Als Lösung für die steigenden Energiepreise bietet Freqcon Batteriespeicher in Form von standardisierten 20-, 30- oder 40-Fuß-Containern an.

Bild: Freqcon

Batteriespeichersysteme Wirtschaftliche Vorteile durch Großbatterien

31.01.2022

In Deutschland steigen zunehmend die Energiepreise an und von Seiten der Politik liegen aktuell noch keine genauen Pläne vor, um dagegen vorzugehen. Die dadurch entstehenden hohen Kosten bereiten vielen Unternehmen Probleme. Eine potenzielle Lösung für effizientes Kostenmanagement können Batteriespeicher sein.

Die stetig steigenden Energiepreise in Deutschland werden für Unternehmen immer mehr zur Belastungsprobe. Viele Firmen, insbesondere energieintensive, kleine sowie mittlere Betriebe, fürchten laut einer Mitgliederumfrage des Deutschen Industrie- und Handelskammertages (DIHK) sogar um ihre Wettbewerbsfähigkeit. Dabei sind die Stromkosten für die Industrie hierzulande ohnehin schon höher als in anderen europäischen Ländern.

Der Strompreis für Industrie und Gewerbe setzt sich in Deutschland aus den Kosten für Strombeschaffung und Vertrieb, für Netzentgelte sowie für Steuern, Abgaben und Umlagen zusammen. Das Netzentgelt ist abhängig vom Standort des Unternehmens und wird ab einem Jahresverbrauch von 100.000 kWh üblicherweise aufgeteilt in Arbeits- und Leistungsentgelt.

Getrieben wird der Preis in erster Linie durch den steigenden CO2-Preis sowie von Steuern und Abgaben. Diese Preise werden sich auch langfristig auf einem hohen Niveau bewegen und obwohl die Politik zwar Entlastungen verspricht, liegen konkrete Pläne bislang nicht vor. Erforderlich sind aber schon jetzt kurz- bis mittelfristig wirkende Lösungen, damit die Firmen ihre Wettbewerbsfähigkeit aufrechterhalten können.

Vielfältige Anwendungsbereiche

Leistungsfähige Batteriespeicher können ein wesentlicher Baustein für ein effizientes Kostenmanagement sein. So ermöglicht der Einsatz von Batterien im industriellen Bereich, dass bei erhöhtem Strombedarf Lastspitzen durch ein zuverlässiges Lastenmanagement abgefedert und damit Stromkosten deutlich gesenkt werden können.

Darüber hinaus profitieren einige Unternehmen durch den Einsatz eines Speichersystems von der „7.000-h-Regel“. So zahlen sie beispielsweise nur noch 20 Prozent der regulären Netzentgelte, wenn sie mindestens 7.000 Volllaststunden pro Jahr erreichen und durch den konstanten Betrieb die Netzinfrastruktur geringer belasten.

Mit einem Batteriespeicher können Unternehmen aber auch Geld verdienen. Durch die Bereitstellung von Primärregelleistung oder das Intraday-Trading erzielen Industriefirmen zusätzliche Einnahmen. Außerdem kann ein Batteriespeicher als System für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung eingesetzt werden, um Störungen oder Ausfälle im Stromnetz effektiv zu überbrücken. Es können zudem Windkraft- und Photovoltaikanlagen in das vorhandene Werksnetz eingebunden werden, um eine autarke Stromversorgung zu gewährleisten und um weitere Kosten einzusparen. Mit dieser Technologie flexibilisieren Unternehmen ihren Stromverbrauch, sorgen für Stabilität in allen Prozessen und erhöhen damit ihre Wirtschaftlichkeit.

Selbst im Hinblick auf die Elektromobilität und dem damit verbunden Ausbau der Ladeinfrastruktur können Batteriespeicher eine sinnvolle Rolle spielen. Energiespeicher sorgen hier dafür, dass Kunden und Mitarbeiter an den Ladestationen ihre Elektrofahrzeuge schnell aufladen können. Denn die Speichersysteme lassen im Vergleich zum vorhandenen Netzanschluss deutlich höhere Ladeleistungen zu. Selbst das parallele Laden von mehreren Fahrzeugen stellt mit einem Speicher kein Problem dar.

