BESS-Auslegungsleitfaden: So berechnen Sie Leistung, Energie und Batterielaufzeit

Projekte für Batterie-Energiespeichersysteme scheitern oft bereits in der Planungsphase aus einem einfachen Grund: Die Batterie wird anhand einer einzigen Zahl beschrieben, während das Projekt tatsächlich von mehreren Faktoren abhängt. Dimensionierung von BESS müssen Leistung, Energie, Entladedauer, nutzbare Kapazität, Wirkungsgrad, Leistungsabfall, Betriebsbedingungen und den zeitlichen Verlauf der Last berücksichtigen.

Dieser Leitfaden erläutert, wie die Dimensionierung von Batterie-Energiespeichern für Gewerbe- und Industrieanlagen, Projekte im Bereich erneuerbarer Energien, Rechenzentren, Ladestationen für Elektrofahrzeuge, Telekommunikationsanwendungen und Großanlagen vorgenommen werden sollte. Er ist für die frühe Projektplanung und technische Diskussionen gedacht. Das Zahlenbeispiel lautet nur zur Veranschaulichung; es handelt sich dabei nicht um eine Garantie, ein Angebot oder eine Produktspezifikation von DAXIN ENERGY.

Warum die Dimensionierung von BESS bei der Anwendung beginnt

Welches System das richtige ist, hängt davon ab, welche Aufgaben der Energiespeicher erfüllen muss. Zur Spitzenlastabdeckung ist möglicherweise eine hohe Entladeleistung über einen kurzen Zeitraum erforderlich, während für die Verlagerung erneuerbarer Energien über mehrere Stunden hinweg möglicherweise mehr Energie benötigt wird. Bei der Planung der Notstromversorgung stehen kritische Lasten und die Umschaltzeit im Vordergrund, während die Frequenzregelung wiederholte kurze Lade- und Entladevorgänge beinhalten kann.

Die Internationale Energieagentur stuft Batteriespeicher als eine schnell wachsende Technologie im Bereich der sauberen Energie ein und hebt deren Bedeutung für die Flexibilität des Stromnetzes und die Integration variabler erneuerbarer Energiequellen hervor. 1. Dieses Wachstum macht eine disziplinierte Projektdefinition umso wichtiger, nicht weniger wichtig. Ein System, das hinsichtlich der Energie überdimensioniert, hinsichtlich der Leistung jedoch unterdimensioniert ist, kann möglicherweise keine Spitzenlast bewältigen. Ein System mit ausreichender Nennleistung, aber unzureichender nutzbarer Energie kann möglicherweise den erforderlichen Betriebsbereich nicht abdecken.

Die Lösungskategorien von DAXIN ENERGY umfassen gewerbliche und industrielle Energiespeichersysteme (ESS) für Spitzenlastabdeckung, Lastmanagement und Notstromversorgung; Solar-plus-Speicher-Lösungen für die PV-Integration und den Eigenverbrauch; EV-Lade- und ESS-Lösungen für den Lastausgleich; Notstromversorgung für Rechenzentren; Energielösungen für die Telekommunikation sowie Energiespeicher im Großmaßstab. Die Produktpalette umfasst Energiespeichersysteme, Batterieschränke, Lithium-Batteriesysteme und zugehörige Stromversorgungslösungen. Diese Kategorien verdeutlichen, warum die Dimensionierung an ein definiertes Betriebsziel geknüpft sein sollte und nicht allein anhand einer Katalognummer ausgewählt werden darf.

Um den Projektkontext zu verstehen, lesen Sie bitte den Bericht von DAXIN Energiespeicherlösungen und Produkte für Energiespeichersysteme bevor eine technische Anfrage erstellt wird.

Die vier Kennzahlen, die in jeder BESS-Dimensionierungsstudie unterschieden werden müssen

Leistung und Energie hängen zwar zusammen, sind jedoch nicht austauschbar. Die Laufzeit wird anhand beider Größen berechnet, während die nutzbare Kapazität die Nennenergie unter Berücksichtigung von Betriebsgrenzen wie der Entladetiefe anpasst.

