Wie funktioniert ein Batteriespeicher?

Batteriespeicher gewinnen an Bedeutung

Die Speicherung von Strom gewinnt zunehmend an Bedeutung. Besonders in Verbindung mit nachhaltiger Energiegewinnung mit Photovoltaikanlagen sind Batteriespeicher immer öfter im Fokus, um gewonnenen Strom noch effizienter nutzen zu können.

Doch nicht jeder kann sich vorstellen, wie ein Batteriespeicher überhaupt funktioniert.

STABL Energy Rackrendering1

Dass in einem Batteriespeicher eine Batterie verbaut ist, scheint offensichtlich – aber wie funktioniert diese überhaupt und was ist noch verbaut?

Weshalb kann ich nicht einfach die Batterie direkt an die Photovoltaikanlage anschließen? Und was hat ein Wechselrichter, das BMS und ein Transformator damit zu tun?

Viele denken bei Transformatoren vielleicht an außerirdische Auto-Roboter. Ganz so cool wie Transformer sind diese Bauteile zwar nicht – jedoch ist es trotzdem spannend herauszufinden, wie die verschiedenen Bauteile eines Batteriespeichers zusammenarbeiten und so Energie intelligent speichern & abgeben können.

Wie funktioniert eine Batterie?

Im Prinzip funktioniert jede Batterie gleich: Es gibt zwei Pole, welche aufgrund einer unterschiedlichen Sättigung mit negativ geladenen Elektronen eine gegensätzliche Ladung aufweisen. Am sogenannten Minuspol herrscht ein Elektronen-Überschuss, weshalb er negativ geladen ist, wohingegen am Pluspol ein Elektronen-Mangel herrscht, weshalb dieser positiv geladen ist.

Second-Life Batterie Module

Verbindet man die beiden Pole, entsteht eine elektrische Spannung, also ein Gefälle, welches versucht, die Elektronensättigung der beiden Pole auszugleichen. So strömen Elektronen vom Minuspol zum Pluspol.

Ist zwischen Minus- und Pluspol ein Verbraucher geschaltet, kann dieser, abhängig von Strom, Spannung und somit der Leistung der Batterie eine gewisse Arbeit verrichten. Dies kann zum Beispiel eine Glühbirne sein, die beginnt zu leuchten.

Bei einer Lithium-Ionen Batterie, einer der verbreitetsten Formen der Batterie, geschieht dies, indem sich eine Kathode als Pluspol und eine Anode als Minuspol gegenüberstehen. Die Ladungsträger, die sich zwischen Kathode und Anode bewegen, sind Lithium-Ionen, welche sich durch einen sogenannten Elektrolyten zwischen den beiden Polen bewegen können. Dieser Elektrolyt ist von einem Separator unterbrochen, welcher nur Ionen passieren lässt.

Legt man eine Spannung an diese Batterie an, entsteht ein Überschuss von negativ geladenen Elektronen an der Anode, wohingegen der Kathode Elektronen entzogen werden. Dadurch entstehen positiv geladene Lithium-Ionen, welche durch den Separator zur Anode wandern, um sich dort wieder mit einem überschüssigen Elektron zu verbinden und sich dann als neutrales Teilchen an das Graphit anzulagern. Somit ist die Batterie geladen.

Beim Entladen läuft dieser Vorgang genau entgegen gesetzt ab: Lithium-Ionen wandern durch den Elektrolyten zur Kathode und die Elektronen wandern durch eine Verbindung der beiden Pole, um so die gespeicherte Energie freizugeben.

Das ist die Funktionsweise einer Batteriezelle. Diese Batteriezellen werden dann zu Modulen und diese Module wiederum zu dem ganzen Batterie-Pack verschaltet. Dieses Batteriepack wird dann an den Wechselrichter geschalten, der zweiten zentralen Komponente eines Batteriespeichers.

Wie funktioniert ein Wechselrichter?

Sinus konventionell

Eine Batterie an sich kann nur Gleichstrom abgeben. Dieser resultiert aus einer Gleichspannung zwischen Plus- und Minuspol. Das Stromnetz basiert dank Nikola Tesla jedoch auf Wechselstrom bzw. Wechselspannung, das heißt einen Strom, welcher mit einer bestimmten Frequenz (50 Hz in Europa) die Richtung ändert.

Ziel eines jedes Wechselrichters ist es also, aus der Gleichspannung der Batterie eine netzkonforme Sinusspannung zu erzeugen und umgekehrt. Konventionelle Wechselrichter sind kühlschrankgroße Kästen, die an der Wand befestigt werden oder neben dem Batteriepack stehen. Bei einem konventionellen Wechselrichter erfolgt die Spannungswandlung, indem die Spannung der Batterie unterschiedliche lange zu und ab geschaltet wird, um so im Mittel die erwünschte sinusförmige Wechselspannung zu generieren. Dieses Verfahren heißt Pulsweitenmodulation (PWM) und verursacht hohe Schaltverluste, da die Schaltfrequenz oft mehrere kHz beträgt. Wer mehr zur PWM herausfinden möchte, findet bei Wikipedia eine gute Erklärung.

