Erkenntnisse aus der Installation von Batterieenergiespeichern in einem vorhandenen PV-Array

Warum die Nachrüstung bestehender PV-Anlagen mit Batterieenergie sinnvoll ist und welche Herausforderungen dabei zu bewältigen sind, erklärt ein großer Energieversorger, der das wirklich getan hat.

Artikel von | Alencon Systems

Solar plus Speicher. Wenn Sie in der Energiebranche und nicht nur in der Branche der alternativen Energien tätig sind, ist es ein Begriff, den Sie wahrscheinlich jeden Tag hören. Vielleicht sogar mehrmals am Tag. Ein logisches Ziel für die Kopplung von Batterien mit Solarenergie liegt im Verborgenen: Unsere Gigawatt bereits installierter PV-Ressourcen. Duke Energy, einer der größten Energieversorger der USA mit Sitz in North Carolina, möchte diese Chance nutzen. Duke hat in einigen seiner bestehenden PV-Anlagen Energiespeicher installiert, um in Zukunft noch mehr zu leisten.

In diesem Artikel stellen wir die Erkenntnisse aus diesen Bemühungen zusammen mit Tom Fenimore, Business Development bei Duke Energy in Charlotte, North Carolina, vor. Fenimore hat eine Reihe dieser Projekte für Duke geleitet und hat beschlossen, seine Erfahrungen bei der Durchführung solcher Projekte zum Nutzen der Branche weiterzugeben. Dieses Wissen umfasst die Anreize für den Einbau von Speichern in bestehende PV-Anlagen und die praktischen, technischen Herausforderungen, die man dabei beachten muss (sowie einige Lösungen für diese Herausforderungen!).

Laut seiner Website wird Duke Energy bis Ende 2020 über 15 GW erneuerbare Energien in seinem Stromerzeugungsportfolio haben, ein großer Teil davon umfasst natürlich auch Solarenergie.

„Je mehr erneuerbare Energien in einen Stromkreis einfließen, desto größer wird die Notwendigkeit, diesen Stromkreis zu optimieren, angefangen bei der Notwendigkeit, Spannungs- und Frequenzstabilisierung bereitzustellen. Eine der einfachsten Möglichkeiten, dies zu erreichen, besteht darin, Energiespeicher zu nutzen und diese Speicher interagieren zu lassen.“ mit Solarenergie, erklärt Fenimore. „Die Bereitstellung von Netzstabilität ist ein ausdrücklicher Teil unserer Charta als regulierter Energieversorger.“

Der größte Teil des regulierten Versorgungsgebiets von Duke Energy liegt im Bundesstaat North Carolina. North Carolina ist landesweit nach Kalifornien der zweitgrößte Standort in Bezug auf installierte Solar-PV. Einer der Hauptunterschiede zwischen North Carolina und Kalifornien besteht darin, dass Solaranlagen auf Dächern nur einen sehr kleinen Teil der Solaranlagen in North Carolina ausmachen, was bedeutet, dass es sich bei PV-Anlagen typischerweise um größere, bodenmontierte Systeme handelt. Diese Tatsache bedeutet, dass jede PV-Anlage einen größeren individuellen Beitrag zur Leistung eines bestimmten Verteilungs- oder Übertragungskreises leistet.

Wenn Anlagenbesitzer wie Duke Energy Speicher zu bestehenden PV-Anlagen hinzufügen möchten, haben sie zwei Möglichkeiten – AC- oder DC-Kopplung. Die AC-Kopplung von Solarenergie und Energiespeicher wird erreicht, wenn die Solarmodule und die Batterien auf der AC-Seite des Wechselrichters, also „hinter dem Wechselrichter“, verbunden werden. Im Gegensatz dazu werden in einer DC-gekoppelten Topologie Solar und Speicher auf der DC-Seite des Wechselrichters angeschlossen, also „vor dem Wechselrichter“.

Während es durchaus gute Gründe für die Verwendung des AC- oder DC-gekoppelten Ansatzes für verschiedene Solar- und Speicheranwendungen geben kann, ist Herr Fenimore davon überzeugt, dass die DC-Kopplung einige sehr überzeugende Vorteile gegenüber der AC-Kopplung bietet, wenn es um die Installation von Speichern in bestehende PV-Systeme geht.