Metrisch	Typische Einheit	Was das bedeutet	Die wichtigste Frage zur Dimensionierung
Nennleistung	kW oder MW	Maximale momentane Lade- oder Entladeleistung	Wie viel Last oder Netzstrom muss das BESS gleichzeitig bereitstellen?
Energiekapazität	kWh oder MWh	Unter den angegebenen Bedingungen gespeicherte elektrische Energie	Wie viel Energie muss zugeführt oder aufgenommen werden?
Akkulaufzeit	Öffnungszeiten	Ungefähre Betriebsdauer bei einer festgelegten Leistungsstufe	Wie lange muss das BESS die Sollleistung aufrechterhalten?
Nutzbare Kapazität	kWh oder MWh	Innerhalb des angegebenen Betriebsbereichs verfügbare Energie	Wie viel der Nennleistung kann das Projekt tatsächlich nutzen?

Nennleistung: kW und MW

Die Nennleistung gibt an, mit welcher Geschwindigkeit das BESS laden oder entladen kann. Ein Megawatt entspricht 1.000 Kilowatt. Die Dimensionierung der Leistung richtet sich nach der maximalen Netto-Last, der gewünschten Spitzenlastreduzierung, der Nennleistung des Wechselrichters, der Anstiegsgeschwindigkeit und etwaigen Beschränkungen beim Netzanschluss.

Für die Spitzenlastabdeckung lässt sich der Energiebedarf im Erstdurchlauf wie folgt ausdrücken:

Erforderliche BESS-Leistung = Bedarf am Zielstandort – zulässiger Netzbedarf

Dies ist lediglich eine vorläufige Berechnung. Bei der endgültigen Berechnung müssen gleichzeitige Lasten, das Regelverhalten, der Spielraum des Wechselrichters, der Blindleistungsbedarf sowie die Frage berücksichtigt werden, ob das BESS voraussichtlich aufgeladen wird, während andere Geräte in Betrieb sind.

Energiekapazität: kWh und MWh

Die Energiekapazität gibt die Menge des gespeicherten Stroms an. Eine Megawattstunde entspricht 1.000 Kilowattstunden. Eine Anlage benötigt möglicherweise eine Leistung von 500 kW für eine Stunde, was einer idealen abgegebenen Energie von 500 kWh entspricht; in der Praxis müssen bei der Auslegung jedoch zusätzliche Kapazitäten für Wirkungsgradverluste, Reserveenergie, Temperatur, Alterung und die gewählte Entladetiefe berücksichtigt werden.

Eine nützliche Näherungsbeziehung lautet:

Erforderliche Nennenergie ≈ erforderliche abgegebene Energie ÷ (Entladetiefe × Hin- und Rückweg- bzw. Entladeweg-Wirkungsgrad × Lebensdauerfaktor)

Die genaue Gleichung hängt davon ab, ob die Berechnung auf der an der Wechselstromseite abgegebenen Energie, der Gleichstrom-Batterieenergie, dem Einweg-Entladungswirkungsgrad oder dem Rundlaufwirkungsgrad basiert. Diese Rahmenbedingungen müssen in der Auslegungsgrundlage angegeben werden.

Dauer: Der Zusammenhang zwischen Leistung und Energie

Die Batterielaufzeit wird üblicherweise wie folgt geschätzt:

Laufzeit (Stunden) = Energiekapazität (kWh) ÷ Leistung (kW)

Eine Anlage mit einer Kapazität von 1.000 kWh und einer Leistung von 500 kW hat eine Nennlaufzeit von zwei Stunden. Diese Angabe ist jedoch unvollständig, sofern nicht angegeben wird, ob es sich bei den 1.000 kWh um die Nennkapazität oder die nutzbare Energie handelt und ob die Leistung an den Gleichstromklemmen der Batterie oder am Wechselstromanschluss vor Ort gemessen wird.

Nutzbare Kapazität, Entladetiefe und Wirkungsgrad

Entladungstiefe (DoD) ist der Prozentsatz der Nennenergie der Batterie, der während eines Zyklus absichtlich verbraucht wird. Wenn ein System über eine Nennenergie von 1.000 kWh verfügt und mit einer Entladetiefe (DoD) von 80% betrieben wird, beträgt die ideale Energie innerhalb des zulässigen Betriebsbereichs 800 kWh vor Berücksichtigung anderer Verluste. Ein Projekt kann einen niedrigeren Entladungsgrad wählen, um Reservekapazitäten zu erhalten, Garantiebedingungen zu erfüllen oder eine längere Lebensdauer zu gewährleisten.

