Effizienz und Hilfsenergieverbrauch von Container-Energiespeichersystemen

Analysebericht zur Energiekette und Hilfsenergieverbrauch eines Container-Energiespeichersystems bei einem einzelnen Lade-/Entladezyklus

Dieser Bericht analysiert die Energiekette eines vollständigen Zyklus SOC 0 % → 95 % → 0 % für das D-Ocean-5016D Container-Energiespeichersystem (12 Cluster × 418 kWh, HiTio 314 Ah Zellen 1P416S). Das System verwendet die Invetech EMW600HCNC3E luftgekühlte Kaltwassereinheit (CE-Zertifizierung / C5-M Korrosionsschutz). Die Hilfsaggregate werden direkt aus dem Hauptstromkreis + USV + Verteilertafel (DC 24 V / 48 V) versorgt.

• Kern-RTE (25 °C Ideale Bedingungen) = 88,48 % (inkl. Aufwärtstransformator 0,99² × PCS 0,98² × Batterie-DC-RTE 0,94)
• Elektrisches Hilfssystem (projektspezifische Elektroplanung mit 14 Punkten, Details siehe Abschnitt 1.1): 7,25 kW kontinuierliche Dauerleistung, Energieverbrauch pro Zyklus 13,0 – 14,7 kWh
• System-Netto-RTE-Bereich bei 0,5P Volllastbetrieb: 85,88 % – 87,97 % (maximale Leistung bis Flüssigkeitskühlung abgeschaltet)
• Flüssigkeitskühlungs-Eigenzirkulation 0,74 kW, Energieverbrauch pro Zyklus ca. 1,5 kWh; Nennkühlleistung 27,8 kW, Energieverbrauch pro Zyklus ca. 57,5 kWh
• 88,5 % Netto-RTE ist in diesem Modell nicht erreichbar (Maximum 87,97 %); 87 % Netto-RTE-Regelziel: Kühlungs-Tastverhältnis ≤ 48,3 %
• Container-Dauerhilfsleistung gesamt 7,25 kW, Spitzenleistung (inkl. maximaler Flüssigkeitskühlleistung) 37,25 kWh

1. Systemparameter

1.1 Architektur des elektrischen Hilfssystems

Tatsächliche elektrische Auslegungs-Lastenliste des Projekts D-Ocean-5016D (aus dem Stromverteilungsplan):

Architekturhinweis:

• Die SMPS der Hochvolt-Box liefert 24 V DC zur Versorgung der Schütze, Steuerung und Heizung des gesamten Clusters; das AC-DC-Netzteil mit 350 W ist die Hauptstromversorgung, das DC-DC-Netzteil mit 200 W schaltet nur bei AC-Ausfall ein.
• Das SMPS im Verteilerkasten versorgt den Container-Bus 24 V/48 V (nicht USV-gestützt) und speist die Hauptkreis-Lasten.
• Die 6 AC-Entfeuchter GCH-8120S (tatsächliche Leistung 130 W) werden über den Hauptkreis versorgt und sind im Dauerbetrieb.
• Die BMS-Stromversorgungen der 12 Cluster (60 W/Cluster) sind USV-gestützt, um sicherzustellen, dass das BMS bei Stromausfall weiter arbeitet und Alarme melden kann.
• Die Brandmeldezentrale mit 200 W ist USV-gestützt (Dauerüberwachung); der explosionsgeschützte Abluftventilator mit 240 W wird nur bei Alarm USV-gestützt gestartet (Transient ca. 3 Sekunden).
• Für Wartungs- und Reservesteckdosen werden Spitzenlast-Reserven von 1 kW angesetzt; diese werden nicht in die kontinuierlichen Hilfslasten des RTE eingerechnet.
• Das oben genannte elektrische Hilfssystem umfasst nicht den Hauptkreis der Notfall-Wasserbrandbekämpfung (Feuerlöschpumpen, Sprinkler usw.). Falls ein Notfall-Wassersystem projektspezifisch konfiguriert wird, ist eine Ergänzung gemäß EN 12845 erforderlich (typisch 5–10 kW einschließlich Feuerlöschpumpe), und die Reservekapazität des Container-Hauptschalters ist zu prüfen.