Einer der großen Vorteile der DC-Kopplung als Technik zur Speicherintegration in bestehende PV-Anlagen ist die Möglichkeit, den Trend immer größerer DC:AC-Verhältnisse zu nutzen. Das DC:AC-Verhältnis bezieht sich auf die Anzahl der installierten PV-Module im Verhältnis zum AC-Typenschild des Wechselrichters, die durch die Größe der AC-Verbindung zum Stromverteilungsnetz bestimmt wird.

In den letzten Jahren gab es aufgrund der sinkenden Preise für PV-Module und der verbesserten Wechselrichtertechnologie einen Trend zur Erhöhung des DC/AC-Verhältnisses. Vor Jahren wurden PV-Anlagen mit bescheidenen DC:AC-Verhältnissen konzipiert, typischerweise zwischen 1,05 und 1,1. Basierend auf den gerade erläuterten Faktoren sind die DC/AC-Verhältnisse für größere Solaranlagen in den letzten Jahren von irgendwo zwischen 1,5 und 1,8 DC/AC gestiegen. Es gibt einige PV-Wechselrichter, die sogar in der Lage sind, DC-Überspannungen in Höhe des Zweifachen der PV-Leistung gegenüber der AC-Nennkapazität der Anlage zu bewältigen. In diesem aktuellen Artikel erfahren Sie mehr über Überlegungen zum Gleichstrom-Wechselstrom-Verhältnis.

Diese Überlastung der PV-Anlage führt möglicherweise zu großen Mengen potenziell begrenzter Energie, d. h. die PV-Produktion wird durch den Wechselrichter gedrosselt, wenn die PV-Erzeugung die Nennleistung des Wechselrichters überschreitet. Durch die DC-Kopplungstechnik zur Kombination von Solar- und Speicherenergie kann die überschüssige Erzeugung in Zeiten der Überproduktion in eine Batterie umgeleitet werden. Diese erfasste Erzeugung kann dann später am Tag oder am Abend entladen werden, um die Produktion einer PV-Anlage zu glätten und so eine intermittierende Energieressource wie Solarenergie in eine tatsächlich verfügbare Energiequelle umzuwandeln. Wenn Sie ein regulierter Energieversorger sind, der Verträge mit Millionen von Endverbrauchern abschließt, um sicherzustellen, dass das Licht immer dann angeht, wenn sie in ihrem Haus oder Unternehmen einen Schalter betätigen, ist die genaue Steuerung der Zuteilung Ihrer Erzeugungskapazität von entscheidender Bedeutung. Die Gleichstromkopplung von Solarenergie und Speicher trägt dazu bei, Duke Energy diesen Vorteil zu bieten.

Neben der Möglichkeit, Energie einzufangen, die andernfalls weggeworfen würde, bietet die DC-Kopplung dem Systembesitzer auch einige einzigartige finanzielle Vorteile. Gemäß den aktuellen staatlichen Vorschriften können Energiespeicher nur dann im Rahmen der Investitionssteuergutschrift (ITC) in Anspruch genommen werden, wenn sie direkt aus der PV geladen werden.

„Der Schlüssel zur erfolgreichen Installation von Energiespeichern liegt darin, dies mit günstigen Steuer- oder anderen finanziellen Vorteilen zu tun. Sobald wir herausgefunden haben, wie wir das als Branche regelmäßig umsetzen können, werden wir wirklich sehen, wie sich die Nadel bewegt“, erklärt Fenimore. „Eine der Herausforderungen, die wir bei der Speicherung hatten, besteht darin, Steuergutschriften für Investitionen zu nutzen. Mit der DC-Kopplung ist dies einfacher möglich als mit der AC-Kopplung, da wir die Batterie nur über die Solarenergie aufladen können. Dies macht es klar.“ Finanziell gesehen ist das der Fall, woher die Kilowattstunden kommen, die die Batterie laden.“

Wie bei so vielen neuen Unternehmungen macht der Einbau von Batterien in eine bestehende PV-Anlage mittels Gleichstromkopplung durchaus Sinn, „auf dem Papier sieht es aber immer einfacher aus“, bemerkt Fenimore.

