Wechselrichter mit dezentralem Batteriemanagement: Die neue Grenze für Batterien mit verlängerter Lebensdauer und Kostenreduzierung

Melden Sie sich an für Tägliche Nachrichten-Updates von CleanTechnica per E-Mail. Oder Folgen Sie uns auf Google News!

Aufbauend auf vielen unglaublichen technologischen Innovationen wird die Solarenergie mit 413 GW alle Rekorde brechen voraussichtlich im Jahr 2023 weltweit eingesetzt werden. Ebenso wird erwartet, dass der Markt für stationäre Batteriespeicher von weltweit 56 GWh Ende 2021 um das 26-fache auf 1.432 GWh wachsen wird das erwartet Bloomberg NEF kumulativ bis 2030 installiert werden. Berücksichtigt man den Batteriebedarf für den Elektromobilitätssektor, ist der Markt für Batterien sogar noch größer. Als eine der wichtigsten Grundlagentechnologien zur Beschleunigung der Einführung variabler erneuerbarer Energien bergen alle technologischen Durchbrüche bei der Batteriespeicherung ein enormes Potenzial, den Übergang zu kohlenstoffärmeren Energiesystemen zu beschleunigen.

Eines der Dinge, die mich in den letzten acht Jahren am meisten begeistert haben, ist die Entwicklung der Leistungselektronik, die Solar- und Batteriespeicher elektrisch mit dem Netz verbindet. Der ursprüngliche Ansatz im Solarbereich sieht vor, Solarmodule über zentrale String-Wechselrichter an das Netz anzuschließen. Mit zunehmender Reife der Branche wurden jedoch fortschrittlichere Ansätze entwickelt, die einen erheblichen Mehrwert bieten. Unternehmen wie Enphase und SolarEdge haben den Sektor revolutioniert, indem sie verteilte Ansätze kommerzialisiert haben, bei denen die Elektronik an jedem Solarpanel platziert wurde, was eine Optimierung des Systems ermöglichte, um zusätzliche Leistung, Lebensdauer und Installationsflexibilität zu erschließen.

Auch bei Batterien wurden bei der Ersteinrichtung am häufigsten zentrale Batteriewechselrichter eingesetzt. Dieser Ansatz ist nicht nur stand-alone geeignet, sondern kann auch mit Solarwechselrichtern gekoppelt werden. Dadurch bietet es Flexibilität bei der Auswahl der Komponenten, hat jedoch den Nachteil, dass kombinierte Batterie- und Solarsysteme recht kostspielig sind und langwierige Installationsprozesse erfordern. Hybridwechselrichter sind ein Ansatz, der sich durchgesetzt hat, um dies zu verbessern, indem sie die separaten Batterie- und Solarwechselrichter in einem einzigen, komplexeren System kombinieren, das einen Wechselrichter und einen DC/DC-Wandler integriert, um Batterie und Solar an gemeinsamen Standorten zu verbinden.

Aber was wäre, wenn dies durch den vollständigen Verzicht auf den Batteriewechselrichter noch weiter vereinfacht werden könnte, um eine längere Lebensdauer, Kosteneinsparungen und weitere Leistungsvorteile zu erzielen? Daran arbeiten mehrere etablierte Unternehmen und wachstumsstarke Startups. Mit fortschrittlicheren Versionen der Batteriemanagementsystemelektronik, typischerweise einem untergeordneten System zur Unterstützung der Batteriesicherheit, können sie nachweislich eine wechselrichterlose Anbindung an das Netz erreichen. In Anlehnung an die zusätzlichen verteilten Ansätze für Leistung und Lebensdauer im Solarbereich nutzen diese Lösungen im Wesentlichen eine verteilte Steuerung der Batterien innerhalb eines Systems, sodass schrittweise Sinuswellen direkt aus den Batterien erzeugt werden, ohne dass ein Wechselrichter erforderlich ist. Die Lösungen, die entwickelt wurden und schnell kommerzialisiert werden, lassen sich in zwei potenzielle Ebenen einteilen: Steuerung auf Modulebene und Steuerung auf Zellebene.

1) Batteriemanagement-Wechselrichter (MBMIs) auf Modulebene

MBMIs sind ein Zwischenschritt zwischen der herkömmlichen Kombination eines passiven Batteriemanagementsystems mit einem zentralen Wechselrichter und den später in diesem Artikel beschriebenen Batteriemanagement-Wechselrichtern mit vollem Nutzen auf Zellebene. Wie im Diagramm dargestellt, behalten MBMIs das BMS in den Batteriemodulen bei, ersetzen jedoch den Zentralwechselrichter durch eine Reihe von Controllern auf Modulebene, die beispielsweise einen 30-40-V-Schrittwellenausgang bereitstellen und somit nur einen mittelgroßen Filter für einen glatten Sinus benötigen Welle. Sowohl auf Modul- als auch auf Zellebene ist die AC-Sinusverbindung vollständig bidirektional und eignet sich sowohl zum Laden als auch zum Entladen der Batterie.

