Wirkungsgrad und Eigenverbrauch von Gewerbe- und Industriespeichersystemen

Analysebericht zur Energiekette einer einzelnen Lade-/Entladezyklen sowie zur Hilfsenergieaufnahme eines gewerblichen Energiespeicherschranks

Dieser Bericht analysiert die Energiekette eines vollständigen DOD-Zyklus von 0 % → 95 % → 0 % für einen gewerblichen Energiespeicherschrank mit 125 kW / 261 kWh. Der nominelle AC-AC-Wirkungsgrad (RTE) des Systems beträgt 88,5 %. Neben den Wirkungsgraden des PCS und des DC-Round-Trip-Wirkungsgrads der Batterie müssen zusätzlich die Hilfsenergieaufnahmen der Flüssigkeitskühleinheit, des BMS/EMS sowie des Entfeuchtungsgeräts berücksichtigt werden.

• Kern-RTE (PCS + Batterie, ohne Hilfsaggregate): 88,95 %
• Stromverbrauch der Flüssigkeitskühlung pro Zyklus bei Nennkühl-Auslastung: ca. 5,8 – 8,1 kWh (Abdeckung des Bereichs oberhalb 50 % Auslastung bis zur maximalen Leistung)
• Entsprechender Nettowirkungsgradbereich des Systems: 85,15 % – 87,48 % (25 % Kühlleistung bis Nennkühlung, abdeckt typische Betriebszustände vor Ort)

1. Systemparameter

2. Verdrahtung und Anschlüsse

Dieser Abschnitt behandelt keine externe Verdrahtung, sondern konzentriert sich auf die Energiemesspunkte. Folgende Empfehlungen werden gegeben:

• Messung netzseitig: Der bidirektionale Zähler am Abgang des Netzanbindungsschranks dient als Erfassungsquelle für $E_{\text{grid\_in}}$ / $E_{\text{grid\_out}}$.
• Messung PCS AC-seitig: Ein bidirektionaler Zähler am AC-Ausgang des PCS, zur Überprüfung des Eigenwirkungsgrads des PCS.
• Batterie DC-seitig: Erfassung des DC-Zwischenkreises durch das BMS zur Berechnung des DC-Rundlaufwirkungsgrads der Batterie.

3. Spezifikation der Flüssigkeitskühleinheit

Die Einheit verwendet einen Frequenzumrichter-Verdichter sowie eine Frequenzumrichter-Umwälzwasserpumpe. Das Hauptsteuersignal ist die Einzelzellentemperatur ($T_{\max}$ / $T_{\min}$), das Sollwertsignal ist die Austrittstemperatur ($T_{\text{outlet}}$, konfigurierbar über das BMS).

3.1 Arbeitsmodus-Steuerlogik (BMS active)

Hinweis: $T_{\max}$ / $T_{\min}$ bezeichnen die höchste/niedrigste Temperatur der Einzelzellen im DC-Schrank; $\Delta T$ bezeichnet die Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Auslass.

3.2 BMS-Schutzlogik bei Stromausfall (BMS inactive)

Bei Stromausfall bleiben die oben beschriebenen Kühl-/Heizlogiken erhalten und werden um zwei zusätzliche Zwangs-Eigenumwälz-Schutzfunktionen ergänzt:

3.3 Moduspriorität

Kühlen > Heizen > Eigener Kreislauf; der Eigene Kreislauf kann durch eine Zwangsbedingung (3.2) direkt übersteuert werden.

4. Kommunikation

Der vorliegende Bericht behandelt keine externen Kommunikationsprotokolle, jedoch wird empfohlen, bei der Vor-Ort-Datenerfassung die folgenden Schnittstellen und Datenpunkte zu vereinheitlichen, um die RTE-Berechnung auf EMS-Ober Ebene zu erleichtern:

• BMS → EMS: DC-Spannung/-Strom der Batterie, SOC, SOH, Zelltemperatur.
• PCS → EMS: Spannung/Strom/Leistung auf der AC-Seite, Lade-/Entladestatus, Fehlerwort.
• Flüssigkeitskühlaggregat → EMS: Austrittstemperatur der Flüssigkeit, Start/Stopp von Verdichter und Wasserpumpe, aktueller Modus (Kühlen/Heizen/Eigenumwälzung).