Des Weiteren dienen Batteriespeicher unter anderem auch der Blindleistungskompensation und Netzfrequenzstabilisierung. Optional sind sie auch mit der Fähigkeit zum Schwarzstart erhältlich.

Projektorientierte Lösungen aus einer Hand

Freqcon liefert mit ihren BESS-Batteriespeichersystemen nachhaltige und ökonomische Turnkey-Speicherlösungen in drei Produktlinien – BESS EV, BESS FQ und BESS Custom, die aus den Multi-Source-Umrichtern (MSC) und flexibel konfigurierbaren Batteriespeichern bestehen. Der Vorteil für Unternehmen liegt darin, dass wahlweise ein schlüsselfertiges Komplettsystem geliefert oder dass der vom Kunden bereitgestellte Batteriespeicher in ein Gesamtsystem integriert werden kann.

Den Kern des Speichersystems bildet der Hybridumrichter, der Multi-Source Converter (MSC). Der MSC kann als reiner bidirektionaler Batterieumrichter fungieren. Durch das Hybridumrichterkonzept ist es aber auch möglich, neben mehreren Energiequellen auch Speichersysteme mit verschiedenen Batterietypen an einen gemeinsamen Zwischenkreis des MSC anzuschließen. Aufgrund der Kopplung über diesen Zwischenkreis werden die Installations- und Investitionskosten reduziert, die Gesamteffizienz des Systems erhöht und eine bessere Systemintegration ermöglicht.

Freqcon setzt dabei auf ein Anlagenkonzept, das die Batterien und Erzeugungsanlagen vor hochfrequenten Spannungen schützt, damit den Filteraufwand reduziert und die Lebensdauer der Anlagen erhöht. Mit einem robusten und vollständig integrierten Energiemanagementsystem kann nahezu jede projektspezifische Energiemanagementstrategie umgesetzt werden.

Mit einer Lebensdauer von 20 Jahren, mit auf das jeweilige Projekt abgestimmten Komponenten und integriert in einen standardisierten 20-, 30- oder 40-Fuß Container ist der Multi-Source Converter für Hybrid- und Microgrid-Anwendungen im Nieder- und Mittelspannungsnetz weltweit geeignet. Freqcon liefert seinen Kunden projektspezifische Lösungen im Leistungsbereich von 175 kW bis 2 MW, die bis zu 100 MW skalierbar sind.

Drei Produktlinien für spezifische Anforderungen

BESS EV ist eine Energiespeicherlösung mit einer Kapazität von 1,4 bzw. 2 MWh je 40-Fuß-HC-Container, die insbesondere für Energieerzeuger und Anwendungen im Industrieumfeld geeignet ist. Dieses stationäre System verwendet den MSC-Umrichter von Freqcon sowie Second-Life-Fahrzeugbatterien und das Batteriemanagementsystem von Mercedes-Benz Energy. Es verspricht eine hohe Verfügbarkeit durch ein redundantes System und setzt dabei auf eine nachhaltige Weiterverwendung dieser Batterien. Geschlossene Gehäuse und integrierte Abgasableitungen gewährleisten eine hohe Brandschutzsicherheit des Speichers. Das Batteriemanagementsystem überwacht und schützt alle Batteriemodule und schaltet im Störfall einzelne Module ab.

Mit BESS FQ liefert Freqcon eine Komplettlösung aus MSC-Umrichter, Batteriespeicher mit LiFePO4- oder LTO-Batterien sowie aus im eigenen Haus entwickelten Batterie- und Energiemanagementsystemen (BMS und EMS). Durch den Einsatz von LiFePO4- oder LTO-Batterien sind Laderaten von 0,25 bis 20 C möglich. Das BMS gewährleistet eine hohe Langlebigkeit der Batterien, das Brandschutzkonzept die entsprechende Sicherheit. Das System ist als platzsparende, modulare Lösung in einem ISO-Container, optional auch als Inhouse-Lösung verfügbar.

