeicherung

Akkus haben sich zu einer Schlüsseltechnologie auf dem Weg zu einer nachhaltigen Zukunft mit erneuerbarer Energie entwickelt. Sie spielen eine vielseitige Rolle im Energie-Ökosystem, von der Unterstützung großer Solar- und Windparks bis hin zur Verbesserung der Energieeffizienz auf Ebene der Privathaushalte.

• Energieunabhängigkeit auf Ebene der Privathaushalte: Bei herkömmlichen Solaranlagen ohne Speicher wird überschüssige, nicht benötigte Energie in der Regel in das Stromnetz eingespeist. Wenn die Sonne nicht scheint, müssen die Haushalte dann Strom aus dem Netz kaufen. Die überschüssige Energie kann jedoch auch in Akkus gespeichert und später genutzt werden, was die Abhängigkeit vom Stromnetz verringert und die Stromrechnung senkt. So kann die Eigenverbrauchsquote von etwa 30 Prozent (bei Anlagen ohne Speicher) auf bis zu 70 Prozent oder mehr gesteigert werden. Auch bei Netzausfällen sorgen Akkus für eine gewisse Ausfallsicherheit. Bei einem Stromausfall kann ein Haus, das mit einer Solaranlage und einem Akkusystem ausgestattet ist, weiterhin wichtige Geräte wie Zentralheizung und Beleuchtung betreiben und den Bewohnern Komfort und Sicherheit bieten.

• Speicherung von erneuerbarer Energie: Es liegt in der Natur der Sache, dass Solar- und Windenergie ungleichmäßig zur Verfügung stehen, abhängig von Wetterverhältnissen und Sonnenstunden. Hier bieten Akkus eine entscheidende Lösung, da sie Energieerzeugung und Energieverbrauch zeitlich entkoppeln. In Zeiten, in denen erneuerbare Energien Spitzenwerte erreichen, z. B. an sonnigen Nachmittagen oder in windigen Nächten, kann überschüssige Energie in Akkus gespeichert werden. Die gespeicherte Energie kann dann in Zeiten von Bedarfsspitzen wieder ins Netz eingespeist werden, um eine konstante und zuverlässige Energieversorgung zu gewährleisten. Durch Bereitstellung von Zusatzleistungen wie Spannungs- und Frequenzregelung verbessern Akkus die Stabilität des Netzes insgesamt. Dies ist besonders wichtig, da der Anteil erneuerbarer Energiequellen am Strom-Mix weiter zunimmt.

Die entscheidende Rolle des Batteriemanagements

Das Herzstück eines jeden Batteriespeichers stellt das Batteriemanagementsystem (BMS) dar. Diese Kerntechnologie sorgt für die Überwachung, Steuerung und Optimierung der Leistung der einzelnen Zellen innerhalb eines größeren Akkupacks und gewährleistet dessen Langlebigkeit und Sicherheit.

Eines der größten Probleme bei Akkus besteht im Risiko eines thermischen Durchgehens – ein potenziell katastrophales Ereignis, bei dem Akkus überhitzen und in Brand geraten oder, schlimmer noch, explodieren können. Um dieses Risiko zu verringern, ist die Integration von Gassensoren für eine frühzeitige Detektion entscheidend. Diese Sensoren können die verschiedenen Gase detektieren, die bei der Erhitzung eines Akkus freigesetzt werden. Mit Hilfe von Temperatursensoren und verschiedenen Kontrollmechanismen lassen sich Temperaturschwankungen innerhalb des Akkupacks so steuern, dass es innerhalb des sicheren Betriebsbereichs (SOA; Safe Operation Area) bleibt.

Für die Optimierung der Effizienz und Lebensdauer von Akkus ist eine genaue Überwachung des Ladezustands (SoC; State-of-Charge) und des Gesundheitszustands (SoH; State-of-Health) erforderlich. Die Anwendung fortschrittlicher Algorithmen auf die von Stromsensoren erfassten Daten trägt dazu bei, die verbleibende Kapazität des Akkus genauer festzustellen. Um mögliche Fehler oder Kurzschlüsse innerhalb des Akkusystems zu erkennen, ist die Detektion von Restströmen äußerst wichtig. Auch hier spielen Stromsensoren eine entscheidende Rolle, um solche Sicherheitsprobleme zu überwachen und zeitnah zu beheben.

Mit 5G-Konnektivität und High-End-Antennen wird das drahtlose Batteriemanagement im Feld immer praktikabler. Für Privathaushalte sind drahtlose Module für weit verbreitete Protokolle wie WLAN oder Bluetooth vollständig geprüft und vorzertifiziert erhältlich, was eine schnellere Markteinführung ermöglicht. Mit dieser drahtlosen Konnektivität können Akkusysteme in Echtzeit überwacht und gesteuert werden, ohne dass Kabelverbindungen nötig sind, was die Flexibilität und Skalierbarkeit erhöht.