Der Ansatz auf Modulebene wird von der Mehrheit der Unternehmen im aktuellen Ökosystem bevorzugt, da er möglicherweise eine geringere Eintrittsbarriere aufweist, weniger Schaltelemente, weniger komplexe Kommunikation und Algorithmen erfordert und daher schneller und einfacher zu entwickeln ist. Dadurch bleibt auch der aktuelle Status quo erhalten, der eine gewisse Trennung zwischen dem Batteriemanagementsystem (BMS) und dem Wechselrichter aufrechterhält. Es eignet sich auch besonders zur einfacheren Integration vorgeschweißter Second-Life-Batterien.

Zu den führenden Unternehmen in der Steuerung auf Modulebene gehören deutsche Unternehmen Saxophon-Power Und Instagrid, die beide Batterieprodukte für Privathaushalte auf dem Markt haben und an industriellen Systemen arbeiten. Andere wichtige Unternehmen in diesem Sektor müssen noch ein Produkt auf den Markt bringen. Dazu gehört das weltweit tätige Automobilunternehmen Stellantis Zusammenarbeit mit dem führenden Batterieunternehmen SAFT Dies wird als „Paradigmenwechsel im Design von Elektrofahrzeugen“ bezeichnet [vehicle] Antriebsstränge.“ Toyota und der japanische Energieversorger Jera haben ein Pilotprojekt im Versorgungsmaßstab eingesetzt. US-Wachstumsunternehmen Elementenergie entwickelt wiederverwendeten Grid-Scale-Speicher. Und deutsches Unternehmen Stabl arbeitet neben zahlreichen anderen Unternehmen auf Modulebene, die in der Branchenübersicht unten aufgeführt sind, an wiederverwendeten kommerziellen Batterien.

2) Fortschrittliche Batteriemanagement-Wechselrichter auf Zellebene (CBMIs)

CBMIs führen dieses Konzept auf die ultimative Stufe und ermöglichen die Kontrolle über jede in Reihe geschaltete Batteriezelle. Wie im Diagramm zu sehen ist, orchestriert diese Architektur die Zellspannungen auf elegante Weise, um ohne weitere Zwischenschritte direkt einen netztauglichen System-AC-Eingang und -Ausgang zu erreichen, wodurch die Notwendigkeit eines externen Wechselrichters vollständig entfällt. Dies bedeutet, dass das System ohne große Kondensatoren und Induktivitäten gebaut werden kann – tatsächlich können Systeme ohne einen einzigen Elektrolytkondensator gebaut werden. Daraus ergibt sich ein noch größeres Potenzial für eine verbesserte Energiedichte sowie eine höhere Effizienz und eine wesentlich längere Lebensdauer der Elektronik. Diese Architektur macht auch passive Zellausgleichssysteme und die damit verbundenen Energieverluste vollständig überflüssig. Durch die Trennung einzelner Zellen im Gegensatz zu ganzen Modulen bietet es darüber hinaus den zusätzlichen Vorteil, dass ein höheres Maß an Redundanz mit weniger erforderlichen Batteriezellen im System erreicht wird. Der CBMI-Ansatz eignet sich auch für neuartige Batteriechemien, bei denen das Umschalten der Zellanschlüsse oder die Möglichkeit, Zellen zu trennen, eine entscheidende Funktion ist.

Obwohl die Eintrittsbarriere für die Steuerung auf Zellebene viel höher ist als für die Steuerung auf Modulebene, gibt es derzeit zwei Unternehmen, die diesen noch tiefgreifenderen technologischen Fortschritt anführen. Dabei handelt es sich um in Kanada börsennotierte Unternehmen Exro-Technologienund ein von Toyota unterstütztes australisches Unternehmen Reelektrifizieren. Während Exro Technologies derzeit an Zertifizierungen für ein Industrieprodukt arbeitet, hat Relectrify seine Technologie bereits Anfang des Jahres bei führenden Energieversorgern weltweit demonstriert vollständige Zertifizierungen erreichtund hat seine Technologie seitdem in einem beträchtlichen Umfang an Industrieprodukten in den USA, Japan, Neuseeland und Australien eingesetzt.

