Batteriespeicher in Rechenzentren können die Ausfallsicherheit stärken, müssen jedoch an die Lastverhältnisse, die Umschaltsequenz und die Ausfallarten der Anlage angepasst ausgelegt werden. Das Gleiche gilt für Krankenhäuser, industrielle Steuerungsanlagen und Kommunikationsstandorte, an denen bereits eine kurze Stromunterbrechung Prozesse unterbrechen oder einen langwierigen Neustart auslösen kann.
Ein Batterie-Energiespeichersystem (BESS) ist nicht ohne Weiteres ein Ersatz für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV). Bei vielen Konzepten für kritische Stromversorgung übernehmen beide unterschiedliche Aufgaben. Die USV schützt empfindliche Geräte unmittelbar, während ein größeres BESS, ein Generator oder ein Mikronetz einen langfristigen Betrieb sowie das standortweite Energiemanagement sicherstellen.
Dieser Leitfaden erläutert die Fragestellungen, die ein Speicherprojekt für kritische Lasten bestimmen sollten.
USV und BESS: Verwandt, aber nicht identisch
Eine USV ist dafür ausgelegt, geschützten Geräten aufbereiteten Strom mit geringer oder keiner Unterbrechung zu liefern. Sie überbrückt Stromstörungen sowie die Zeit bis eine andere Energiequelle zur Verfügung steht. Ihre Leistungsfähigkeit wird durch Faktoren wie Topologie, Umschaltverhalten, Ausgangsqualität und die Laufzeit bei einer vorgegebenen Last bestimmt.
Ein BESS ist üblicherweise für weiterreichende Energiedienstleistungen ausgelegt. Es kann Lastspitzenkappung, Tarifoptimierung, die zeitliche Verlagerung von Erneuerbaren-Energien-Strom und Notstromunterstützung bereitstellen. Ein netzbildendes BESS mit geeigneter Schalt- und Steuerungstechnik kann die Versorgung einer inselbetriebenen Anlage sicherstellen; dabei müssen Umschaltzeit und Stromqualität exakt den Anforderungen der Last entsprechen.
Für hochempfindliche IT-Geräte ist die Angabe „schnell“ keine ausreichende Spezifikation. Das Ingenieurteam muss festlegen, welche maximale Unterbrechung die Last tolerieren kann, und die gesamte Umschaltsequenz durch Untersuchungen und Tests überprüfen.
Bestimmen Sie zunächst die kritische Last, bevor Sie die Batterie dimensionieren
Der gesamte Strombedarf einer Anlage entspricht selten der kritischen Last. In einem Rechenzentrum müssen Server, Netzwerkkomponenten, Kühlsysteme, Pumpen, Steuerungen, Brandschutzeinrichtungen, Sicherheitsanlagen und Notbeleuchtung weiter betrieben werden. Einige Komfort- oder Verwaltungslasten können abgeschaltet werden.
Erstellen Sie eine Lastliste mit folgenden Angaben:
- Dauerbetriebsleistung
- Anlauf- oder Einschaltstrombedarf
- Leistungsfaktor und Oberschwingungseigenschaften
- Erforderliche Betriebsdauer
- Maximal zulässige Unterbrechungsdauer
- Wiederanlaufsequenz
- Priorisierung bei begrenzter gespeicherter Energie
Die Kühlung muss unbedingt berücksichtigt werden. Server wandeln den Großteil der aufgenommenen elektrischen Energie in Wärme um. Eine Auslegung, die zwar die IT-Racks versorgt, aber die Kühlanlage außer Betrieb setzt, kann einen Ausfall lediglich verzögern. Pumpen, Lüfter und Verdichter weisen zudem Anlaufströme auf, die sich auf die Dimensionierung des Wechselrichters auswirken.
Leistung und Energie getrennt dimensionieren
Die Leistung in Kilowatt oder Megawatt bestimmt, ob das Speichersystem die kritische Last versorgen kann. Die Energie in Kilowattstunden oder Megawattstunden gibt an, wie lange es diese Last aufrechterhalten kann.