Von der Batteriezelle über die Modulfertigung und den Schrankaufbau bis hin zu Funktionstests besitzt Freqcon eine weitreichende Produktionstiefe. Darüber hinaus profitieren Kunden vom Know-how im Hinblick auf das Engineering, die Software- und Hardwareentwicklung und erhalten alles aus einer Hand.

Neben BESS EV und BESS FQ entwickelt Freqcon für seine Kunden mit BESS Custom individuelle Systemlösungen auf Basis des MSC-Hybridumrichters. Je nach projekt- und länderspezifischen Anforderungen werden die Systeme exklusiv für Kundenanwendungen ausgelegt. Hier kommen unterschiedliche Batterietypen wie etwa LiFePO4, LTO oder Redox-Flow zum Einsatz, dabei werden die Vorteile jedes einzelnen Batterietyps ausgenutzt. Außerdem können vom Kunden bereitgestellte Batterien verwendet werden. Der MSC-Umrichter kann für alle gängigen Batterietypen unter Einhaltung der geforderten Netzanschlussbedingungen konzipiert werden.

Weiterentwicklung der Batterietechnik

Eine leistungsfähige Batterietechnik bildet die Grundlage für die Zuverlässigkeit von Speichersystemen und deren Nutzbarkeit. Gerade in den letzten zehn Jahren wurde sie etwa im Hinblick auf Preis, Größe, Gewicht und Energiedichte verbessert. Im Zuge des zunehmenden Strombedarfs, steigender Stromkosten und der Energiewende muss sie allerdings deutlich leistungsfähiger werden und dabei gleichzeitig umweltverträglich sein.

So werden neben der Materialforschung die Einführung von künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen sowie die Entwicklung eines digitalen Batteriezwillings künftig dazu beitragen, die Lebensdauer und Effizienz von Batterien zu verlängern. Die Erfassung qualitativ hochwertiger Daten von Batteriezellen über das Batteriemanagementsystem bietet eine wichtige Voraussetzung, um neue Ansätze für Lebens- und Leistungsdauerprognosen zu entwickeln und weitere Innovationsprozesse anstoßen zu können. Freqcon setzt seit langem auf die Entwicklung eigener Batterie- und Energiemanagementsysteme und arbeitet bereits mit der 4. Systemgeneration.

Um das Betriebsverhalten insbesondere von Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LiFePO4) im Realbetrieb hinsichtlich der Herstellervorgaben sowie spezifischer Kundenbedarfe nachzubilden und besser einschätzen zu können, arbeiten Freqcon und das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE seit 2021 eng zusammen. Die Speichersysteme werden immer komplexer und Kunden geben zudem spezielle Nutzungsprofile vor. Aus diesem Grund muss auch Freqcon die Zelltechnologie im Hinblick auf Energie- und Leistungsdichte, Lebensdauer, Betriebssicherheit sowie Ladefähigkeit stetig optimieren und weiterentwickeln. Deshalb kooperiert das Unternehmen mit dem Fraunhofer IEE, das auf dem Gebiet der Simulation elektrochemischer Energiespeicher seit Jahren forscht.

Und je mehr die Elektromobilität an Fahrt aufnimmt, desto mehr wird auch der Markt für Second-Life-Fahrzeugbatterien wachsen. Auch hier spielen Datenanalysen und die Nutzung der Ergebnisse eine entscheidende Rolle, um die Batterien für weitere Anwendungen auszulegen. Auf diese Weise kommen Batterien mit noch höheren Energie- und Leistungsdichten auf den Markt, deren Sicherheit durch ein effizientes Kühlsystem gewährleistet wird.

Autarke Stromversorgung im Inselnetz

Wie eine Optimierung von Kosten sowie zuverlässige und wirtschaftliche Energieversorgung im Einklang mit dem Verbrauch gelingen kann, wird am Beispiel von Westerwälder Holzpellets mit Sitz in Langenbach deutlich. Der Produzent von Schnittholz und Holzpellets verfügt bereits über Photovoltaikanlagen mit 750 KW Erzeugungsleistung in seinem Arealnetz, weiterhin über ein Biomasseheizkraftwerk mit 685 KW. Mit dem dort produzierten Strom wird das Werksnetz versorgt. Ab Sommer 2022 soll darüber hinaus Strom aus fünf Windenergieanlagen mit einer Gesamtleistung von derzeit 2.000 KW in dieses Netz fließen, deren 20-jährige EEG-Förderung 2020 ausgelaufen ist.