„Eine der Herausforderungen bei der Durchführung einer gleichstromgekoppelten Nachrüstung eines Speichers in einer bestehenden PV-Anlage besteht darin, die Verkabelungspraktiken des bestehenden Standorts und der gesamten physischen Infrastruktur zu verstehen und damit umzugehen. Mit einem Blockdiagramm ist es immer einfacher. Sobald Sie damit vertraut sind.“ In diesem Bereich kann es schwieriger sein, alles zum Laufen zu bringen“, erklärt Fenimore.

Eine dieser unvorhergesehenen Herausforderungen, die Frage der Integration von Floating-Batterien in eine geerdete PV-Anlage, trat bei einer Speichernachrüstung auf, die Duke Energy 2019 in seinem Solarkraftwerk McAlpine durchführte.

„Wir stießen auf das Problem der DC-Kopplung der Speicherung mit positiv geerdeten Solarmodulen. Um diese Herausforderung zu meistern, mussten die galvanisch isolierten DC-Optimierer von Alencon Systems installiert werden, um eine schwebende Erdung zwischen den PV-Systemen und den Batterien zu schaffen. Das war völlig unerwartet, als wir anfingen.“ „, erklärt Fenimore.

„Dieser unerwartete Bedarf wurde von den Modulen gefordert. Anfangs dachten wir, wir könnten dieses Problem lösen, indem wir einfach Änderungen auf der Wechselrichterebene vornehmen. Es stellte sich heraus, dass die einzige Lösung darin bestand, eine Isolierung zwischen dem PV-Array und den Batterien zu schaffen. Die Ära der Solarenergie.“ Die Herstellung von Modulen kann den Einbau von Speicher in eine bestehende PV-Anlage erschweren.“

Abbildung 1 Im Jahr 2019 setzte Duke Energy einen DC-gekoppelten Solar-Plus-Speicher ein, bei dem ein Batterie-Energiespeichersystem in eine bestehende PV-Anlage eingebaut wurde. Ein technischer Schlüssel dazu war die Installation der galvanisch getrennten DC-DC-Optimierer von Alencon, um das positiv geerdete PV-System von den schwimmenden Batterien auf einem gemeinsamen DC-Bus zu isolieren.

Wie oben erwähnt, ist eine der technischen Lehren, die Duke Energy bei seiner letzten gleichstromgekoppelten Speichernachrüstung in eine bestehende PV-Anlage gezogen hat, die Notwendigkeit, die Erdung des PV-Systems von der neu installierten Batterie zu isolieren. Bei AC-gekoppelten Solar- und Speichersystemen stellt dies im Allgemeinen kein Problem dar, da die einzelnen Wechselrichter hinter der PV und den Batterien diese Erdungsisolierung automatisch herstellen.

Um diese Herausforderung genauer zu beschreiben: Installierte PV-Systeme, insbesondere solche, die an Zentralwechselrichter angeschlossen sind, sind in der Regel geerdet. In vielen Fällen sind installierte PV-Anlagen negativ geerdet. Im Fall des jüngsten McAlpine-Projekts von Duke Energy verfügte die bestehende PV-Anlage über SunPower-Module eines älteren Jahrgangs, für die eine positive Erdung erforderlich war. PV-Module müssen möglicherweise aus einer Reihe von Gründen geerdet werden, unter anderem um ihre Leistung über zwanzig bis fünfundzwanzig Jahre aufrechtzuerhalten und sich vor Bedingungen wie potenziell induzierter Degradation (PID) zu schützen.

Abbildung 2 Ein typischer Hinweis auf Bestandszeichnungen älterer, installierter PV-Systeme mit SunPower-Modulen. Solche Hinweise weisen darauf hin, wie wichtig es ist, das Array in einer positiv geerdeten Konfiguration zu halten. Im Gegenteil, Batterien müssen aus Sicherheitsgründen im Allgemeinen schwimmfähig sein.