2. Verkabelung und Klemmen

Dieser Abschnitt behandelt keine externe Verkabelung, sondern konzentriert sich auf die Energie-Messpunkte. Empfehlungen:

• Netzseitige Messung: Ein bidirektionaler Zähler am Ausgang des Netzanschlussschalters dient als Datenquelle für $E_{\text{grid\_in}}$ / $E_{\text{grid\_out}}$.
• PCS-Wechselstromseite: Bidirektionaler Zähler zur Überprüfung des Eigenwirkungsgrads des PCS.
• Batterie-DC-Seite: DC-Sammelschienen-Abtastung des BMS zur Berechnung des DC-Round-Trip-Wirkungsgrads der Batterie.
• Hilfszweige: Flüssigkeitskühleinheit, BMS/EMS und Entfeuchtungsgerät-Stromversorgungskreise sollten separat gemessen werden, um die Rückverfolgbarkeit der Hilfsenergie zu erleichtern.

3. Spezifikation der Flüssigkeitskühl-Einheit (EMW600HCNC3E)

3.1 Arbeitsmodus-Steuerlogik (BMS active, Referenz Envicool-Plattform allgemeine Steuerung)

Hinweis: Das Datenblatt der EMW600HCNC3E veröffentlicht keine detaillierte Steuerlogiktabelle; die oben genannten Temperaturschwellenwerte sind allgemeine Referenzwerte der Envicool-Plattform. Bei tatsächlichen Projekten sind die Spezifikationen der D-Ocean-5016D BMS-Integration maßgeblich.

3.2 BMS-Spannungsausfall-Schutzlogik (BMS inactive)

3.3 Moduspriorität

Kühlung > Heizung > Selbstzirkulation; die Bedingungen für erzwungenen Schutz (3.2) können die oben genannte Priorität übergehen und direkt in die Selbstzirkulation wechseln.

4. Kommunikation

Dieser Bericht behandelt keine externen Kommunikationsprotokolle, es wird jedoch empfohlen, bei der Datenerfassung vor Ort die folgenden Schnittstellen und Datenpunkte zu vereinheitlichen, um die RTE-Berechnung (Round-Trip Efficiency) auf der EMS-Ebene zu erleichtern:

• BMS → EMS: DC-Spannung/Strom von 12 Clustern, SOC, SOH, höchste/niedrigste Temperatur der Einzelzellen.
• PCS → EMS: AC-seitige Spannung/Strom/Leistung, Lade-/Entladezustand, Fehlerwort, Wirkungsgradkurve.
• Flüssigkeitskühleinheit → EMS: Austrittstemperatur der Flüssigkeit, Start/Stopp von Verdichter/Pumpe/Ventilator, aktueller Modus (Kühlen/Heizen/Eigenumwälzung), Fehlerwort.
• Hilfszweig-Stromzähler → EMS: Hauptstromzähler des Hilfszweigs der Hauptschleife (zur Berechnung des gesamten Hilfsstromverbrauchs), Ausgangs-Stromzähler der USV, DC-Seite von BMS/EMS, Entfeuchterzweig.

5. Bedienschritte und Berechnungsgrundlagen

5.1 Bezugskettenenergie

• DC-Hin- und Rücklaufeffizienz der Batterie 94 %, symmetrisch aufgeteilt in 96,96 % × 96,96 %
• Wirkungsgrad der PCS beim Laden/Entladen jeweils 98,0 %
• Wirkungsgrad des Aufwärtstransformators (Hoch- und Heruntertransformieren) 0,99 × 0,99 = 0,9801 (bidirektional)
• DoD = 95 %

$$E_{ ext{usable}} = 5016 \times 95\% = 4765.2 \text{ kWh}$$

$$E_{ ext{grid\_in\_basic}} = \frac{E_{ ext{usable}}}{\eta_{ ext{TR}} \times \eta_{ ext{PCS}} \times \eta_{ ext{DC\_ch}}} = \frac{4765.2}{0.99 \times 0.98 \times 0.9696} = 5065.7 \text{ kWh}$$

$$E_{ ext{AC\_gross}} = E_{ ext{usable}} \times \eta_{ ext{DC\_dis}} \times \eta_{ ext{PCS}} \times \eta_{ ext{TR}} = 4765.2 \times 0.9696 \times 0.98 \times 0.99 = 4482.0 \text{ kWh}$$

