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Energiespeichersysteme sind der Dreh- und Angelpunkt in der Sektorenkopplung, denn Wind- und Sonnenenergie stehen nicht konstant zur Verfügung.

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Energetische Verbindung gesucht Energiespeicher verbinden Sektoren, aber was verbindet Energiespeicher?

13.09.2022

Stationäre Energiespeichersysteme sind ein unverzichtbares Bindeglied in der Sektorenkopplung. Ihre Sicherheit und Zuverlässigkeit hängt nicht zuletzt von der verwendeten elektrischen Verbindungstechnik ab. Worauf ist hierbei zu achten und was verbindet die Energiespeicher?

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Den Klimawandel eindämmen und geopolitische Abhängigkeiten verringern – diese Themen gehören zu den wichtigsten unserer Zeit. Konkrete Lösungsansätze bietet die Idee einer All Electric Society und darin der Sektorenkopplung: Es gilt, unsere Gesellschaft, Gebäude, Produktionsstätten, Mobilität und Infrastruktur energie- und informationstechnisch zu vernetzen. In der All Electric Society geschieht dies auf Basis erneuerbarer Energiequellen, die unendlich verfügbar sind und keine schädlichen Emissionen erzeugen.

Energiespeicher in der All Electric Society

Wind- und Sonnenenergie stehen nicht konstant zur Verfügung. Die moderne Gesellschaft hat jedoch stetigen Energie­hunger, 24 Stunden am Tag. Die stabile Versorgung kann nur gelingen, wenn Überschussenergie in ausreichendem Maße zwischengespeichert wird, um sie bei Bedarf zeitversetzt wieder zur Verfügung zu stellen – zum Beispiel über Batterie-Energiespeichersysteme.

Aufbau und Funktionsweise

Je nach Kapazität sind diese stationären Systeme in Gerätegehäusen, Schaltschränken oder sogar in Containern untergebracht. Der prinzipielle modulare Aufbau ist jedoch immer ähnlich. Bei den auftretenden elektrischen Verbindungen unterscheidet man drei Typen: die Leistungsverbindung, die Signalverbindung und die Datenverbindung. Sie sind gleichbedeutend mit der Übertragung von Energieströmen, von analogen Signalen zur Überwachung und Steuerung sowie von digitalen Signalen.

Die kleinste Einheit eines Batterie-Energiespeichers stellt die Batteriezelle dar, das eigentliche Speicherelement. Viele dieser Zellen sind in einem Batteriemodul zusammengefasst und elektrisch miteinander verschaltet (Leistung). Eine elektronische Schaltung sorgt für einen ausgeglichenen Lade-/Entladezustand aller Zellen. Man spricht in diesem Zusammenhang von Zell-Balancing (Signale). Temperatursensoren überwachen das thermische Verhalten der Zellen (Signale).

Mehrere Batteriemodule werden zu einem Speicherschrank zusammengefasst und auf Leistungsebene verbunden. Alle Module tauschen Informationen (Daten) miteinander und mit der Kontrolleinheit des Speicherschranks, der sogenannter Power Control Unit (PCU) aus. Oft haben sowohl Batteriemodule als auch PCU neben Leistungs- und Datenanschlüssen auch Signalschnittstellen, um zum Beispiel externe Sensoren anzuschließen.

Modularer Aufbau des Energiespeichersystems

Im System sind mehrere Speicherschränke auf den drei genannten Ebenen Leistung, Signale und Daten miteinander verbunden. Die übergeordnete Steuerung auf höchster Ebene stellt das Systemmanagement dar. Hier laufen erneut alle elektrischen Verbindungen seitens der Speicherschränke auf. Zusätzlich beinhaltet es die externen Schnittstellen des Energiespeichers.

Die Energie wird mittels Leistungselektronik mit dem Netz ausgetauscht. Signale von diversen Hilfsaggregaten laufen im Systemmanagement zusammen, so zum Beispiel für das Brandlöschsystem. Über entsprechende Datenverbindungen kommuniziert das Systemmanagement mit dem Netzbetreiber und mit Dienstleistern, die auf den Speicher zugreifen können.

Lebensadern des Energiespeichers

Die elektrischen Verbindungen innerhalb des Energiespeichers lassen sich bildlich beschreiben als dessen Nerven- und Herz-Kreislaufsystem. Energieströme entsprechen dabei dem Blutkreislauf, über den die Lebensenergie transportiert wird, Signale unseren Sinnen – etwa für Temperaturen, Gase und optische Eindrücke. Die Datenleitungen dienen dem Informationsaustausch, ähnlich wie die Nerven.

Wenn etwas mit dem Blutkreislauf- oder dem Nervensystem nicht stimmt, geht es dem Menschen nicht gut, er wird krank. Im Energiespeichersystem ist das ähnlich. Fehler in den elektrischen Verbindungen sorgen für Systemstörungen und Ausfälle und können bei entsprechender negativer Konstellation sogar zur Zerstörung des gesamten Systems führen.

