Energiespeicherung - Der Brückenschlag zwischen erneuerbarer Energie und Elektrofahrzeugen

Energiespeicherung mit Batterien und Wasserstofftechnologie ist entscheidend für das Wachstum und den technischen Fortschritt in wichtigen Zukunftsbranchen, allen voran bei Erneuerbaren Energien sowie E-Mobilität. Dabei kann die Energiespeicherung durchaus als „Bindeglied“ zwischen nachhaltiger Stromerzeugung und Fahrzeugelektrifizierung betrachtet werden. Denn erst sie ermöglicht eine bedarfsgerechte und effiziente Versorgung der E-Fahrzeuge mit dem erzeugten Gleichstrom.
Ohne effiziente Technologien zur Gleichstromspeicherung kann die Nachfrage intermittierender Verbraucher, wie Elektrofahrzeuge, nur schwer mit der Versorgung durch fluktuierende erneuerbare Energien, wie Sonne und Wind, in Einklang gebracht werden.

Angebot und Nachfrage im Einklang

Viele Faktoren können zu erheblichen Ungleichgewichten auf beiden Seiten führen: Mal wird aufgrund widriger Witterungsbedingungen kein Strom erzeugt, obwohl aktuell ein Fahrzeug geladen werden soll. Ein anderes Mal sind die Bedingungen für die Stromproduktion ideal, aber es besteht gerade kein Bedarf, ein Elektroauto zu laden. Energie effizient zu speichern ist der Schlüssel, Angebot und Nachfrage in Einklang zu bringen.
Daher sind leistungsfähige Energiespeicher eminent wichtig, denn die Verfügbarkeit und Geschwindigkeit der Batterien entscheiden darüber, dass die Energie direkt während der Produktion gespeichert werden kann und bereitsteht, wenn sie gebraucht wird.

Trend zu immer höheren Spannungen

Insbesondere die Höhe der DC-Spannung entwickelt sich dynamisch. Die Gründe dafür sind unter anderem der technische Fortschritt der Branchen, in denen die Speicher zum Einsatz kommen. Auch hier sind Erneuerbare Energien und die E-Mobilität die herausragenden Beispiele.
So lassen sich Batterie-Speichersysteme erst seit kurzem effektiv auf die hohen Ausgangsspannungen von Photovoltaik-Anlagen anpassen. Werden zahlreiche PV-Strings verschaltet, sind Spannungen von 1500 V DC durchaus üblich. Bevor Batteriespeicher mit der gleichen hohen Spannung arbeiten konnten, mussten zusätzliche Einrichtungen für das Zusammenwirken der Komponenten installiert werden, was die Systeme komplexer machte. In der Folge blieben die Resultate aufgrund der erhöhten Kosten und Anforderungen an die Wartung oft hinter den Erwartungen zurück. Erst mit aufeinander abgestimmten Systemen lässt sich dieser Effekt minimieren.

Auch auf der Seite des E-Antriebs lässt sich der Trend zu höheren Spannungen in der Ladeinfrastruktur beobachten. Das liegt vor allem am Wunsch nach höheren Ladegeschwindigkeiten. Die theoretische Alternative für eine schnellere Energieübertragung, höhere Stromstärken, würde die Leitungsquerschnitte vergrößern und damit zu schwereren und teureren Ladeeinrichtungen führen. Daher wird stattdessen die Systemspannung der Fahrzeuge gesteigert, die, abhängig von der E-Fahrzeugklasse, bereits jetzt bei über 1000 V DC liegen kann. Aktuell werden bereits Tests mit E-Fahrzeugen mit noch höheren Spannungen durchgeführt, genauso wie für Ladeeinrichtungen, die mit erhöhten Spannungen von 1500 V DC und mehr arbeiten.
Um die Leistung bei solch hohen Systemspannungen zu gewährleisten, sind die Überwachung der elektrischen Parameter sowie effiziente Testverfahren erforderlich. Für die Energiespeicherung geschieht dies häufig sowohl auf Zellen- als auch auf Stapelebene.

Auf Zellenebene werden vergleichsweise kleine Spannungen gemessen – im Vergleich zu der Spannung, die an den zusammengeschalteten Stapeln anliegt. Die Messung an den Stacks erfordert Geräte zur Spannungsüberwachung, die die hohen Gleichspannungen sowohl messen als auch isolieren. Hier ist zu beachten, dass die Messung auf Zellenebene auch eine hohe elektrische Isolierung erfordert, da sich die Zellen an einem Ende des Stapels auf dem hohen Potential des Stapels befinden. Bei der Messung am Stapel gilt es schließlich, die hohe DC-Spannung am Eingang in ein standardisiertes Spannungs- oder Stromsignal umzuwandeln, das von Steuerungen und Datenerfassungsgeräten verarbeitet werden kann.

Gut für Energiespeicher: Hochspannungs-Trennverstärker P42000D2

Ein Beispiel für ein Spannungsmessgerät, das sich bei der Überwachung und Überprüfung von Energiespeichern bewährt hat, ist der Hochspannungs-Trennverstärker P42000D2 von Knick. Das Gerät misst Gleichspannungen bis 2000 V DC und wandelt sie in Standardausgangssignale ( 0 …10 V DC oder 4 … 20 mA) um. Alle drei Kanäle (Eingang, Ausgang und Stromversorgung) sind auf Transformatorbasis vollständig galvanisch getrennt bei einer Arbeitsspannung von bis zu 2200 V DC.
Weitere Spezifikationen, wie die Grenzfrequenz zwischen 10 Hz und 5 kHz und die Reaktionszeit (T90) von 110 Mikrosekunden, erlauben die zuverlässige Überwachung der Leistung von Energiespeichersystemen. Mit dem Weitbereichsnetzteil (20 … 253 V AC/DC) und der Möglichkeit zur Hutschienenmontage des nur 45 mm breiten Gehäuses bietet der P42000D2 flexible Anwendungsmöglichkeiten.