Theoretischer Systemwirkungsgrad ohne Flüssigkeitskühlung und feste Hilfsleistungsaufnahme (PCS + Batterie + Aufwärtstransformator-Kern, 25 °C Ideale Bedingungen):

$$\eta_{ ext{core}} = \eta_{ ext{TR}} \times \eta_{ ext{PCS}} \times \eta_{ ext{DC\_RT}} \times \eta_{ ext{PCS}} \times \eta_{ ext{TR}} = 0.99 \times 0.98 \times 0.94 \times 0.98 \times 0.99 = 88.48\%$$

5.2 Energielaufkette eines einzelnen Zyklus

• Ladeweg: Stromnetz → Aufwärtstransformator (×99,0 %) → PCS (×98,0 %) → Batterie-DC (×96,96 %) → Speicherung 4765,2 kWh.
• Entladeweg: Batterie-DC (×96,96 %) → PCS (×98,0 %) → Aufwärtstransformator (×99,0 %) → AC-Bruttolieferung 4482,0 kWh.
• Flüssigkeitskühlung und Hilfsenergieverbrauch werden als variabler Zweig dargestellt: Auf der Ladeseite wird der Hilfsstromverbrauch addiert, auf der Entladeseite wird der Hilfsstromverbrauch von der PCS-Bruttolieferung abgezogen.

5.3 Allgemeine Formel

Sei das Kühl-Tastverhältnis $\delta$ (Eigenumlauf-Tastverhältnis $1-\delta$), berechnet mit der Dauerleistung bei 0,5P $P_{\text{rated}} = 2500 \text{ kW}$:

• Ladedauer $T_{\text{ch}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} / P_{\text{rated}} = 5065{,}7 / 2500 \approx 2{,}026 \text{ h}$
• Entladedauer $T_{\text{dis}} = E_{\text{AC\_gross}} / P_{\text{rated}} = 4482{,}0 / 2500 \approx 1{,}793 \text{ h}$

Feste Hilfsleistung $P_{\text{aux\_fixed}} = 7{,}25 \text{ kW}$ (tatsächliche elektrische Auslegungsliste des Projekts, siehe Abschnitt 1.1).

$$P_{\text{liq\_avg}} = P_{\text{liq,idle}} + (P_{\text{liq,cool}} - P_{\text{liq,idle}}) \cdot \delta = 0{,}74 + 27{,}06\,\delta \quad \text{(kW)}$$

$$E_{\text{grid\_in}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} + T_{\text{ch}} \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \right) = 5065{,}7 + 2{,}026 \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + 7{,}25 \right) \quad \text{(kWh)}$$

$$E_{\text{grid\_out}} = E_{\text{AC\_gross}} - T_{\text{dis}} \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \right) = 4482{,}0 - 1{,}793 \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + 7{,}25 \right) \quad \text{(kWh)}$$

$$\eta_{\text{RTE\_net}} = \frac{E_{\text{grid\_out}}}{E_{\text{grid\_in}}}$$

Geschlossene Form nach Einsetzen (die Zwischenvariable $P_{\text{liq\_avg}}$ wird eliminiert):

$$E_{\text{grid\_in}}(\delta) = 5065{,}7 + 2{,}026 \cdot (0{,}74 + 27{,}06\,\delta + 7{,}25) = 5081{,}89 + 54{,}82\,\delta \quad \text{(kWh)}$$

$$E_{\text{grid\_out}}(\delta) = 4482{,}0 - 1{,}793 \cdot (0{,}74 + 27{,}06\,\delta + 7{,}25) = 4467{,}67 - 48{,}51\,\delta \quad \text{(kWh)}$$

$$\eta_{\text{RTE\_net}}(\delta) = \frac{4467{,}67 - 48{,}51\,\delta}{5081{,}89 + 54{,}82\,\delta}$$