Auf der anderen Seite müssen Batteriespeichersysteme über eine schwimmende Erdung verfügen. Die Notwendigkeit einer schwimmenden Erdung ist eine wichtige Sicherheitsanforderung für Batterien. Diese Anforderung ist insbesondere bei großen Batteriesystemen erforderlich, da eine schwebende Erdung dazu führen kann, dass zwei Fehler auftreten und eine ernsthafte Sicherheitssituation entsteht. Durch die Berücksichtigung von zwei Fehlern kann der erste Fehler von den integrierten Fehlererkennungssystemen erkannt werden und die Batterie sicher abklemmen, bevor ein Problem auftritt. Angesichts der großen Aufmerksamkeit, die den ESS-Bränden nach den jüngsten Vorfällen in Südkorea, Arizona und anderswo gewidmet wird, ist es natürlich von entscheidender Bedeutung, die Sicherheitsrichtlinien der Batteriehersteller zu beachten.

Abbildung 3 Galvanische Trennung wird verwendet, wenn zwei oder mehr Stromkreise kommunizieren müssen, ihre Erdungen jedoch möglicherweise auf unterschiedlichen Potenzialen liegen. Die DC/DC-Wandler von Alencon Systems bestehen aus einem Wechselrichter und einem Gleichrichterabschnitt mit einem Trenntransformator dazwischen, um eine vollständige galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang zu erreichen. Durch den Einsatz von Siliziumkarbid-Leistungselektronik sind die Geräte von Alencon sehr effizient und klein.

Galvanische Trennung wird verwendet, wenn zwei oder mehr Stromkreise kommunizieren müssen, ihre Erdungen jedoch möglicherweise auf unterschiedlichen Potenzialen liegen. Die galvanische Trennung ist eine wirksame Methode zum Unterbrechen von Erdschleifen, indem verhindert wird, dass unerwünschter Strom zwischen zwei Geräten fließt, die sich einen Erdleiter teilen. Bei der DC-Kopplung von Solar und Speicher ist ein DC-DC-Wandler erforderlich, um die Spannungsunterschiede zwischen PV-Anlage und Batterie abzubilden. Ein galvanisch isolierter DC-DC-Wandler, wie er beispielsweise von Alencon Systems hergestellt wird, dient dem doppelten Zweck, die PV-Spannung auf die Batteriespannung abzubilden und gleichzeitig die möglicherweise vorhandenen Differentialerdungssysteme zu isolieren. Bei den Produkten von Alencon gelingt es ihnen, diesen Vorteil durch den Einsatz modernster Siliziumkarbid-Leistungselektronik in einem äußerst kompakten und effizienten Paket zu erreichen.

Abbildung 4 Die DC-DC-Wandler von Alencon dienen zur Abbildung der Differenzspannungen zwischen PV-Systemen und Batterien, die auf demselben DC-Bus platziert sind. Diese Zuordnung wird oben demonstriert.

Je mehr Photovoltaik in das Stromnetz eingespeist wird, desto größer wird der Bedarf und der Anreiz, Batterien mit unseren bereits installierten PV-Ressourcen zu koppeln, um den zuverlässigen Betrieb des Versorgungsnetzes zu gewährleisten und die Lebensfähigkeit sauberer Erzeugungsquellen aufrechtzuerhalten, die uns helfen, unseren Kampf dagegen zu gewinnen Klimawandel. Die Art und Weise, wie wir diese Vorteile erreichen, ist jedoch nicht ohne technische Herausforderungen. Glücklicherweise gibt es kommerzialisierte, skalierbare technologische Lösungen zur Lösung dieser Probleme. Eine dieser Herausforderungen ist die Notwendigkeit, geerdete PV-Systeme mit schwimmenden Batterien zu kombinieren, was durch den Einsatz galvanisch getrennter DC-DC-Wandler von Alencon Systems überwunden werden kann. Glücklicherweise sind Innovatoren wie Duke Energy offen dafür, ihre Erfahrungen bei der Bewältigung dieser Herausforderungen zu teilen.

Alencon Systems ist der führende Hersteller von leistungsstarken Hochspannungs-DC/DC-Optimierern für alternative Energieanwendungen, einschließlich Solarenergie, Batterieenergiespeicherung, Mikronetze, Brennstoffzellen und das Laden von Elektrofahrzeugen. Zu den DC:DC-Wandlerangeboten von Alencon gehören die DC:DC-Wandler der SPOT-, BOSS- und CUBE-Serie.

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