Die Ausgangsspannung konventioneller Wechselrichter ist oft unscharf und mit Störungen behaftet. Man kann sich das so vorstellen wie das Fernsehbild eines alten Röhrenfernsehers, das flimmert und wackelt. So muss immer noch ein Netzfilter nachgeschaltet werden, der die Ausgangsspannung glättet und die Spannung netzkonform macht.

Doch woher weiß der Wechselrichter, wann er laden und entladen soll? Hier helfen ihm das Batterie- und das Energiemanagementsystem, welche wir im nächsten Abschnitt erklären.

Übrigens

Im Gegensatz zu normalen Wechselrichtern geschieht bei STABL Energy die Spannungsumwandlung durch innovatives Anschalten der Batteriemodule nacheinander in Serie. Um wieder auf die Fernseh-Analogie zurückzukommen: Konventionelle Wechselrichter sind die flackernden Röhrenfernseher und STABL Energy ist der neue HD-Standard. Die Ausgangsspannung ist qualitativ hochwertiger, der Netzfilter kann geringer ausfallen und so werden Stromspeicher mit STABL Energy effizienter und im Betrieb günstiger! Details hierzu findet Ihr auch auf unserer Technologie-Seite oder in unserem White Paper.

Wie funktionieren BMS und EMS?

Das BMS, also das Batteriemanagementsystem, überwacht und steuert eine Batterie. So wird überwacht, in welchem Ladezustand sich die Batterie befindet, ob eine Batterie über- oder tiefentladen wird, und es werden wichtige Kenngrößen zum Betrieb der Batterie gesammelt, verarbeitet und weitergeleitet. Ohne ein funktionierendes BMS zur Überwachung einer verwendeten Batterie kann diese sehr schnell Schaden nehmen und nicht adäquat genutzt werden. Es wäre unmöglich festzustellen, in welchem Zustand sich eine Batterie befindet.

Vergleichbar wäre dies mit einem Handy ohne Ladeanzeige, das bei einem Ladezustand von 0 % und bei einem Ladezustand von 100 % kaputt geht. Ein solches Handy wäre unmöglich zu benutzen, ohne es früher oder später zu beschädigen, da man sich nur an Erfahrungswerten und nicht an Tatsachen orientieren könnte, um die Ladezyklen zu bestimmen und so zwangsläufig irgendwann die Batterie über- oder tiefentladen würde.

Das BMS kommuniziert diese Daten zum EMS, dem Energiemanagementsystem. Das EMS verwertet diese Daten und legt dann fest, wann mit welchem Strom und für wie lange der Wechselrichter den Speicher laden und entladen soll.

Was war jetzt nochmal ein Transformator?

Transformatoren sind optionale Komponenten in einem Batteriespeichersystem. Ist die durch den Batteriespeicher abgegebene Spannung nicht entsprechend der, die ein Verbraucher benötigt, kann es nötig sein, die Spannung zu transformieren, also in eine gewünschte Spannung umzuwandeln. Dies geschieht, indem eine Spannung an eine Spule mit einer bestimmten Windungszahl angelegt wird, welche durch einen gemeinsamen Magnetkern mit einer anderen Spule mit einer anderen Windungszahl verbunden ist. So können Spannung und Strom angepasst werden, um einen entsprechenden Verbraucher zu versorgen. Trafos werden üblicherweise nur bei Megawatt-Speichern verbaut und sind für Heimspeicher-/Gewerbespeicher-Anwendungen eher irrelevant.

Zusammenfassung

All diese Bausteine – Batterie, Wechselrichter, BMS – sind nötig, um einen Batteriespeicher zu betreiben.

Zusammenfassend sieht das Zusammenspiel so aus. Das Energiemanagementsystem gibt vor, wann und wie stark der Stromspeicher entladen werden soll. Dieses Signal geht an den Wechselrichter, dem Muskel des Batteriespeichers. Die Batterien geben dann ihre Energie ab oder nehmen sie auf und das BMS überwacht den Zustand der Batteriezellen, damit diese immer im optimalen Bereich betrieben werden.

STABL Energy Testing Rack

Wichtig bei der Auswahl und beim Design des Stromspeichers ist auf jeden Fall die Effizienz, denn sie bestimmt, wie viel Energie und Geld der Speicher Ihnen spart. Wie STABL Energy die Effizienz von Stromspeicher auf ein neues Niveau hebt, könnt Ihr herausfinden, indem Ihr unser White Paper herunterladet oder direkt mit uns in Kontakt tretet über die Info-Mail.

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