Der Rundlaufwirkungsgrad beschreibt die nach einem vollständigen Lade- und Entladezyklus zurückgewonnene Energie im Verhältnis zur für den Ladevorgang verbrauchten Energie. Er umfasst Umwandlungs- und Systemverluste, wobei der veröffentlichte Wert jedoch unter Berücksichtigung unterschiedlicher Begrenzungsbedingungen definiert sein kann. Für eine Berechnung im Lastbetrieb kann stattdessen der Entladewirkungsgrad von der gespeicherten Gleichstromenergie zur abgegebenen Wechselstromenergie maßgeblich sein. Fügen Sie keinen Wert für den Rundlaufwirkungsgrad in eine Einweggleichung ein, ohne zuvor die Testdefinition des Herstellers zu überprüfen.

Die nutzbare Leistung entspricht daher nicht einfach der Angabe auf dem Typenschild. Es handelt sich vielmehr um die Energie, die nach Berücksichtigung des zulässigen Betriebsbereichs, der Umwandlungsverluste, des Hilfsverbrauchs und der Projektreserve zur Verfügung steht. HLK-Anlagen, Batteriemanagementsysteme, Steuerungen und Geräte zur Stromumwandlung können Energie verbrauchen, die der Last nicht zur Verfügung steht.

Lastprofilanalyse: die wichtigste Eingangsgröße

Ein Modell zur Dimensionierung eines Batteriespeichersystems (BESS) sollte auf Intervalldaten basieren und nicht auf einer durchschnittlichen Monatsrechnung. Erfassen Sie, sofern verfügbar, Lastdaten im 15-Minuten-Takt und verwenden Sie kürzere Intervalle, wenn schnelle Spitzen oder Regelungsereignisse eine Rolle spielen. Bei einem Solar-plus-Speicher-Projekt sollten PV-Ertragsdaten oder ein zuverlässiges Ertragsmodell einbezogen werden. Beim Laden von Elektrofahrzeugen sollten die Ladepläne, die Verweildauer der Fahrzeuge sowie die zeitliche Übereinstimmung des Ladebedarfs mit der Last der Anlage berücksichtigt werden.

Der Analyst sollte den höchsten Bedarf, die Dauer der einzelnen Spitzen, tägliche und saisonale Muster, kritische Lasten, die Mindestlast des Standorts, Lademöglichkeiten sowie etwaige Einspeisebeschränkungen ermitteln. Die Darstellung der Netto-Lastkurve zeigt oft, dass das erforderliche System eher durch eine schmale Spitzenlast als durch den Durchschnittsbedarf der Anlage bestimmt wird.

Ein anschaulicher Vergleich ist der Unterschied zwischen Energieumwandlung und Spitzenlastabdeckung. Die Energieverschiebung wird in der Regel durch die Gesamtenergiemenge begrenzt, die von einem Zeitraum in einen anderen verlagert werden muss. Die Spitzenlastabdeckung wird durch das Ausmaß und die Dauer des Nachfragespitzenereignisses begrenzt. Für diese Dienste kann dieselbe Anlage unterschiedliche BESS-Größen erfordern.

Unterschiede bei der Dimensionierung von BESS: leistungsorientiertes versus energieorientiertes Design

Entwurfsansatz	Primäre Einschränkung	Typische Planungsfrage	Häufiges Risiko bei der Größenbestimmung
Leistungsbasierte Dimensionierung	Maximale Momentanleistung	Kann das BESS-System die erforderliche Spitzen- oder kritische Last abdecken?	Genug kW, aber nicht genug kWh, um die Veranstaltung aufrechtzuerhalten
Energieorientierte Dimensionierung	Gesamtenergie, die übertragen oder geliefert wurde	Kann das BESS die Aufgabe der täglichen Energieversorgung oder der Notstromversorgung erfüllen?	Genug kWh, aber die Wechselrichterleistung ist zu gering
Dauergesteuerte Dimensionierung	Erforderliche Arbeitsstunden bei einer bestimmten Produktionsmenge	Kann das System den Betrieb während des angegebenen Zeitraums aufrechterhalten?	Laufzeit berechnet anhand der auf dem Typenschild angegebenen Leistung statt anhand der nutzbaren Energie
Lebenszyklusorientierte Dimensionierung	Leistung am Ende der Lebensdauer	Wird die Anlage auch nach der zu erwartenden Abnutzung die Anforderungen erfüllen?	Die anfängliche Dimensionierung ist zwar ausreichend, doch die künftige nutzbare Kapazität bleibt hinter den Erwartungen zurück

