Der Batteriemarkt zählt mit einer Wachstumsrate von circa 25 Prozent pro Jahr zu einem der am stärksten expandierenden Märkte. Dabei nimmt die Batterietechnologie eine besondere Relevanz bezogen auf die Entwicklung einer nachhaltigen Zukunft ein und ist der Haupttreiber für die Integration von volatilen Energieträgern und sauberer Mobilität.
Dieser Zukunftsmarkt, der heute eine Kapazität von 282 GWh umfasst, soll laut aktuellen Prognosen bis 2030 auf ein Kapazitätsvolumen von 2.600 GWh anwachsen.
Im Bereich der Batteriebetriebenen PKWs und Nutzfahrzeuge, wie zum Beispiel E-Busse, werden mehrere Batteriezellen zu sogenannten Batterie-Packs zusammengefasst, von denen wiederum mehrere innerhalb eines Batterie-Moduls, zusammen mit einem Battery-Management-Systeme (BMS), verbaut werden. Das Batterie-Modul wird mittels BMS automobiltypisch über den seriellen CAN-Bus (Controller Area Network) an die Fahrzeug-Steuerungssysteme angebunden.
Solche Batterie-Module haben eine Lebenserwartung von circa zehn Jahren, nach der sie, aufgrund der nachlassenden Kapazität und der dadurch bedingten Reichweitenverringerung, nicht mehr sinnvoll im Bereich der Elektromobilität eingesetzt werden können. Würden die Module zu diesem Zeitpunkt recycelt werden, so ginge ein hoher Prozentsatz ihres Wertes, etwa 70 Prozent Restkapazität, verloren und es entstünden zusätzlich hohe finanzielle und ökologische Kosten bei der Entsorgung. Aus diesem Grund werden die Batterie-Module in anderen Bereichen, für die die Restkapazität noch mehr als ausreichend ist, eingesetzt.
Das „Second-Life“ der Batterie-Module
Einer dieser „Second-Life“-Bereiche ist der Einsatz in stationären Batterie-Speichersystemen. Bis 2030 werden circa eine Million Tonnen Elektrofahrzeug-Batterien für die Wiederverwendung in solchen Systemen zur Verfügung stehen und bis 2035 könnte der weltweite Bedarf an stationärer Energiespeicherung vollständig durch Second-Life-Batterien gedeckt werden.
Die Einsatzbereiche von Batterie-Speichersystemen sind vielfältig, von der Notstromversorgung über den Lastenausgleich in Industrieanlagen, die Kompensierung von Spitzenlasten bei KFZ-Ladestationen bis hin zu Mini-Grid-Anwendungen im Bereich der erneuerbaren Energien.
Trotz hoher Skalierbarkeit in puncto Größe und Kapazität, ist der grundsätzliche Aufbau der meist Container-basierten Systeme nahezu identisch. Kernelement sind Second-Life-Batterien aus Fahrzeugen sowie deren integrierte BMS-Einheiten. Die einzelnen Systemkomponenten werden über den CAN-Bus miteinander vernetzt und an ein darüber liegendes EMS (Energy-Management-System) angebunden.
Standardkomponenten für die Vernetzung
Hohe Ströme sowie die Wechselrichtung bei der Netzeinspeisung sind Dinge, die eine unter Umständen hohe elektromagnetische Beeinträchtigung der vernetzten Komponenten verursachen. Bei der Konzipierung der Systeme sind somit Schutzmaßnahmen vorzusehen, um eine Beschädigung von Komponenten zu vermeiden und die reibungslose Datenkommunikation sicherzustellen. Hier kommen CAN-Repeater zum Einsatz, mit denen einzelne Module mit einem galvanischen Schutz von bis zu 4 kV miteinander vernetzt werden können. Repeater erlauben darüber hinaus die Realisierung von Stern und Baumtopologien, was die Verdrahtung vereinfacht und Leitungsmaterial einspart.
Für die Vernetzung mehrerer gleicher BMS-Einheiten und deren Anbindung an das EMS ist darüber hinaus eine Modifikation der CAN-Nachrichten-Identifier erforderlich, was über CAN-Bridges oder -Gateways und deren einfach zu konfigurierenden Filter- und Datenmanipulations-Funktionen realisiert werden kann.
Die Verwendung der im Automobil etablierten und inzwischen auch im Industriebereich seit vielen Jahren allgegenwärtigen CAN-Technologie hat den Vorteil, dass auf eine breite Auswahl an preisgünstigen Standard-Komponenten für die Vernetzung zurückgegriffen werden kann. Seinem Ursprung geschuldet, ist CAN ein äußerst robustes und störungssicheres Feldbussystem, welches obendrein äußerst energiesparsam ist. All diese Vorteile kann CAN auch beim Einsatz in Batterie-Speichersystemen ausspielen.