Beispielhafte Fehler in der Verbindungstechnik

Drei Beispiele zeigen auf, wie wichtig Verbindungstechnik ist, beginnend mit der Leistungsverdrahtung. Um Batteriemodule auf Leistungsebene zu verbinden, wird in vielen Fällen eine klassische Schraubverbindung eingesetzt. Schraubverbindungen können sich unter ungünstigen Umständen lösen. Treten beim ersten Anschließen oder in der späteren Wartung Versäumnisse auf, führt dies zu erhöhten Übergangswiderständen. Diese drücken sich im besten Fall durch Wärmeverluste aus, im schlimmsten Fall jedoch durch starke Überhitzung, die sogar zum Brand eines Speichers und damit zu seiner völligen Zerstörung führen kann.

Eine typische Signalverbindung ist der Anschluss eines Stromsensorkabels an eine Leiterplatte. Diese Kabel werden oft direkt gelötet, was in Verbindung mit freien Leitungsenden das Risiko sogenannter kalter Lötstellen birgt. Die Folge sind falsche Signalinformationen, also zum Beispiel zu geringe gemessene Ströme. Infolge zu hoher Lade- und Entladeströme würde die Batterie deutlich schneller altern.

Datenverbindungen werden oft per Patch-Kabeln hergestellt, also streckbaren Leitungen. Achtet man hier nicht auf Qualität im Sinne von zum Beispiel engen Dimensionstoleranzen und hochwertigen Kontaktoberflächen, kann es zu Fehlern bei der Datenübertragung kommen. Diese führen zu Systemstörungen oder sogar Systemausfällen, im schlechtesten Fall sogar zu Schäden an der Hardware.

Auf die richtige Verbindungstechnik setzen

Wie lassen sich die beschriebenen Fehlerszenarien, die immer zu finanziellen Einbußen für den Betreiber von Energiespeichern führen, vermeiden? Bei Leistungsverbindungen sollten überall, wo keine definierten Installationsbedingungen sichergestellt werden können, Steckverbindungen eingesetzt werden. Dies gilt also für Leistungsverbindungen, die bei der Installation und zur Wartung hergestellt werden müssen.

Bei Anschlüssen von freien Leitungsenden auf Leiterplatten bieten sich innovative Anschlusstechniken anstelle des Lötens an. Schneidklemmverbindungen zum Beispiel erfordern keine Vorbehandlung des Leiterendes und bieten – ebenso wie Federanschlusstechniken – hohen Komfort und maximale Zuverlässigkeit. Bei den Datenanschlüssen definieren die Umgebungsbedingungen die notwendigen Anforderungen. So bieten sich bei hohen Verschmutzungsgraden oder feuchter Umgebung IP-geschützte Datenstecker und bei rauen mechanischen Anforderungen Datenverbindungen in Industriequalität an.

Fazit

Auch für Energiespeichersysteme gilt: Wer bei der Anfangsinvestition spart, zahlt im laufenden Betrieb drauf. Dazu kommt, dass diese Geräte und Anlagen häufig in systemrelevanten Anwendungen und Lösungen betrieben werden. Zuverlässigkeit ist somit eine wichtige Eigenschaft, um die Vision einer All Electric Society gelingen zu lassen. Die elektrischen Verbindungen spielen dabei eine entscheidende Rolle. Ihnen sollte eine hohe Aufmerksamkeit gewidmet werden.

Bildergalerie

  • Zu sehen ist der Aufbau eines Batterie-Energiespeichersystems in Containerbauweise. Je nach Kapazität sind diese stationären Systeme an unterschiedlichen Stellen untergebracht.

    Zu sehen ist der Aufbau eines Batterie-Energiespeichersystems in Containerbauweise. Je nach Kapazität sind diese stationären Systeme an unterschiedlichen Stellen untergebracht.

    Bild: Phoenix Contact

  • Mehrere Batteriemodule inklusive einer Power-Control Unit, mit PCU an oberster Position, können zu einem Batterie-Rack zusammengefasst werden.

    Mehrere Batteriemodule inklusive einer Power-Control Unit, mit PCU an oberster Position, können zu einem Batterie-Rack zusammengefasst werden.

    Bild: Phoenix Contact

  • Das Batteriemodul mit Batteriezellen und Balancing-Platine bilden das Zentrum eines Energiespeichers.

    Das Batteriemodul mit Batteriezellen und Balancing-Platine bilden das Zentrum eines Energiespeichers.

    Bild: Phoenix Contact

  • Innovative Anschlusstechniken für Leistung, Signale und Daten zum Einsatz in Energiespeichersystemen könnten so aussehen.

    Innovative Anschlusstechniken für Leistung, Signale und Daten zum Einsatz in Energiespeichersystemen könnten so aussehen.

    Bild: Phoenix Contact

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