Ob auf der Nordseeinsel Pellworm, auf den Bergkuppen der Alpen oder im sonnenreichen Baden-Württemberg – deutschlandweit liefern etwa 1,5 Millionen Photovoltaik- und 25 000 Windenergie-Anlagen Strom aus erneuerbaren Energien. Die Gesamtleistung beider Systeme betrug 2015 in Deutschland mehr als 124,5 Milliarden kWh. In Spitzenzeiten liefern die Anlagen oft mehr Energie, als in den Gemeinden vor Ort benötigt wird. Bei energietechnisch ungünstiger Wetterlage hingegen müssen die Haushalte ihren Energiebedarf zusätzlich aus überregionalen Netzen decken.
Hohe Sicherheitsstandards für Batteriemodule
Vor diesem Hintergrund gewinnen Batteriespeicher zunehmend an Bedeutung. Im Praxisbetrieb sind die Systeme modular aufgebaut, die Batterieeinheiten werden erst an ihrem Bestimmungsort in die Speicher-Racks eingebaut. „Dadurch können die Batteriesysteme einfacher gehandhabt werden und wichtige Sicherheitsanforderungen erfüllen“, erläutert Konstrukteur Eugen Budjugin von Varta Storage. „Lithium-Ionen-Batterien unterliegen speziellen Vorschriften der Vereinten Nationen für den Gefahrgut-Transport.“ Erst in Reihe geschaltet erreichen sie dann die nötige Spannung, um große Energiemengen effizient zu speichern.
Varta Storage ist ein Hersteller für Energiezwischenspeicherung. Das Unternehmen hat sich auf Lithium-Ionen-Batteriespeicher spezialisiert und ist Teil der Varta Microbattery / Varta Storage Unternehmensgruppe. Durch Forschungs- und Entwicklungsprojekte leistet das Unternehmen einen Beitrag zur Energiewende. So hat das im bayrischen Nördlingen ansässige Unternehmen in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität München, der Kraftwerke Haag und dem Bayerischen Zentrum für angewandte Energieforschung (ZAE) den stationären Energiespeicher für regenerative Energien entwickelt, der als Energy Neighbor an den Start gegangen ist.
Bei handelsüblichen, bereits in Betrieb genommenen Batteriespeichersystemen wurden die einzelnen Batteriemodule – fast immer Lithium-Ionen-Akkus – aufwendig untereinander verkabelt. „Erfolgt die Reihenschaltung über Verbindungsleitungen, werden die Kabel mit den Plus- und Minuspolen der Batterieblöcke verschraubt“, erklärt Budjugin. „Bei der Inbetriebnahme von Großspeichern entsteht dabei allerdings ein hoher und zeitaufwendiger Verkabelungsaufwand.“ Außerdem steigt bei dieser Methode mit der Anzahl der Batteriemodule auch das Risiko von Installationsfehlern.
Daher macht es Sinn, die Speichermodule nicht zu verkabeln, sondern mittels Steckverbindern anzuschließen. Batteriespeichersysteme sind grundsätzlich so aufgebaut, dass sie aus einem oder mehreren Batteriemodulen bestehen. Jedes Batteriemodul enthält die Batteriezellen und ein Batteriemanagementsystem, das für die Überwachung der Zellparameter zuständig ist. Somit bildet ein Batteriemodul sowohl eine mechanische als auch elektrische Einheit. Budjugin: „Unsere Batteriemodule sind mit einem Stecksystem von Phoenix Contact ausgestattet, so dass beim Einführen der Module sowohl Kommunikations- als auch Leistungsanschlüsse automatisch kontaktiert werden.“ Über diese flexible Schnittstelle können bis zu 100 A bei mehreren 100 V fließen. Dadurch wird das Kontaktieren der Module nicht nur sicherer, sondern auch einfacher und schneller.
Den Hybrid-Steckverbinder, der diese speziellen Anforderungen erfüllt, hat Phoenix Contact in Kooperation mit Varta Storage entwickelt. Basis des Steckverbinders war die Produktfamilie Variocon – ein kompaktes Rechteck-Steckverbindersystem auf IP67-Basis, das sich für den Einsatz an Geräten, aber auch an Klemmenkästen und Schaltschränken im rauen Industrieumfeld eignet.
Fünf Leistungs- und acht Signalkontakte
Bereits in der Konzeptionsphase des Energy Neighbor entschied man sich für ein modular aufgebautes Speichersystem. Bei der Entwicklung des Steckverbindersystems konnte man auf andere bereits erprobte Steckverbinder aus anderen Batteriespeicher-Projekten aufsetzen. Denn elektrische Energiespeicher gewinnen nicht nur zur Stabilisierung des Stromnetzes, sondern auch bei mobilen Werkzeugen und Maschinen sowie in der Elektromobilität zunehmend an Bedeutung.