Als vereinfachtes Beispiel benötigt eine kritische Last von 750 kW mit einem erforderlichen Batterieunterstützungszeitraum von 30 Minuten eine ideale Energieabgabe von:
750 kW × 0,5 Stunden = 375 kWh
Die installierte Nennkapazität der Batterie muss höher ausgelegt werden, wenn nutzbare Entladetiefe (DoD), Umwandlungsverluste, Hilfslasten, Temperatureinflüsse, Alterung und Sicherheitsreserve berücksichtigt werden. Das Stromumwandlungssystem muss zudem dauerhaft 750 kW sowie sämtliche zugelassenen transitorischen Lasten oder Anlaufströme von Motoren bewältigen.
Wenn die Batterie lediglich als Überbrückung bis zum Anlauf der Generatoren dient, kann die Betriebsdauer vergleichsweise kurz ausfallen. Muss sie hingegen einen lang andauernden Netzausfall abdecken, steigt der benötigte Energiebedarf rasch an. Bei einem hybriden Konzept übernimmt die Batterie die sofortige Versorgung, anschließend werden Generatoren und Solaranlagen bei langfristigen Störungen koordiniert betrieben.
Entwerfen Sie die Umschaltsequenz zwischen den Energiequellen
Ein Notstromsystem kann das öffentliche Stromnetz, USV-Anlagen, Batteriespeicher (BESS), Solaranlagen und Generatoren umfassen. Entscheidend ist nicht nur, welche Energiequellen vorhanden sind, sondern welche Abläufe Sekunde für Sekunde nach einer Störung ablaufen.
Wenn das Netz außerhalb der festgelegten Grenzwerte arbeitet, versorgt die USV zunächst die empfindlichen Lasten, während Schaltgeräte den geschützten Sammelschienenabschnitt vom Netz trennen. Anschließend übernimmt das Batteriespeichersystem (BESS) die Versorgung des lokalen Netzes, niederprioritäre Lasten werden abgeschaltet, und bei anhaltendem Netzausfall werden die Generatoren gestartet. Soweit verfügbar liefern Solaranlagen zusätzlich Energie. Für jeden Umschaltvorgang sowie die Rückschaltung auf das öffentliche Netz müssen genaue Zeitabläufe, Verriegelungen und Notfallverhalten festgelegt werden.
Die Netzskalige ESS-Lösung von Deye kombiniert Photovoltaik, Speicher und Generatoren für leistungsstarke, ausfallsichere Energieanwendungen. Die Gewerbe- und Industrie-ESS-Lösung von Deye bietet zudem Notstromversorgung für kritische Gewerbelasten.
Die Redundanz muss über die reine Batteriekapazität hinausgehen
Das Hinzufügen zusätzlicher kWh beseitigt nicht jede einzelne Schwachstelle im System. Prüfen Sie die Redundanz in folgenden Bereichen:
- Batteriestränge oder Batterieschränke.
- PCS-Blöcke.
- Steuerung und Kommunikation.
- Hilfsstromversorgung und Kühlung.
- Schaltgeräte und Sammelschienenabschnitte.
- Überwachungs- und Notfallsysteme.
Die Konzepte N+1 oder 2N müssen auf die erforderlichen Funktionen angewendet werden und dürfen nicht nur als Marketingbegriffe missbraucht werden. Kann der verbleibende Teil der PCS-Einstellungen die gesamte kritische Last übernehmen, falls eine PCS ausfällt? Ist die vorgesehene Betriebsdauer noch gewährleistet, wenn ein Batteriestrang abgetrennt wird? Halten die lokalen Steuerungen einen sicheren Betriebszustand aufrecht, falls die Kommunikation ausfällt?
Auch die Wartbarkeit spielt eine wichtige Rolle. Die Betreiber sollten ein Modul oder Teilsystem außer Betrieb nehmen können, ohne dabei die gesamte kritische Last unnötig gefährden zu müssen.
Die Batterie nutzen, ohne die Ausfallsicherheitsreserve aufzubrauchen
Ein Batteriespeichersystem (BESS) kann im regulären Betrieb zudem zur Spitzenlastkappung, zur zeitlichen Verlagerung des Stromeinkaufs oder zur Speicherung überschüssiger Solarenergie eingesetzt werden. Das Energiemanagementsystem (EMS) muss die für kritische Lasten vorgesehene Reserve unangetastet lassen und bei Ausfall der externen Kommunikation sichere lokale Notfallbetriebsweisen aufrechterhalten.