Diese Unterscheidung ist besonders wichtig, wenn Produktfamilien miteinander verglichen werden. Ein Schrank oder Container mag zwar eine angegebene Kombination aus kW und kWh aufweisen, doch das Projektteam muss dennoch die Betriebstemperatur, die zulässige Entladetiefe (DoD), den Regelmodus, die Zusatzlast und die Leistung am gewünschten Betriebspunkt überprüfen.

Abbau und Umgebungsbedingungen

Die Leistungsminderung der Batterie führt im Laufe der Zeit zu einer Verringerung der verfügbaren Kapazität. Eine fundierte Kapazitätsberechnung für ein Batterie-Energiespeichersystem (BESS) sollte zwischen der Anfangskapazität und der am Ende des Auslegungszeitraums erforderlichen Kapazität unterscheiden. Die Leistungsminderung hängt von der Temperatur, der kalendarischen Alterung, der Zyklusintensität, dem durchschnittlichen Ladezustand, den Lade- und Entladeraten sowie der Betriebsstrategie ab. In der Projektspezifikation sollte das erforderliche Leistungsdatum oder der Zustand am Ende der Lebensdauer angegeben werden, anstatt davon auszugehen, dass die anfängliche Nennenergie konstant bleibt.

Auch die Umgebungsbedingungen beeinflussen sowohl die Leistung als auch die Geräteauswahl. Hohe oder niedrige Temperaturen können die Leistungskapazität, den Wirkungsgrad und das Alterungsverhalten von Batterien verändern. Die Höhenlage des Standorts, Luftfeuchtigkeit, Staub, Salzbelastung, die Installation im Innen- oder Außenbereich sowie der parasitäre Verbrauch durch HLK-Anlagen können die endgültige Auslegung beeinflussen. Das Wärmemanagement ist kein nebensächliches Detail: Das Auslegungsmodell sollte die am Standort zu erwartenden Umgebungsbedingungen und die Installationsanordnung berücksichtigen.

Veranschaulichendes Anwendungsbeispiel: Spitzenlastabdeckung

Die folgende Berechnung dient lediglich der Veranschaulichung und stellt weder eine Garantie noch ein Angebot von DAXIN ENERGY noch eine empfohlene Produktkonfiguration dar.

Angenommen, eine Anlage hat eine gemessene Spitzenlast von 1.200 kW und möchte die Netzbezugsmenge auf 900 kW begrenzen. Das Reduktionsziel beträgt daher 300 kW. Angenommen, die Spitzenlast dauert 2,5 Stunden, das Projekt verwendet eine Entladetiefe (DoD) von 85%, der geschätzte Wirkungsgrad des Einweg-Entladepfads beträgt 92% und die Auslegung sieht eine Kapazitätsreserve am Ende der Lebensdauer von 10% vor.

Erforderliche Abgabeleistung: 1.200 kW − 900 kW = 300 kW.
Ideale abgegebene Energie: 300 kW × 2,5 Stunden = 750 kWh.
Geschätzte nominale Energie vor Berücksichtigung der Restlebensdauer: 750 ÷ (0,85 × 0,92) ≈ 958 kWh.
Nennauslegungsleistung mit einer 10%-Toleranz: 958 ÷ 0,90 ≈ 1.064 kWh.

Ein vorläufiges Konzept könnte daher mit einer Nennleistung von etwa 300 kW und einer Nennenergie von 1,1 MWh beschrieben werden, vorbehaltlich einer Validierung. Das Ergebnis müsste noch anhand des tatsächlichen Intervall-Lastprofils, der Wechselrichtergrenzen, der Temperatur, des Hilfsverbrauchs, der Verfügbarkeit von Lademöglichkeiten, der Netzregeln, der Reserveanforderungen und der Leistungsdaten des ausgewählten Herstellers überprüft werden. Es sollte nicht als garantiertes Ergebnis dargestellt werden.

