Energiespeichersysteme: So gelangt die Solarenergie zur Batterie

Wie eine Systemoptimierung die Solarenergie zum Batteriespeicher führt

Von Adam Kimmel für Mouser Electronics

Quelle: KanawatTH/Stock.Adobe.com

Die Solarenergietechnologie boomt, Jahr für Jahr werden die Kapazitäten weiter ausgebaut. Doch wie gelangt die Energie eigentlich von der Quelle zum Energiespeichersystem (ESS) und schließlich zum Verbraucher? Dieser Prozess, also die Strombereitstellung, ist vom Konzept her zwar einfach, aber kompliziert in der Umsetzung. Das liegt vor allem daran, dass sowohl Strommenge als auch die Beständigkeit der Energiequelle (oft unvorhersehbar) schwanken und sich der Leistungspegel des Systems ändert.

Nutzbare Solarenergie ist kostbar. Es ist nicht damit getan, Energie in einer Batterie zu speichern und sie dann über einen Wechselrichter an die Verbraucher weiterzuleiten. Zuvor muss diese Sonnenenergie auf höchst effiziente Weise eingefangen und zur Energiespeicherung mithilfe eines hochwertigen Controllers an das Subsystem weitergeleitet werden. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Stromversorgung und stellt beliebte ESS-Methoden vor.

Energiespeichersysteme

Ein Energiespeichersystem (ESS) umfasst drei Hauptkomponenten (Abbildung 1):

• Den Weg zwischen der Energiequelle und der Energiespeichereinheit, bei der es sich häufig um ein Batterie-Energiespeichersystem (BESS) handelt, wobei jedoch auch andere Formen möglich sind)
• Einen Energiespeicher und sein Management
• Einen DC/AC-Wechselrichter zwischen der Speichereinheit und dem Verbraucher (also dem Endverbraucher oder den Stromnetzen).

 
Abbildung 1: Die Batterie nimmt Energie aus verschiedenen Quellen auf, speichert sie und leitet sie über einen DC/AC-Wechselrichter als Strom an die Verbraucher weiter. (Quelle: Mouser Electronics)

Das ESS sammelt die Quellenenergie und gibt sie bei Bedarf als Strom an die Verbraucher ab. Bei Solarenergie ist diese Energie jedoch nur zeitweise verfügbar. Diese Tatsache macht die Ausfallsicherheit der Stromversorgung, die für Anwendungen wie Wohnhäuser und Unternehmen entscheidend ist, zu einer großen Herausforderung. Das Konzept der Energiespeicherung hat sich als eine wichtige Zwischenstufe erwiesen, um die Schwankungen der erneuerbaren Energiequellen auszugleichen.

Aufgrund der Nachfrage nach fortschrittlichen Chemikalien, die durch Elektrofahrzeuge (EVs) rasant gestiegen ist, haben sich Batterien als führende Lösung zur Energiespeicherung entwickelt. Die Batterie zur Energiespeicherung und das Managementsystem, das sich zwischen der Energiequelle und dem Verbraucher befindet, müssen die gesammelte und verfügbare Energiemenge vermitteln, um den Strombedarf zu decken.

Kapazitätsabhängige Architektur

Die Kombinationsmöglichkeiten von Energiequellen und Anwendungslasten sind nahezu endlos. Daher gibt es zur Bereitstellung von optimaler Leistung nicht nur eine einzige bevorzugte Architektur. Darüber hinaus gibt es bei solargestützten Photovoltaikanlagen (PV) eine sehr unterschiedliche Segmentierung, die auf der Größe der Leistung basiert.

Eine weitverbreitete Marktsegmentierung für Solaranlagen umfasst drei Bereiche:

• Privater Bereich: Für private Räumlichkeiten mit einem Leistungsbedarf von bis zu 10 kW
• Gewerblicher Bereich: Für Büros und Produktionsstätten mit einem Strombedarf von bis zu 5 MW
• Energieversorger: Außeninstallation mit einer Leistung von mehr als 5 MW

Überlegungen zum Ausbau der Solarenergie

Solarmodule bestehen aus mehreren einzelnen PV-Zellen, die jeweils eine Spannung im einstelligen Bereich erzeugen. Systementwickler schalten diese Zellen in Reihe, um die Effizienz der Architektur zu maximieren und die erforderliche Leistung zu liefern. Dadurch kann die Größe einer Solarstromanlage die spezifische Anwendungsleistung präziser liefern.

In den folgenden Abschnitten beschäftigen wir uns mit PV-basierten BESS für den Einsatz in Wohngebäuden und kleineren gewerblichen Anlagen, da diese gängige Anwendung den meisten Verbrauchern vertraut ist.

Wie Solarenergie Batterien auflädt

In Batterien gespeicherte Energie bietet den Vorteil, dass sie unabhängig genutzt oder als Reserve- oder Spitzenlaststrom an das Netz angeschlossen werden kann (Abbildung 2).