Komponenten und Protokolle vernetzen
Die Container-Einheit umfasst neben den rein Energie-relevanten Komponenten auch Systeme für die Klimatisierung, die Brandmeldung sowie die Zugriffs- und Zutrittskontrolle. Auch hier wird oftmals auf Standard-Komponenten der Gebäudeklimatisierung und -automatisierung zurückgegriffen, die wiederum andere Netzwerkprotokolle, wie KNX oder Modbus verwenden.
Über Gateway-Lösungen für Feldbus- und Industrial-Ethernet können die verschiedenen Kommunikationsstandards einfach miteinander verbunden und zentral überwacht oder gesteuert werden. Dieser zentralisierte Ansatz, unter Einbindung aller Komponenten, ermöglicht einen einfachen Zugriff auf Daten aller Ebenen.
Einbindung in das Smart-Grid
Die Vernetzung der Komponenten innerhalb der Batterie-Speichersysteme unter Einbindung aller Systeme ist Voraussetzung für eine optimale Anbindung an Cloud-Netzwerke oder SCADA-Systeme. Im Smart-Grid-Verbund kann die Speicherung und Bereitstellung der Energie zentral gesteuert werden und es stehen Batterie- und Systemdaten zur Verfügung, die eine vorausschauende Wartung und somit den optimalen Betrieb der Batterie-Speichersysteme sicherstellen.
Für die Smart-Grid- und Cloud-Anbindung kommen spezielle Gateways zum Einsatz, die sowohl die in Energienetzwerken eingesetzten Energie-Protokolle unterstützen, wie IEC 61850, IEC 60870-5-104 oder DNP3, als auch die industriell eingesetzten Feldbus- und Industrial-Ethernet-Standards sowie Standards für die Anbindung an Cloud-Systeme (OPC UA, MQTT).
Ein besonderes Augenmerk gilt hierbei der Datensicherheit und des Zugriffsschutzes. So müssen diese speziellen Gateways über robuste Cyber-Sicherheitsfunktionen verfügen, wie Firewall, OpenVPN, TLS-Verschlüsselung und Benutzerverwaltung.
Mit seinen Netzwerkkomponenten deckt HMS alle Kommunikationsbereiche innerhalb der Batterie-Speichersysteme ab. Unter den Marken Anybus, Ixxat, Ewon und Intesis werden Produkte für die CAN-Vernetzung, die Kopplung verschiedenster Netzwerkstandards sowie die Vernetzung von Klimatisierungssystemen angeboten. Aufgrund der Expertise und des breit aufgestellten Produktspektrums unterstützt HMS hiermit den Weg in eine grüne Zukunft.
Zwei Use-Cases für intelligente Vernetzung
Preiswerte Lösung für Monitoring und Alarm-Meldungen
Für die Vernetzung von BMS-Systemen kommen häufig CAN-Bridges/Gateways zum Einsatz, die eine einfache und kostengünstige Kopplung mehrerer CAN-Teilnehmer unter Einsatz einfacher Filter- und Übersetzungsregeln ermöglichen. Ein Kunde, der das Ixxat CAN@net NT bereits erfolgreich im Einsatz hatte, musste einfache, auf dem CAN-Bus übertragene Signale zur Statusüberwachung in die Cloud und auf ein mobiles Endgerät senden.
Hierfür konnte der Kunde die bereits auf dem CAN@net NT vorhandene und einfach zu konfigurierende Action-Rules-Funktionalität und die LUA-Programmierfunktion nutzen, um die relevanten Informationen herauszufiltern und über die integrierte MQTT-Schnittstelle an einen MQTT-Brocker zu senden. Ohne eine zusätzliche Hardware zu nutzen, konnte der Kunde hierdurch die für ihn relevanten Informationen in die Cloud senden und auf seinem Smartphone visualisieren.
Sichere Cloud-Anbindung von BESS-Anwendungen
Die Anbindung von Systemen an die Cloud nimmt in der heutigen Zeit einen immer zentraleren Stellenwert ein, so auch bei Batterie-Speichersystemen. Oftmals werden einfache Lösungen gefordert, um zum Beispiel Daten für die Anzeige auf Smartphones oder zum Zweck der Speicherung in die Cloud zu senden.
Ein Kunde, ein weltweit branchenführender Hersteller von Batterie-Speichersystemen, war vor die Herausforderung gesellt, CAN-Daten zum Zwecke der Statusüberwachung in die Cloud zu transferieren. Hierfür war dem Kunden eine einfach zu installierende und vor allem zuverlässige Lösung wichtig. Mit dem CANnector bietet HMS unter der Marke Ixxat die passende Lösung. Der CANnector wird direkt an den CAN-Bus des Batterie-Speichersystems angeschlossen und sendet Daten via OPC-UA in die Cloud – mit minimalem Konfigurationsaufwand. Dem Kunden hat besonders die Cloud-Anbindung via CANnector sowie die Logger- und Bridge-Funktion besonders gut gefallen.
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