Energiespeichersysteme spielen eine entscheidende Rolle für die Weiterentwicklung der erneuerbaren Energien. Denn eine stabile Energieversorgung lässt sich nur dann sicherstellen, wenn die Volatilität der Quellen durch hinreichend dimensionierte und zuverlässige Speicher ausgeglichen werden kann. Insbesondere die Verbindungstechnik und der typische Aufbau eines Energiespeichersystems sind für den Energie- und Dateninformationsfluss von großer Bedeutung (Abbildung 1).
Ein elektrischer Energiespeicher auf Basis galvanischer Batterien ist im Allgemeinen modular aufgebaut (Abbildung 2). Dieses Prinzip lässt sich mit Anpassungen und geringen Einschränkungen auf Großspeicher ebenso anwenden wie auf kleine Heimspeichersysteme. Das Grundelement sind die Batteriezellen, von denen zur Strom- und Spannungserhöhung einige parallel und seriell zu Packs verschaltet werden (Abbildung 3). An dieser Stelle sind bereits die ersten elektrischen Verbindungen zu finden.
Wird eine größere Anzahl von Zellen in ein Gehäuse integriert, spricht man vom Speichermodul. Dieses wird von einer Elektronik überwacht und gesteuert, dem sogenannten Modul-BMS – die Abkürzung steht für Battery Management System. Es überwacht die Lade- und Entladevorgänge der Batteriezellen, damit alle Zellen gleichmäßig geladen und entladen werden. Dies wird auch als Balancing bezeichnet. Für das Balancing müssen die einzelnen parallel geschalteten Zellgruppen jeweils separat angesteuert werden können. Neben den zwei Anschlüssen – positiv und negativ – für den Lade-/Entladestrom weist das Modul-BMS demnach noch eine Vielzahl von Verbindungen zu den einzelnen Zellgruppen auf (siehe Abbildung 3).
Ein Logiksystem erfasst und verarbeitet alle Informationen über den Ladezustand des Batteriemoduls. Dazu benötigt jedes BMS eine Datenschnittstelle. Die Daten- und Leistungsanschlüsse werden von den Platinen des BMS zum Modulgehäuse geführt. Für die Leistungsanschlüsse werden dort häufig Schraubanschlüsse eingesetzt, während die Datenschnittstelle meist steckbar ausgeführt ist.
Ein einzelnes Batteriemodul weist typischerweise eine Spannung im Bereich zwischen 24 V und 96 V auf. Die Systemspannung liegt jedoch häufig auf einem deutlich höheren Niveau. Hierfür werden mehrere Batteriemodule in Serie verschaltet und baulich meist in entsprechende Racks integriert (siehe Abbildung 2). Außerdem sind die einzelnen Module auch datentechnisch miteinander gekoppelt, so dass von jedem Modul mindestens eine Datenleitung zum nächsten Modul geführt wird.
In jedem Rack befindet sich zudem eine Steuerung, das so genannte Rack-BMS. Das Rack-BMS ist über Leistungsanschlüsse mit seinen zugeordneten Batteriemodulen verbunden. Eine weitere Leistungsschnittstelle dient der Anbindung des Racks an das übergeordnete System. Für den Datenverkehr weist das Rack-BMS mehrere Datenschnittstellen auf. Darüber hinaus besitzt das Rack-BMS üblicherweise mehrere Eingänge für die Sensorik. Von den externen Schnittstellen am Gehäuse des Rack-BMS werden die Verbindungen intern auf verschiedene Leiterplatten geführt.
Je nach Größenordnung werden mehrere Speicher-Racks zu einem übergeordneten System zusammengefasst. Dieses besitzt ebenfalls eine eigene Steuerung, um die Lade- und Entladevorgänge zu kontrollieren und um mit der externen Welt zu kommunizieren. Darüber hinaus sind Klimatisierungsvorrichtungen sowie Brandsensorik und -bekämpfung eingebunden.
Auch in diesem Zusammenhang spielt eine Vielzahl unterschiedlicher elektrischer Verbindungen eine entscheidende Rolle im Zusammenspiel der Systemkomponenten sowie bei der externen Anbindung des Speichers. Häufig entsteht der Eindruck, dass nur die Leistungsflüsse betrachtet werden müssen – aber dem ist nicht so. Denn erst die digitale Anbindung des Speichersystems an das Netz, an die speisende Solar- oder Windkraftanlage, macht die effiziente Nutzung eines Energiespeichersystems möglich.
Die Anzahl möglicher Fehler in der Verbindungstechnik ist durchaus überschaubar. Die Fehlerwahrscheinlichkeit hängt maßgeblich von der Qualität der eingesetzten Komponenten und des Designs, von der Eignung der Technologie für die Anwendung sowie von der Qualifikation der Anwender ab. Eine Grundvoraussetzung zur Vermeidung von Störungen in komplexen elektronischen Systemen ist ein entsprechendes Gerätedesign. Dies beginnt bei der Dimensionierung der Verbindungstechnik und setzt sich über die Umweltanforderungen (Korrosion bei Feuchtigkeit) und die Schutzgrade fort. Auch Vibrationen an Steckverbindern, deren Schrauben nicht festgezogen oder gewartet werden, müssen berücksichtigt werden (Abbildung 4).
Der Ausfall oder gar die Zerstörung eines Energiespeichersystems infolge eines Fehlers stellen den schlimmsten Fall dar. Aber auch nicht optimierte Designs oder Systemzustände können versteckte Kosten verursachen, die in den meisten Fällen leicht vermeidbar sind.
Als Beispiel können hier die externen Leistungsverbinder eines Batteriemoduls genannt werden. Bereits eine korrekt ausgelegte und vorschriftsgerecht installierte Verbindung führt hier pro Modul zu Verlusten von mehr als 1000 kWh über die gesamte Lebensdauer. Die Anfangsinvestition in einen hochwertigeren Steckverbinder rechnet sich hier schnell.
Auslegung, Qualität und korrekte Verwendung der Verbindungstechnik in Energiespeichersystemen sind entscheidend für deren Kosten, Zuverlässigkeit und Effizienz. Ein zunächst preiswert erscheinender Kompromiss führt allzu häufig zu hohen laufenden Kosten und Systemausfällen. Es lohnt sich daher in jedem Fall, bei der Auslegung der Verbindungstechnik auf allen Ebenen eines Energiespeichersystems auf kompetente Hersteller zurückzugreifen. Phoenix Contact stellt mit seinem umfassenden Angebot alle für Energiespeicher erforderlichen Steckverbinder bereit.
Dr. Rüdiger Meyer, Phoenix Contact GmbH & Co. KG
Dr. Rüdiger Meyer ist Elektroingenieur mit über 25 Jahren Erfahrung im Bereich der erneuerbaren Energien (Solar, Speicher). Derzeit arbeitet Dr. Meyer als Application Expert Energy Storage im Geschäftsbereich Gerätestecker bei der Phoenix Contact GmbH & Co. KG in Blomberg, Deutschland. Im Rahmen seiner Tätigkeit bei Phoenix Contact war er unter anderem als Vertreter im BVES (Bundesverband Energiespeicher), im BSW (Bundesverband Solarwirtschaft, Arbeitskreis Energiespeicher) und im ZVEI (Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie, Fachbereich Batterien) tätig. Darüber hinaus leistet Dr. Meyer aktive Normungsarbeit zu Energiespeichern in der DKE (DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE) UK 261.1 sowie in der IEC TC 120 MT8.