5. Bedienschritte und Berechnungsgrundlagen

5.1 基准链路能量

• 电池 DC 往返效率 94%，按对称拆分为 96.95% × 96.95%
• PCS 充/放电效率均为 97.3%
• DoD = 95%

$$E_{\text{usable}} = 261 \times 95\% = 247.95 \text{ kWh}$$

$$E_{\text{grid\_in\_basic}} = \frac{E_{\text{usable}}}{\eta_{\text{DC-AC}} \times \eta_{\text{AC-AC}}} = \frac{247.95}{0.973 \times 0.9695} = 262.84 \text{ kWh}$$

$$E_{\text{AC\_gross}} = E_{\text{usable}} \times \eta_{\text{AC-AC}} \times \eta_{\text{DC-AC}} = 247.95 \times 0.9695 \times 0.973 = 233.91 \text{ kWh}$$

不含液冷和固定辅助功耗的系统理论效率（PCS + 电池核心）：

$$\eta_{\text{core}} = \eta_{\text{DC-AC}} \times \eta_{\text{bat\_RT}} \times \eta_{\text{AC-AC}} = 0.973 \times 0.94 \times 0.973 = 88.95\%$$

5.2 Energiekette eines einzelnen Zyklus

• Ladepfad: Netz → PCS (×97,3 %) → Batterie-DC (×96,95 %) → Speicherung 247,95 kWh.
• Entladepfad: Batterie-DC (×96,95 %) → PCS (×97,3 %) → AC-Bruttoausgabe 233,91 kWh.
• Flüssigkeitskühlung und Hilfsenergieverbrauch werden als variabler Nebenpfad dargestellt: auf der Ladeseite wird der Hilfsenergieverbrauch addiert, auf der Entladeseite wird er von der PCS-Bruttosleistung abgezogen.

5.3 Allgemeine Formeln

Es sei das Kühl-Tastverhältnis $\delta$ (Eigenumlauf-Tastverhältnis $1-\delta$), die Ladedauer bei einem einzelnen Vollleistungszyklus $T_{\text{ch}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} / P_{\text{rated}} = 2.103 \text{ h}$, die Entladedauer $T_{\text{dis}} = E_{\text{AC\_gross}} / P_{\text{rated}} = 1.871 \text{ h}$.

$$P_{\text{liq\_avg}} = P_{\text{liq,idle}} + k_{\text{cool}} \cdot \delta = 0.25 + 2.25\delta \quad \text{(kW)}$$

$$E_{\text{grid\_in}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} + T_{\text{ch}} \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \right) = 262.84 + 2.103 \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + 0.26 \right) \quad \text{(kWh)}$$

$$E_{\text{grid\_out}} = E_{\text{AC\_gross}} - T_{\text{dis}} \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \right) = 233.91 - 1.871 \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + 0.26 \right) \quad \text{(kWh)}$$

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

Geschlossene Form nach Einsetzen (unter Eliminierung der Zwischenvariablen $P_{\text{liq\_avg}}$):

$$E_{\text{grid\_in}}(\delta) = 262.84 + 2.103 \cdot (0.25 + 2.25\delta + 0.26) = 263.91 + 4.732\,\delta \quad \text{(kWh)}$$

$$E_{\text{grid\_out}}(\delta) = 233.91 - 1.871 \cdot (0.25 + 2.25\delta + 0.26) = 232.96 - 4.210\,\delta \quad \text{(kWh)}$$

$$\eta_{\text{RTE\_net}}(\delta) = \frac{232.96 - 4.210\,\delta}{263.91 + 4.732\,\delta}$$

5.4 Szenario Hilfsleistungsaufnahme

Feste Hilfsleistungsaufnahme: BMS + EMS = 200 W, Entfeuchtungsgerät = 60 W (Dauerbetrieb), insgesamt $P_{\text{aux\_fixed}} = 260 \text{ W}$. Die Flüssigkeitskühleinheit wird gemäß 8 typischen Zuständen modelliert:

[1] Auslösebedingungen für die Eigenumwälzung: Start bei Vorlauf-Rücklauf-Temperaturdifferenz $\Delta T \geq 4\,°C$, Stopp bei $\Delta T \leq 2\,°C$. Bei ungenutzter Batterie und geringer Temperaturdifferenz entspricht die Flüssigkeitskühlung tatsächlich der Zeile „aus" (0 kW); während Lade-/Entladevorgängen oder bei Temperaturanstieg wechselt sie in die Zeile „Eigenumwälzung" (0,25 kW). Bei Ausfall der BMS-Stromversorgung wird die Eigenumwälzung für 120 s erzwungen, sofern die Austrittstemperatur $T_{\text{outlet}} \geq 38\,°C$ oder $\leq 8\,°C$ beträgt.