5.4 Szenario der Hilfsenergieaufnahme

Die feste Hilfsenergieaufnahme ergibt sich gemäß der tatsächlichen elektrischen Auslegung in Abschnitt 1.1: 12 Hochspannungsboxen mit 4,2 kW + Schaltschrank 0,6 kW + 6 Luftentfeuchter 0,78 kW + Industrieklimaanlage 0,24 kW + Notbeleuchtung/Wärmeableitung/Bildschirm 0,15 kW + 12 BMS-Stromversorgungen 0,72 kW + Brandmeldezentrale 0,20 kW + Videoüberwachung 0,24 kW + 24-V-Hilfsversorgung 0,12 kW, in Summe $P_{\text{aux\_fixed}} = 7{,}25 \text{ kW}$. Die Flüssigkeitskühleinheit wird anhand von 8 typischen Betriebszuständen modelliert:

Hinweis: In der Szenarientabelle sind die Werte für $P_{\text{liq}}$ bei 25 %/50 %/75 % Kühlleistung lineare Interpolationen der Nennkühlleistung von 27,8 kW (ohne die Grundlast des Eigenumlaufbetriebs von 0,74 kW) und weichen daher geringfügig von der Formel in Abschnitt 5.3 $P_{\text{liq\_avg}} = 0{,}74 + 27{,}06 \cdot \delta$ ab. Für eine strenge Vereinheitlichung wird empfohlen, die Formel aus Abschnitt 5.3 zusammen mit einem expliziten Tastverhältnis als Eingangsgröße zu verwenden.

Grenzfall AC-Ausfall: Wenn alle 12 Hochspannungsboxen auf die DC-DC-Reserve mit 200 W umgeschaltet werden, verringert sich die feste Hilfsenergieaufnahme auf $12 \times 200 + 0{,}6 + 0{,}78 + 0{,}24 + 0{,}15 + 0{,}72 + 0{,}20 + 0{,}24 + 0{,}12 = 5{,}25 \text{ kW}$, was einem etwas höheren RTE entspricht als in dieser Tabelle (bei ausgeschalteter Flüssigkeitskühlung etwa 88,7 %); dies ist jedoch ein Notfallbetrieb, und das normale RTE-Protokoll bezieht sich auf den AC-Modus.

Transient Brandalarm: Wenn ein H₂- bzw. Rauch- oder Temperaturmelder auslöst, geht die Brandmeldezentrale in den Alarmzustand über und der explosionsgeschützte Ablüfter (240 W) wird aktiviert. Die transiente Hilfsleistung steigt dabei um ca. 240 W an (etwa 3 Sekunden lang), was einen vernachlässigbaren Einfluss auf die RTE-Statistik hat.

5.5 Schlussfolgerungen und Empfehlungen

• Kern-RTE (25 °C, optimalste Bedingungen) = 88,48 % (Step-Up-Transformator 0,99² × PCS 0,98² × Batterie-DC-RTE 0,94). Dieser Wert stellt die theoretische Obergrenze dar und entspricht dem extrem idealisierten Betriebsfall mit einer Umgebungstemperatur von 25 °C, optimaler Batterie-Betriebstemperatur, ohne Hilfsenergieverbrauch, ohne Standby und mit SoH = 100 %.
• Unter Berücksichtigung der festen Hilfsenergie von 7,25 kW (tatsächliche elektrische Auslegungsliste des Projekts) ergibt sich bei ausgeschalteter Flüssigkeitskühlung ein Netto-RTE von 87,97 %; bei Flüssigkeitskühlung im Eigenumlauf 87,89 %; bei 50 % Kühl-Tastverhältnis 86,99 %; bei Nennkühlung 86,04 %.
• 88,5 % Netto-RTE sind im vorliegenden Modell nicht erreichbar: Selbst bei vollständig abgeschalteter Flüssigkeitskühlung + 25 °C Idealbedingungen + 7,25 kW fester Hilfsenergie lässt sich lediglich ein Netto-RTE von 87,97 % erzielen; die theoretische Kernobergrenze von 88,48 % erfordert die gleichzeitige Eliminierung der gesamten Hilfsenergie (nicht umsetzbar).
• Regelziel 87 % Netto-RTE: Rückwärtsrechnung aus $\eta_{\text{RTE\_net}} \geq 0{,}87$ ergibt:

  $$\frac{4467{,}67 - 48{,}51\,\delta}{5081{,}89 + 54{,}82\,\delta} \geq 0{,}87$$

  $$4467{,}67 - 48{,}51\,\delta \geq 4421{,}24 + 47{,}69\,\delta \;\Rightarrow\; 46{,}43 \geq 96{,}20\,\delta \;\Rightarrow\; \delta \leq 0{,}483$$

Das heißt, das Kühl-Tastverhältnis muss ≤ 48,3 % betragen (entspricht in etwa der Untergrenze des 50 %-Kühlszenarios), und die mittlere Leistungsaufnahme des Flüssigkeitskühl-Einzelkreislaufs muss ≤ 13,81 kW sein.

• Typischer Betriebsbereich (25 °C ideal): Netto-RTE 86,5 % – 88,0 % (abdeckend 25 % – 75 % Kühlung), AC-seitige Einzelkreislauf-Energieabgabe 4432 – 4457 kWh. In der Praxis liegt der RTE aufgrund von Umgebungstemperatur, Batterie-Erwärmung und Hilfsenergie-Schwankungen üblicherweise unterhalb dieses Bereichs.
• Die elektrische Hilfsenergieanlage mit einer Gesamtleistung von 7,25 kW stellt eine der Hauptbelastungen des RTE dar: Der feste Einzelkreislauf-Energieverbrauch liegt bei 13,0 – 14,7 kWh und übersteigt die Flüssigkeitskühlung im Eigenumlauf (1,5 kWh) um eine Größenordnung. Durch Optimierung der SMPS-Effizienz der 12 Hochvolt-Boxen (350 W → 280 W) lassen sich ca. 0,4 Prozentpunkte RTE zurückgewinnen.
• Die Flüssigkeitskühlung bleibt die dominierende Größe des RTE: Einzelkreislauf-Energieverbrauch der Flüssigkeitskühlung 1,5 kWh (Eigenumlauf) – 57,5 kWh (Nennkühlung); feste Hilfsenergie in der Größenordnung von 13 kWh, das Verhältnis der RTE-Verlustbeiträge von Flüssigkeitskühlung zu fester Hilfsenergie beträgt ca. 75 % / 25 %.
• Die 6 Entfeuchtungsgeräte verursachen einen signifikanten Verbrauch: 0,78 kW entsprechen 10,8 % der gesamten Hilfsenergie, Einzelkreislauf-Verbrauch 1,58 kWh. Es wird empfohlen, die Notwendigkeit der Entfeuchtung zu bewerten (An/Aus in Abhängigkeit von Umgebungsfeuchtigkeitssensoren); bedarfsgerechter Betrieb kann ca. 0,2 Prozentpunkte RTE zurückgewinnen.
• Empfehlungen für das technische Protokoll: RTE-Messpunkt (empfohlen: bidirektionaler Zähler auf der Netzseite), Angabe, ob Flüssigkeitskühlung/Brandschutz/Standby/Steckdosen enthalten sind, Prüftemperaturbereich (Referenz 25 °C), SOC-Fenster (0–95 %), Hilfsenergie-Messverfahren (empfohlen: separate Messung von SMPS-Zweigen + Brandmeldezentrale + 12 BMS-Strängen, um eine Rückverfolgbarkeit gemäß Architektur in Abschnitt 1.1 zu ermöglichen).