Neben dem Ersatz eines herkömmlichen Wechselrichters mit den damit verbundenen Kosten-, Effizienz- und Platzvorteilen besteht der potenziell größte Vorteil dieser verteilten Ansätze in der zusätzlichen Kapazität und Lebensdauer des Batteriesystems. Herkömmliche Batterien ähneln einer Reihe traditioneller festlicher Lichterketten, da sie durch das schwächste Reihenelement der Hunderten von Reihenbatteriezellen in der Reihe begrenzt sind. Systeme mit Steuerung auf Modulebene sind insofern besser, als sie nur durch die schwächste der etwa zehn Zellen im Modul begrenzt sind. In gesteuerten Systemen auf Zellebene ist diese Einschränkung vollständig aufgehoben und jede Zelle kann in vollem Umfang genutzt werden. Das Ergebnis des Batterieszenarios, das beispielsweise wie im folgenden Diagramm dargestellt modelliert wird, ist das Potenzial einer Steuerung auf Modulebene, um die Batterielebensdauer von unter 11 Jahren bei herkömmlichen Batterien auf über 12 Jahre zu erhöhen (unter der Annahme von 10 Zellen pro Modul und einer mittleren Wegeszenario für die Verteilung von Zellen innerhalb von Modulen). Die Lebensdauer wird durch die Steuerung auf Zellenebene noch weiter verlängert, wodurch die Batterielebensdauer von unter 11 Jahren bei herkömmlichen Batterien auf über 14 Jahre oder etwa 30 % durch Zugriff auf jede Batteriezelle verlängert werden kann. In einer Welt, in der in vielen Regionen Batterie-Gigafabriken gebaut werden, erscheint diese Möglichkeit, die Lebensdauer von Batterien zu verlängern, ohne ihre Chemie oder ihren Herstellungsprozess zu ändern, äußerst wertvoll.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Zellen mit unterschiedlichen Kapazitäten integriert werden können, ohne dass sie voneinander eingeschränkt werden. Dies eröffnet außerdem die Möglichkeit, Batterien außerhalb der engen Fertigungstoleranzen zu verwenden, die erforderlich sind, um als Herstellungsausbeute für normale Batteriesysteme zu gelten, die bis zu 10 % der ausgereiften Batteriefabriken im Westen und bis zu 50 % der Produktion neuer Fabriken (Verknüpfung).

Kombiniert man die öffentlichen Testberichte und Aussagen der Unternehmen, die an dieser sich schnell entwickelnden Technologiegrenze beteiligt sind, umfasst das gesamte Spektrum an Vorteilen, die für das Endergebnis der Kontrolle auf Zellebene relevant sind, alle folgenden Punkte:

• Erhöhte Batterielebensdauer durch Freigabe des Zugriffs auf die volle Kapazität jeder Zelle
• Längere Lebensdauer der Elektronik durch völligen Verzicht auf Elektrolytkondensatoren
• Reduzierte Elektronikkosten durch wechselrichterlosen Wechselstrom
• Reduzierte Kosten für Zellen, da Batterien mit einer breiteren Kapazitätsstreuung und anderen Eigenschaften verwendet werden können
• Verbesserte Sicherheitsreaktionsfähigkeit, da jede verdächtige Zelle/jedes verdächtige Modul umgangen werden kann
• Höhere Zuverlässigkeit, da jede ausgefallene Zelle einzeln umgangen werden kann
• Höhere Energiedichte durch wechselrichterlosen Wechselstrom
• Höhere Effizienz durch wechselrichterlosen Wechselstrom und vollständige Eliminierung passiver Ausgleichsverluste
• Beschleunigtes Schnellladen durch Umgehung geladener Zellen, um einen höheren Strom aufrechtzuerhalten
• Verbesserte Batteriewartung, einschließlich größerer Kompatibilität mit Ersatzbatterien
• Möglichkeit, Batteriesegmente unterschiedlicher Chemie, Verwendung oder anderer Eigenschaften zu kombinieren
• Ermöglichung neuer Batteriechemien, die eine verteilte Steuerung erfordern

In ihrer Gesamtheit klingt diese Liste der Vorteile fast zu schön, um wahr zu sein. Die Anzahl und Qualität der Unternehmen, die sich mit diesem Thema befassen, und die Fortschritte einiger Unternehmen, die heute echte Produkte in den Händen ihrer Kunden haben, verleihen den Möglichkeiten, die diese Wechselrichter mit dezentralem Batteriemanagement bieten, jedoch mehr Glaubwürdigkeit. Nachdem wir den Wert gesehen haben, den dezentrale Leistungselektronik, beispielsweise von Enphase und SolarEdge, auf dem Solarmarkt freigesetzt hat, wird es sehr spannend sein zu beobachten, wie sich dieser Bereich bei Batterien in den kommenden Jahren entwickelt.