Sicherheit, Standortwahl und Thermomanagement
Große Lithium-Batteriesysteme erfordern eine abgestimmte Sicherheitskonstruktion. Das Design kann die Überwachung von Zellen und Modulen, elektrische Trennung, Belüftung oder Flüssigkühlung, Gas- und Raucherkennung, Brandschutzsysteme, Notabschaltungen, Sicherheitsabstände sowie Zugangsmöglichkeiten für Einsatzkräfte beinhalten.
Örtliche Vorschriften, Normen und behördliche Auflagen legen die endgültige Auslegung fest. Produktzertifizierungen sind zwar wichtig, die Konformität auf Projektebene hängt jedoch zudem von Montage, Systemintegration und Betriebsführung ab.
Die Temperaturregelung beeinflusst die nutzbare Leistung, die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit. Kühlsysteme sowie deren Hilfsstromversorgung müssen in die Ausfallsicherheitsanalyse einbezogen werden. Fällt die für die Batterie zuständige HLK-Anlage aus, muss das Steuerungssystem vor dem Überschreiten der Betriebstemperaturgrenzen ein festgelegtes Reaktionsverfahren durchführen.
Prüfungen und Betriebsabläufe vervollständigen die Auslegung
Ein System für kritische Lasten sollte anhand praxisnaher Szenarien in Betrieb genommen werden und nicht nur durch eine einfache Einschaltprüfung. Die Tests können Netzausfall, fehlgeschlagenen Start einer Energiequelle, niedrigen Ladezustand (SOC) der Batterie, Ausfall eines PCS-Geräts, Kommunikationsausfall, Lastabwurf, Schwarzstart sowie die Rückschaltung auf das öffentliche Stromnetz abdecken.
Betriebskonzepte regeln Inspektionen, Kapazitätsprüfungen, Alarmbearbeitung, Firmware-Verwaltung, Ersatzteilhaltung, Mitarbeiterschulungen und regelmäßige Lastüberprüfungen. Die Auswertung von Trenddaten zu Batterietemperatur, Zellenausgleich, verfügbarer Energie und Alarmen ermöglicht die Erkennung von Verschleißerscheinungen, bevor diese zu einem Stromausfall führen.
Zu klärende Fragen vor der Beschaffung
Fragen Sie Lieferanten und Ingenieurpartner:
- Welche Last muss unterbrechungsfrei versorgt werden und über welchen Zeitraum?
- Wie lang ist die maximal zulässige Umschaltzeit?
- Ist das Batteriespeichersystem ein Ersatz für eine USV, eine Überbrückung für Generatoren oder eine Energiequelle mit längerer Entladezeit?
- Welche Kapazität verbleibt am Ende der Garantiezeit bzw. der Auslegungslebensdauer?
- Kann das System die erforderliche Betriebsdauer einhalten, wenn eine Hauptkomponente ausfällt?
- Wie werden Kühlung, Steuerungen und Schaltanlagen während eines Stromausfalls mit Strom versorgt?
- Welche Betriebsdienste im Normalbetrieb können ausgeführt werden, ohne die Reserve zu verringern?
- Welche Vor-Ort-Prüfungen belegen die korrekte Ablaufsteuerung?
Aufbau einer Ausfallsicherheit als gesamtes Energiesystem
Batteriespeicher ermöglichen Rechenzentren und anderen kritischen Einrichtungen eine schnelle Reaktion, eine längere Notstromversorgung sowie eine verbesserte Energiesteuerung. Das optimale Ergebnis wird erzielt, wenn USV, Batteriespeichersysteme, Generatoren, erneuerbare Energiequellen, Schaltanlagen, Kühlsysteme und Betriebsverfahren als ein gesamtes System koordiniert werden.
Planen Sie eine Speicherlösung für ein Rechenzentrum oder eine andere betriebskritische Einrichtung? Senden Sie das Anfrageformular auf der Kontaktseite von Deye ESS unter Contact page ab. Geben Sie Ihr Land, die Art der Einrichtung, die kW-Leistung der kritischen Last, die erforderliche Notlaufzeit, die maximale Umschaltzeit, die Netzspannung, vorhandene USV-Anlagen und Generatoren, das Redundanzziel, Standortbedingungen sowie den Projektzeitplan an. Diese Angaben ermöglichen dem Team eine zielgerichtete Beratung zur passenden Architektur für Gewerbe & Industrie oder Versorgungsnetzmaßstab.