Konnektivität und Modularität

In Akkus und den zugehörigen Managementsystemen werden immer häufiger effektive, anpassungsfähige und modulare Konnektivitäts-Komponenten eingesetzt. Die Herstellung von Akkus ist teuer und die Verbindungen zwischen den einzelnen Zellen werden immer komplexer. Angesichts einer steigenden Akkuproduktion ist die Entwicklung effizienter Herstellungsprozesse unerlässlich. Gleichzeitig stellen die Optimierung des Stromflusses innerhalb des Akkupacks, die Verringerung von Energieverlusten und die Verbesserung der Gesamteffizienz der Anlage vorrangige Anforderungen in der Konzipierung und Entwicklung dar. Hier kann eine maßgeschneiderte Leiterfolien-Technologie zur Beschleunigung der Montage beitragen. Alternativ dazu ermöglichen Sammelschienen durch ihre Modularität und Anpassungsfähigkeit eine einfache Skalierung und Wartung sowie den Austausch einzelner Komponenten, was Ausfallzeiten und Kosten reduziert.

Hochzuverlässige Leistungssteckverbinder sind unerlässlich, um eine effiziente Energieübertragung zwischen den Akkus und den angeschlossenen Systemen zu gewährleisten. Diese Steckverbinder müssen hohen Strömen standhalten und minimalen Energieverlust sicherstellen.

PCB-Steckverbinder (PCB; Printed Circuit Board) spielen eine entscheidende Rolle bei der Verbindung verschiedener Komponenten innerhalb des Batteriemanagementsystems. Hochzuverlässige Steckverbinder sorgen für sichere und effiziente Verbindungen und verringern das Ausfallrisiko.

Konformität, Sicherheit und Zuverlässigkeit

In zahlreichen Anwendungen werden Akkus gleichzeitig für das Laden und Entladen verwendet. Die effiziente Steuerung des bidirektionalen Stromflusses stellt eine komplexe Herausforderung dar. Die Fähigkeit, nahtlos zwischen Lade- und Entlademodus umzuschalten und dabei die Energieeffizienz zu maximieren, ist ein zentrales Kriterium für die Konzipierung und Entwicklung.

Hochspannungsschütze sind außerdem dort wichtig, wo eine schnelle und zuverlässige Notabschaltung hoher Gleichspannungen erforderlich ist. Je nach Typ sind sie in der Lage, hohe kontinuierliche Gleichströme und -spannungen innerhalb von 30 ms oder weniger abzuschalten und dabei strenge Sicherheitsnormen und -vorschriften einzuhalten. Es kommen bidirektionale Schütze auf den Markt, was die Komplexität der Konzipierung und Entwicklung sowie die Systemkosten verringert.

Das Management großer Energiespeichersysteme erfordert eine ausgeklügelte Steuerung und Überwachung der Energieflüsse, um Effizienz und Netzstabilität zu maximieren. Bidirektionale und konfigurierbare Stromversorgungen sind wichtige Komponenten solcher Systeme, da sie eine präzise Steuerung der Energieübertragung und eine Anpassung an die Eigenschaften der verwendeten Energiespeichertechnologie ermöglichen. Aufgrund dieser Eigenschaften können Energiespeichersysteme zur Netzstabilität beitragen, die Integration erneuerbarer Energien unterstützen und bei Stromausfällen eine Notstromversorgung bereitstellen, wobei eine hohe Effizienz und Zuverlässigkeit gewährleistet sind.

Bei der Messung, insbesondere in Systemen mit bidirektionalem Leistungsfluss, gewährleistet die Einhaltung der Europäischen Messgeräterichtlinie (MID) die genaue Messung der ins Netz zurückgespeisten Energie und die Abrechnung des Stromverbrauchs.

Fazit

Die Konzipierung, Entwicklung und Implementierung von Batteriemanagement- und Energiespeicherlösungen sind wichtige Schritte bei Europas Übergang zu einer nachhaltigeren und erneuerbaren Energielandschaft. Von der Detektion von thermischem Durchgehen bis zu den Hochspannungsschützen spielt jede Komponente eine wichtige Rolle bei der Gewährleistung der Sicherheit, Effizienz und Zuverlässigkeit von Batteriespeichersystemen. Die Bewältigung dieser Herausforderungen bei der Konzipierung und Entwicklung wird nicht nur den technologischen Fortschritt vorantreiben, sondern auch zu einem saubereren, grüneren und effizienteren Energie-Ökosystem beitragen. Mit seinem breiten Produktportfolio an Sensoren, Steckverbindern, passiven Komponenten, Antennen, Schutzschaltungen und Stromversorgungen kann TTI Europe technische Unterstützung und Beratung für eine optimale Lösung bei BMS- und Energiespeicheranwendungen anbieten. Brauchen Sie Hilfe? Fragen Sie die Experten bei TTI! (tk)

* Ros Kruger ist Director Technical Marketing bei TTI Inc.- Europe.

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