5.5 Schlussfolgerungen und Empfehlungen

• Kern-RTE 88,95 %; inklusive 260 W fixer Hilfsleistung ergibt sich eine Netto-RTE von ca. 88,6 %; bei Flüssigkeitskühlung im Selbstumlauf sinkt sie auf 88,27 %; bei 50 % Kühl-Tastverhältnis beträgt sie 86,70 %.
• Um eine systemweite 88,5 % Nenn-RTE sicherzustellen, ergibt die Rückrechnung aus $\eta_{\text{RTE\_net}} \geq 0{,}885$:

  $$P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \leq 0{,}348 \text{ kW} \;\Rightarrow\; P_{\text{liq\_avg}} \leq 0{,}088 \text{ kW}$$

  Das bedeutet, dass die durchschnittliche Leistung von Flüssigkeitskühlung + fixer Hilfsleistung pro Zyklus insgesamt ≤ 0,35 kW betragen muss (wobei die Flüssigkeitskühlungseinheit selbst ≤ 0,09 kW, also praktisch ausgeschaltet oder nahe am Selbstumlauf-Bereich).
• Fußnote zum Selbstumlauf: Gemäß der Steuerungslogik in Abschnitt 3.1 startet der Selbstumlauf nur bei $\Delta T \geq 4\,°C$ und läuft nicht durchgehend. Bei Batterie im Ruhezustand mit geringer Temperaturdifferenz ist die Flüssigkeitskühlung tatsächlich „ausgeschaltet" (0 kW), die RTE kann 88,62 % erreichen; während Lade-/Entladevorgängen mit Temperaturanstieg geht das System in den Selbstumlauf (0,25 kW), die RTE liegt bei ca. 88,27 %. Die oben genannte Vorgabe von ≤ 0,09 kW gilt nicht während des erzwungenen Selbstumlaufs bei BMS-Stromausfall (120 s Grenzschutz).

6. Hinweise

1. Die Energiekette dieses Berichts basiert auf der Annahme einer symmetrischen Lade-/Entladeeffizienz. Weicht die Effizienz der PCS vor Ort in unterschiedlichen SOC-/Leistungsbereichen erheblich ab, ist eine erneute abschnittsweise Anpassung vorzunehmen.
2. Die Taktverhältnisse von Kühlung und Heizung der Flüssigkeitskühleinheit variieren bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen deutlich; der RTE ist innerhalb des im Protokoll festgelegten Temperaturbereichs zu berechnen.
3. Wird der Entfeuchter bedarfsgerecht ein- und ausgeschaltet anstatt mit einer konstanten Leistung von 60 W dauerhaft betrieben, ist der fixe Term in der Formel durch das tatsächliche Tastverhältnis zu ersetzen.
4. Mit zunehmender Batteriealterung sinkt der DC-Round-Trip-Wirkungsgrad; in die RTE-Berechnung ist daher同步 ein SOH-Korrekturfaktor einzubeziehen.
5. Alle Leistungs- und Energiewerte sind Statistikwerte eines einzelnen Zyklus und dürfen nicht direkt auf Tages- oder Monatsdaten hochgerechnet werden.

Anhang A Symboldefinitionen

A.1 Systemparameter

A.2 Wirkungsgrad und Referenzenergie

A.3 Zeit- und Hilfsleistung

A.4 Flüssigkeitskühleinheit

A.5 Energie- und Systemebenen-RTE

A.6 Symbol-Namenskonventionen

• Der Index in / out kennzeichnet Energie, die in das Netz ein- bzw. aus dem Netz ausgespeist wird.
• Der Index ch / dis kennzeichnet den Lade- bzw. 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 (als alleinstehender Index) kennzeichnet die höchste bzw. niedrigste Temperatur einer einzelnen Zelle (nicht eine Leistungsstufe).
• Der griechische Buchstabe $\eta$ kennzeichnet den Wirkungsgrad, $\delta$ kennzeichnet das Tastverhältnis (zu beachten: von DoD zu unterscheiden), und $\Delta$ kennzeichnet eine Differenz.