Da eine hohe Eigenstromnutzung angestrebt ist, wird bereits heute ein aktives Lastmanagement für Hacker, Mühlen oder Pressen genutzt. Netzschwankungen und Kurzunterbrechungen im öffentlichen Netz bereiten den empfindlichen Produktionsprozessen regelmäßig Schwierigkeiten. Aus diesem Grund suchte das Unternehmen nach einem passenden Energiespeichersystem als Komplettlösung und wurde bei Freqcon fündig. Hier wurde ein stationäres Batteriespeichersystem sowie der dazu passende MSC-Hybridumrichter mit einer Leistung von 1,5 MW installiert. Der Speicher vom Kooperationspartner Mercedes-Benz Energy besteht aus 112 Lithium-Ionen-Fahrzeugbatterien mit einer Gesamtkapazität von 1,4 MWh.

Alaska-Projekt: Versorgung entlegener Orte

Das erste Energiespeicherprojekt von Freqcon in den USA beinhaltet die Lieferung von zwei Batteriespeichersystemen als schlüsselfertige Containerlösungen an die Alaska Village Electric Cooperative in den Bundestaat Alaska. In jedem Container werden ein MSC-Umrichter mit einer Leistung von 500 kW und ein Batteriespeichersystem bestehend aus LiFePO4-Batterien mit einer installierten Kapazität von 671 kWh eingebaut.

Bei der Systemkonstruktion mussten die vorherrschenden Wetterbedingungen im Winter mit Temperaturen von -40 °C und großen Schneemengen berücksichtigt werden. Aus diesem Grund werden die freistehenden Container auf einen Betonsockel mit einer Höhe von 50 cm aufgestellt und zusätzlich Gitter angebracht, damit sich in unmittelbarer Nähe der Container keine Schneeverwehungen bilden können. Darüber hinaus werden leistungsfähige Heizsysteme installiert, die auch bei Stillstand die erforderliche Grundtemperatur innerhalb der Container gewährleisten.

Dieses Projekt ist das erste seiner Art in dem abgelegenen und größten Bundesstaat der USA. Alaska hat rund 730.000 Einwohner und weist die geringste Bevölkerungsdichte aller US-Staaten auf. Abgelegene Orte haben oft keinen Anschluss an das Stromnetz und erzeugen meist mit Dieselgeneratoren ihren eigenen Strom. In der Vergangenheit wurden Windenergieanlagen (WEA) mit Dieselgeneratoren gekoppelt. Der Nachteil hierbei ist: Bei Windflaute sind die Generatoren oft nicht schnell genug, um die fehlende Leistung zu kompensieren. Es droht immer ein kompletter Systemausfall.

Aus diesem Grund laufen die mit einer WEA gekoppelten Generatoren ständig bei 30 bis 50 Prozent Last, um so die Zuverlässigkeit des Netzes zu erhöhen. Das ist jedoch umweltschädlich und im Hinblick auf den hohen Ölpreis sowie die aufwendige Logistik unwirtschaftlich. Mit den Batteriespeichersystemen und der netzbildenden Umrichtertechnologie können die abgelegenen Dörfer in Alaska künftig ihre Energieversorgung zuverlässig gestalten, ihren Dieselverbrauch für die Stromaggregate senken sowie die Größe und Laufzeit von Dieselgeneratoren verringern. Die Inbetriebnahme der ersten Anlage ist für März 2022 geplant.

Bildergalerie

  • Batteriemodule aus Lithium-Eisenphosphat-Zellen (LiFePO4)

    Bild: Freqcon

  • Beispielhafte Innenansicht eines Batteriespeichercontainers

    Bild: Freqcon

  • BESS EV: Stationäres Speichersystem mit MSC-Umrichter von Freqcon sowie Second-Life-Fahrzeugbatterien von Mercedes-Benz Energy

    Bild: Freqcon

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