Abbildung 2: Blockflussdiagramm der kritischen Funktionen, die für ein komplettes solarbetriebenes Energiespeichersystem erforderlich sind, das bei Bedarf lokale Verbraucher und das Netz mit Strom versorgt. (Quelle: Infineon Technologies AG)

Als elektronische Schnittstelle zwischen den Modulen aus PV-Zellen und den Batterien dient ein DC/DC-Wandler mit Abwärts-, Aufwärts- oder Abwärts/Aufwärts-Eigenschaften. Welche Art von Wandler genutzt wird, hängt vom Vergleich der relativen Maximalspannung des PV-Ausgangs und der Maximalspannungen des Batteriefeldes ab.

Für eine optimale Stromversorgung durch Solarmodule ist jedoch ein Laderegler wie der AXC F 2152 PLCnext Controller von Phoenix Contact erforderlich. Der Laderegler überträgt die maximale Leistung von der PV-Zellenleistung zuerst an den DC/DC-Wandler und dann an die Speicherbatterie am Maximum Power Point (MPP), also dem Punkt maximaler Leistung, an dem die Quellenleistung mit der Last übereinstimmt. Der Laderegler AXC F 2152 ist ideal für Solaranlagen, da er auch in rauen Umgebungen maximale Leistung liefert.

Eine Solarzelle produziert Strom im Verhältnis zur Sonneneinstrahlung, während ihre Leerlaufspannung relativ konstant bleibt. Die maximale Leistung wird jeweils am Kurvenknick erreicht, wo die Zelle von einer konstanten Spannung in ein Gerät mit konstantem Strom übergeht, wie die Leistungskurven in Abbildung 3 zeigen.

Abbildung 3: Die maximale Leistungsabgabe des Solarmoduls tritt ein, wenn die Zelle von einer konstanten Spannung in ein Gerät mit konstantem Strom übergeht. (Quelle: Analog Devices)

Der MPP ist eine Funktion der Energieeigenschaften des PV-Moduls/der Solarquelle und der Umgebungstemperatur. Das Ladegerät mit der höchsten Effizienz richtet die Ausgangsspannung des Solarmoduls auf den Punkt maximaler Leistung aus, wenn die Sonneneinstrahlung nicht die volle Leistung des Ladegeräts liefern kann. Dadurch wird mehr Energie aus dem Umwandlungsschritt herausgeholt, was die Energieeffizienz erhöht.

Um aus dem PV-Modul also maximale Leistung zu gewinnen, sollten der MPP und die Last des Moduls überwacht werden, um den Wandler zu steuern und die Leistungsabgabe dynamisch zu optimieren (Abbildung 4). Dieser Vorgang wird Maximum Power Point Tracking (MPPT) genannt.

Abbildung 4: Das grundlegende MPP-Management (hier für eine Blei-Säure-Batterie) erfordert eine Anpassung des Gleichspannungswandlers, da die Last, die das Modul sieht, von der Leistung des Moduls abhängt. (Quelle: ResearchGate)

Um den MPPT zu bestimmen und zu verfolgen, ist eine Strategie oder ein Algorithmus im Laderegler erforderlich. Zur Ermittlung der maximalen Leistung gibt es zwei Wege: die Methode der konstanten Spannung und die Methode der Lastsprünge.

Methode der konstanten Spannung
Bei der einfachsten Tracking-Technik wird die Spannung der Solarzelle auf einen konstanten Wert gesetzt, der durch die Leerlaufspannung (VOC) der Zelle bestimmt wird, die im Datenblatt der Zelle angegeben ist. Designingenieure schätzen die Spannung eines Solarmoduls bei maximaler Leistung (VMP) auf eine feste Spannung knapp unter der Leerlaufspannung VOC. Um den Ansatz zu vereinfachen, geht das Entwicklerteam davon aus, dass der Temperaturkoeffizient bei VMP gleich VOC und über den erwarteten Temperaturbereich linear ist. Diese Annäherungen ermöglichen einen vereinfachten temperaturkompensierten Widerstand, um die Spannung des Moduls auf VMP einzustellen.

Methode der Lastsprünge (P&O)
Die konstante Spannung der Solarzelle hat einen Nachteil: Sie bietet keine maximale Effizienz mehr, wenn sich die Bedingungen ändern, z. B. bei unterschiedlicher Bewölkungsdichte und normalem Verschleiß der PV-Komponenten.

Es gibt jedoch einen fortschrittlicheren Ansatz, der sich an die Bedingungen für das MPPT-Tracking anpasst: die sogenannte Methode der Lastsprünge (Perturb and observe, P&O). P&O MPPT bewertet die Steigung der Leistungsänderung gegenüber der Spannungsänderung (ΔP/ΔV), die links vom MPP positiv und rechts vom MPP negativ ist und beim lokalen Maximum null beträgt, was die optimale Spannung anzeigt. Der dynamische MPPT-Algorithmus bildet alle Änderungen des MPP ab, indem er die Modullast um ihren Nennwert herum absichtlich etwas „stört“ und dann die Änderungen in der Leistung (zum Besseren oder Schlechteren) beobachtet.