Die für den Energy Neighbor entwickelte Variante verfügt über insgesamt 13 Kontakte: fünf Leistungs- und acht Signalkontakte. Die hohe Kontaktdichte stellt während des Steckvorgangs besondere Anforderungen an den Toleranzausgleich. Hier kommt das spezielle Design des Batteriewechsel-Steckers zum Tragen: Die 13 Kontakte sind in einem schwimmend verbauten Kontakteinsatz mit zusätzlichen Führungszapfen angeordnet. Die Führungszapfen ragen über die Kontakte hinaus und sorgen dafür, dass das Steckerteil des Batteriemoduls während des Steckvorgangs korrekt ausgerichtet wird.
Hohe Anforderungen an die Steckverbinder
Mit 200 kWh Speicherkapazität und 250 kW Leistung kann der Speicher Leistungsspitzen von Solar- und Windkraftanlagen aufnehmen und Verbrauchsspitzen der vor Ort angeschlossenen Haushalte ausgleichen. Auch Regelleistung und andere Netzdienstleistungen stellt der Energy Neighbor bereit. Das in einem Container integrierte Batteriespeichersystem besteht aus acht Racks mit jeweils 13 Batteriemodulen. Hinzu kommen die Leistungselektronik, Energy- und Batterie-Managementsysteme. Die komplexe Anlage hat ein Gesamtgewicht von acht Tonnen. „Bei Bedarf können wir unser Speichersystem in 25kW-Schritten um weitere Racks aufstocken“, sagt Budjugin. „Mit einem zusätzlichen Trafo könnte es sogar netzunabhängig als Insellösung oder USV-System genutzt werden.“
Für eine einfache Installation und einen schnellen Austausch von Batteriespeichermodulen werden auch hohe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Verbindungssicherheit gestellt. Bei einer manuellen Verbindung von Buchsen- und Stiftteil eines Steckverbinders gleicht der Installateur den Versatz der beiden Komponenten intuitiv aus, zentriert diese zueinander und führt beide Teile manuell ineinander.
Der Anwender erhält eine direkte taktile Rückmeldung, ob Stift und Buchse korrekt und sicher miteinander verbunden sind. Diese Rückmeldung ist bei den Batteriewechselsystemen des Energy Neighbor nicht möglich. Der Installateur schiebt immer ein komplettes Batteriemodul in die Aufnahme und kann daher die korrekte Position der Stift- und Buchsenkontakte gar nicht taktil erfassen. Daher müssen alle beteiligten Komponenten mit hoher Präzision zusammenwirken.
Wichtiger Schritt hin zur Energiewende
Die modularen Rechtecksteckverbinder von Phoenix Contact bilden die Schnittstelle für Energie und Daten in den Batteriespeichersystemen von Varta Storage. Das Zusammenwirken von Anschlusstechnik und Batteriemodulen reduziert die Inbetriebnahme- und Austauschzeit des Großspeichers erheblich, da die einzelnen Module nicht manuell verdrahtet werden müssen. So lassen sich schlüsselfertige netzunabhängige Energiespeicherlösungen unterschiedlicher Kapazitäten konzipieren, die eine umweltfreundliche und zukunftsfähige Alternative zu bestehenden Dieselgeneratoren darstellen.
Der prototypische Batteriespeicher Energy Neighbor von Varta Storage stellt seit Ende 2015 im Praxiseinsatz seine Fähigkeiten unter Beweis. Die Einbindung der containergroßen Batterie in das Netz der Kraftwerke Haag am Ortsrand von Moosham bei München liefert wichtige Erkenntnisse für die Gestaltung der Energiewende. Im Mooshamer Feldtest wird Pionierarbeit geleistet für die Energieversorgung von morgen. „Hier gewinnen wir Erkenntnisse aus dem täglichen Einsatz, die wir für die Weiterentwicklung unserer Speichersysteme nutzen“, erläutert Budjugin abschließend. „Viele Ortstransformatoren kommen bereits mit den vorhandenen Solaranlagen an ihre Belastungsgrenzen. Wir erwarten wichtige Erkenntnisse darüber, wie sich ein solcher Speicher auf die Stabilisierung des Niederspannungsnetzes auswirkt.“ Mit dabei ist Anschlusstechnik von Phoenix Contact – mit dem Batterieanschlusssystem auf Basis der Produktfamilie Variocon.