5.6 Lastprüfung des Container-Hauptschalters

Gemäß der Tabelle in Abschnitt 1.1 ergeben sich die folgenden Dauer-/Spitzen-Gesamtleistungen:

6. Hinweise

1. Die Energiekette in diesem Bericht basiert auf der Annahme einer symmetrischen Lade-/Entladeeffizienz bei 0,5 C. Weicht die tatsächliche Effizienz des PCS in unterschiedlichen SOC-/Leistungsbereichen deutlich ab, sollte eine abschnittsweise Neufit-Anpassung erfolgen.
2. Der Kern-RTE von 88,48 % stellt den theoretischen oberen Grenzwert unter optimalen Bedingungen bei 25 °C dar, entsprechend der Serieneffizienz aus Aufspanntransformator 0,99², Batterie-DC-RT 0,94 und PCS 0,98². In der Praxis nimmt der RTE aufgrund von Batterieerwärmung (> 25 °C), Leitungsverlusten, SoH-Degradation (< 100 %) und weiteren Faktoren schrittweise ab.
3. Die Kühleinheit weist bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen deutliche Unterschiede im Kühl-/Heiz-Tastverhältnis auf; der RTE ist innerhalb des vereinbarten Temperaturbereichs zu berechnen.
4. Mit zunehmender Batteriealterung sinkt die DC-Round-Trip-Effizienz; in die RTE-Berechnung ist daher同步 ein SOH-Korrekturfaktor einzubeziehen.
5. Wird der Entfeuchter bedarfsgerecht ein- und ausgeschaltet statt mit konstant 120 W betrieben, ist im entsprechenden Formelterm das tatsächliche Tastverhältnis anstelle des Festwerts einzusetzen.
6. Alle Leistungs- und Energiewerte sind statistische Einzelzykluswerte und dürfen nicht unmittelbar auf Tages- oder Monatsdaten hochgerechnet werden.
7. Der Container erreicht bei @25 °C und 0,5 P eine gemessene Flüssigkeitskühlleistung (ca. 23 kW) zuzüglich fixer 7,25 kW, also insgesamt ca. 30,5 kW.
8. Die Brandmeldeanlage ist mit der Dauerüberwachungsleistung der Brandmeldezentrale von 200 W berücksichtigt. Der explosionsgeschützte Abluftventilator (240 W) startet nur im Alarmfall und wurde nicht in die RTE-Statistik einbezogen. Der Hauptkreis der Wasserlöschanlage (Feuerlöschpumpe, Sprinkler usw.) wurde nicht berücksichtigt – ist er projektspezifisch vorgesehen, ist dies zu ergänzen (typisch 5 – 10 kW) und die Gesamtlastfähigkeit des Hauptschalters D100A zu prüfen oder ein separater Abgang vorzusehen.
9. 6 AC-Entfeuchter (780 W) laufen im Dauerbetrieb und machen ca. 10,8 % der gesamten Hilfsleistung aus. Es wird empfohlen, Zu- und Abschaltung anhand der Umgebungsfeuchtigkeitssensoren zu steuern; bedarfsgerechter Betrieb kann ca. 0,2 Prozentpunkte RTE zurückgewinnen.
10. Wartungs- und Reserve-Steckdosen (je 1 kW) sind als Spitzenwert reserviert und nicht in das RTE-Dauerhilfsmodell einbezogen, bei tatsächlicher Nutzung vor Ort jedoch separat zu messen, um Beeinträchtigungen der RTE-Vertragsabrechnung zu vermeiden.

Anhang A Symboldefinitionen

A.1 Systemparameter

A.2 Effizienz und Referenzenergie

A.3 Zeit und Hilfsleistung

A.4 Flüssigkeitskühlaggregat

A.5 Energie- und Systemebenen-RTE

A.6 Symbolnomenklatur

• Der Index in / out kennzeichnet den Energiefluss in/aus dem Netz.
• Der Index ch / dis kennzeichnet den Lade-/Entladevorgang.
• Der Index aux kennzeichnet das Hilfssystem, der Index liq kennzeichnet die Flüssigkeitskühlung.
• Die Indizes idle / cool / heat / max kennzeichnen die Betriebsstufen der Flüssigkeitskühlung.
• Der Index max / min (ohne weitere Spezifikation) kennzeichnet die höchste/niedrigste Temperatur der Einzelzelle (nicht eine Leistungsstufe).
• Der griechische Buchstabe $\eta$ bezeichnet den Wirkungsgrad, $\delta$ bezeichnet das Tastverhältnis (Achtung: nicht mit DoD verwechseln), $\Delta$ bezeichnet eine Differenz.