Der eingebettete MPPT-Algorithmus des Controllers bietet maximale Effizienz in Bezug auf die von den Zellen gewonnene und an den Ausgang übertragene Leistung, unabhängig von wechselnden Umgebungsbedingungen wie Sonneneinstrahlung, Schmutz und Temperatur. Sobald der Controller seinen Startmodus beendet hat, beginnt er im MPPT-Modus mit der Suche nach dem Punkt maximaler Leistung. Abbildung 5 zeigt, wie sich der Tastgrad des PWM-Signals ändert, um den Nullpunkt auf der Kurve zu finden.
 

Abbildung 5: Der MPPT-Ansatz bewertet die Steigung der Leistungsänderung gegenüber der Veränderung der Spannungseigenschaften für das PV-Modul um seine Nennbetriebspunkte. (Quelle: SN Applied Sciences)

Den Strom weiterleiten

Energie in die Batterie zu leiten, ist nur eine der Herausforderungen eines Batterie-Energiespeichersystems (BESS). Letztlich zielt das System darauf ab, die gesammelte Energie aus den Batterien an den Verbraucher weiterzuleiten, in der Regel über eine 120/240-V-AC-Leitung, die netzbetriebene Geräte und Systeme versorgen kann.

Die Energieausgabe erfordert einen DC/AC-Wechselrichter, der den Gleichstrom der Batterie in netzkonformen Wechselstrom umwandelt. Wie die Elektronik zwischen der Stromquelle und den Batterien ist auch dieser Wechselrichter kein Gerät, das für alle Anwendungen geeignet ist. Zu berücksichtigen sind etwa die Topologie und das Design des Wechselrichters sowie die vielen Herausforderungen und Abwägungen bei der Entwicklung. Obwohl es keine offiziellen Definitionen gibt, teilen Branchenexperten Wechselrichter bezüglich Leistung und Merkmalen häufig in drei Kategorien ein: niedrig, mittel und hoch.

Mikrowechselrichter (niedrige Leistung)
Ein Mikrowechselrichter mit einer geringen Leistung zwischen 50 W und 400 W integriert einen separaten Wechselrichter und MPP-Tracker in jedes Solarmodul und ist effizienter als Stringwechselrichter. Die DC-seitige Verkabelung ist zwar minimal, die erforderliche AC-Verkabelung hingegen umfangreich. Daher sind Mikrowechselrichter nur für kleine Anlagen wirtschaftlich sinnvoll.

String (mittlere Leistung)
Ein String ist eine Konfiguration mit mittlerer Leistung für Anlagen zwischen 1 kW und 20 kW. Bei diesem Ansatz werden die Solarmodule mit mehreren Wechselrichtern in Reihe (oder Strings) geschaltet, meistens einer pro String. Das Verfahren ermöglicht einen hohen Wirkungsgrad, da jeder String unabhängig an seinem maximalen Leistungspunkt arbeiten kann.

Zentralwechselrichter (hohe Leistung)
Bei einem Zentralwechselrichter handelt es sich um eine Hochleistungskonfiguration, die mit 20 kW und mehr arbeitet. Bei dieser Kategorie werden die Strings parallel geschaltet, wobei nur ein einziger Wechselrichter für eine Gruppe von Solarmodulen benötigt wird. Da die Strings unterschiedliche Spannungen haben, sind spezielle Dioden nötig, um die Module auf maximale Leistung zu bringen. Die Dioden sind jedoch mit Verlusten behaftet, welche die Effizienz verringern. Daher können unter Umständen nicht alle Solarmodule ihren maximalen Leistungspunkt mit einem Zentralwechselrichter erreichen.

Zusammenfassung

Erneuerbare Energien bieten neue Möglichkeiten für die Steuerung der Stromversorgung, z. B. im Hinblick auf eine unterbrochene Versorgung und die Stromversorgungsarchitektur. Ein Solarmodul mit einem simplen Controller an eine Batterie anzuschließen und diese Batterie zur Stromversorgung zu nutzen, mag gelegentlich funktionieren. Doch diese Methode weist auch Leistungsmängel, Sicherheitsbedenken und Effizienzprobleme auf.

Die Wahl eines geeigneten Controllers und einer DC/DC-Topologie für den Pfad „Energiequelle-Speicherbatterie-Batterie-Management“ hingegen ist eine bessere Methode. Empfehlenswert ist, den gewählten DC/AC-Wechselrichter zu optimieren, um Leistungseffizienz, Beständigkeit, Langlebigkeit und Widerstandsfähigkeit zu gewährleisten.