Praktische Checkliste zur Dimensionierung von Batteriespeichersystemen (BESS)

Bevor Sie eine Konfiguration oder ein Angebot anfordern, halten Sie bitte die folgenden Informationen bereit:

Legen Sie die primäre Dienstleistung fest: Spitzenlastabdeckung, Lastmanagement, Notstromversorgung, Eigenverbrauch von Solarstrom, Unterstützung beim Laden von Elektrofahrzeugen, Einbindung erneuerbarer Energien oder einen anderen Anwendungsfall.
Legen Sie Daten zur Lastentwicklung in bestimmten Zeitintervallen vor, die vorzugsweise repräsentative Wochentage, Wochenenden und saisonale Bedingungen abdecken.
Geben Sie die erforderliche Leistung auf der Wechselstromseite, die Energie, die Dauer, die Reaktionszeit und den Betriebsplan an.
Ermitteln Sie kritische Lasten und die zulässige Unterbrechungs- bzw. Umschaltzeit für Backup-Anwendungen.
Geben Sie die Mindestladereserve und die geplante Entladetiefe an.
Legen Sie fest, ob die Anforderungen an den Gleichstromanschlüssen der Batterie, an den Wechselstromanschlüssen des Wechselrichters oder am Netzanschlusspunkt gelten.
Berücksichtigen Sie dabei Annahmen hinsichtlich des Wirkungsgrads im Hin- und Rücklauf, des Austrittswirkungsgrads, der Hilfslast und des Wärmemanagements.
Geben Sie die Auslegungslebensdauer sowie die erforderliche Leistung und nutzbare Energie am Ende der Lebensdauer an.
Halten Sie die Umgebungstemperatur, die Luftfeuchtigkeit, die Höhe über dem Meeresspiegel, den Aufstellungsort und den verfügbaren Platz fest.
Klären Sie die Anforderungen hinsichtlich Netzanschluss, Einspeisung, Schutz, Messung und Steuerung mit den zuständigen Projektpartnern ab.
Erläutern Sie die Ladequellen, darunter das Stromnetz, Photovoltaikanlagen, Generatoren oder andere Quellen, und ermitteln Sie die Ladezeitfenster.
Beantragen Sie eine projektspezifische Prüfung, anstatt ein System allein anhand der Nennleistung in kW oder der Nennleistung in kWh auszuwählen.

Planen Sie den nächsten Schritt gemeinsam mit DAXIN ENERGY

Eine genaue Dimensionierung des Batteriespeichers (BESS) verwandelt ein allgemeines Speicherziel in eine messbare technische Grundlage. Beginnen Sie mit dem Lastprofil, trennen Sie Leistung und Energie voneinander, berechnen Sie die Laufzeit anhand der nutzbaren statt der Nennkapazität und prüfen Sie das Design hinsichtlich Effizienz, Entladetiefe (DoD), Leistungsabfall, Temperatur und Anforderungen zum Ende der Lebensdauer.

DAXIN ENERGY bietet Lösungen für die Bereiche Energiespeicherung, USV, Lithium-Batterien, Telekommunikation, Gewerbe und Industrie, erneuerbare Energien, Laden von Elektrofahrzeugen, Rechenzentren sowie Anwendungen im Großmaßstab. Befindet sich Ihr Projekt noch in der Planungsphase, können Sie die Anwendung, Lastdaten, Zielkapazität, Betriebsbedingungen und den Projektstand über die DAXIN ENERGY – Kontaktseite. Im Rahmen einer technischen Überprüfung lässt sich dann feststellen, welche Informationen für eine projektspezifische Konfiguration benötigt werden.

Literaturverzeichnis

Anmerkung der Redaktion: Alle numerischen Berechnungen in diesem Artikel dienen lediglich der Veranschaulichung und sind als Planungsbeispiele zu verstehen. Sie stellen keine Garantien, Produktspezifikationen, Angebote, Gewährleistungen oder Leistungszusagen seitens DAXIN ENERGY dar.