Vor dem Hintergrund des beschleunigten Baus neuer Energiesysteme sind Energiespeichersysteme als Kernkomponente für den Ausgleich von Energieangebot und -nachfrage und die Verbesserung der Netzstabilität auf die Umwandlung von Energieformen, die kollaborative Steuerung des Systems sowie einen sicheren und wirtschaftlichen Betrieb ausgelegt. Ziel ist die flexible Speicherung und präzise Abgabe elektrischer Energie durch eine wissenschaftliche Architektur. Das zentrale Designziel besteht nicht nur darin, die Leistungs- und Kapazitätsanforderungen bestimmter Szenarien zu erfüllen, sondern auch ein optimales Gleichgewicht zwischen Sicherheit, Effizienz, Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit zu erreichen.
Der Entwurf von Energiespeichersystemen beginnt mit der Auswahl der zugrunde liegenden Logik der Energieumwandlungsmechanismen. Die elektrochemische Energiespeicherung basiert auf der reversiblen „elektrochemischen-elektrochemischen“ Reaktion, bei der die Energiespeicherung durch die Redoxreaktion von positiven und negativen Elektrodenmaterialien erreicht wird: Während des Ladevorgangs treibt elektrische Energie Ladungsträger (wie Lithiumionen) dazu an, zu wandern und sich in die negative Elektrode einzubetten und sie in chemische Energie umzuwandeln; Beim Entladen kehren die Ladungsträger zur positiven Elektrode zurück und die chemische Energie wird wieder in elektrische Energie umgewandelt. Die physikalische Energiespeicherung beruht auf der Umwandlung makroskopischer Energieformen. Beispielsweise nutzen Pumpspeicherkraftwerke Elektrizität, um eine Pumpe anzutreiben, um die potenzielle Energie des Wassers zu erhöhen. Bei der Stromerzeugung treibt das fallende Wasser eine Turbine an, um die potenzielle Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Druckluftspeicher nutzen Elektrizität, um Gas zu komprimieren und Druckenergie zu speichern; Bei der Freisetzung von Energie dehnt sich das Hochdruckgas aus und treibt einen Generator an. Verschiedene Konvertierungsmechanismen bestimmen die Reaktionsgeschwindigkeit, die Energiedichte und die anwendbaren Szenarien des Systems. Der Entwurf muss zunächst die Technologieroute anhand der Anforderungen verankern.
Beim Entwurf der Systemarchitektur liegt der Schwerpunkt auf der Koordination und hierarchischen Verwaltung mehrerer Module. Ein komplettes Energiespeichersystem besteht aus Energiespeichereinheiten, einem Stromumwandlungssystem (PCS), einem Batteriemanagementsystem (BMS), einem Energiemanagementsystem (EMS) und Hilfssystemen (Temperaturregelung, Brandschutz, Überwachung). Die Energiespeichereinheit ist das Herzstück der Energiespeicherung, und ihre Reihen- und Parallelverbindungsmethoden müssen basierend auf den Zielspannungs-, Kapazitäts- und Redundanzanforderungen optimiert werden. Das PCS (Power Control System) ist für die AC/DC-Umwandlung und Leistungsregelung verantwortlich und seine Topologie (z. B. zwei-Ebenen oder drei-Ebenen) muss dem Leistungsniveau und den Effizienzanforderungen des Systems entsprechen. Das BMS (Batteriemanagementsystem), das als „Nervenenden“ fungiert, muss eine Echtzeitüberwachung und eine ausgewogene Steuerung der Spannung, der Temperatur und des Innenwiderstands der einzelnen Zellen ermöglichen, um kaskadierende Ausfälle durch lokale Überladung und Überentladung zu verhindern. Das EMS (Electric Power Management System) ist das „Gehirn“, das Lade- und Entladestrategien dynamisch optimiert und die Aktionen jedes Moduls basierend auf Netzlast, erneuerbarer Energieproduktion und Strompreissignalen koordiniert. Hilfssysteme bieten Umweltschutz für die oben genannten Kernfunktionen; Beispielsweise sorgt das Temperaturkontrollsystem dafür, dass die Zellen in einem geeigneten Temperaturbereich (typischerweise 25 Grad ± 5 Grad) arbeiten, und das Brandschutzsystem baut eine Frühwarn- und Unterdrückungslinie gegen Brände auf.
Das Design muss die Merkmale und Einschränkungen des Szenarios umfassend integrieren. Bei der netzseitigen Energiespeicherung liegt der Schwerpunkt auf einer schnellen Reaktion und groß angelegten Regulierungsmöglichkeiten, was eine verbesserte dynamische Leistung des Stromerzeugungssystems (PCS) und eine Netzfreundlichkeit des Energiespeichersystems (EMS) erfordert. Die stromquellenseitige Energiespeicherung muss sich an Schwankungen in der Erzeugung erneuerbarer Energien anpassen und die Toleranz des BMS gegenüber intermittierendem Laden und Entladen optimieren. Bei der benutzerseitigen Energiespeicherung stehen Wirtschaftlichkeit und Raumnutzung im Vordergrund, wobei Kapazitätskonfiguration und Installationskosten ausgeglichen werden und möglicherweise eine modulare Integration eingesetzt wird, um Platz zu sparen. Darüber hinaus muss das Design Erweiterungsschnittstellen reservieren, um zukünftige Kapazitätserweiterungen oder technologische Iterationen zu ermöglichen.
Sicherheit und Wirtschaftlichkeit sind im gesamten Lebenszyklus von entscheidender Bedeutung. Aus sicherheitstechnischer Sicht muss ein mehrschichtiges Verteidigungssystem durch elektrische Isolierung, Überspannungs- und Überstromschutz sowie Frühwarnmechanismen für thermisches Durchgehen aufgebaut werden. Aus wirtschaftlicher Sicht sind eine verbesserte Energieumwandlungseffizienz (z. B. PCS-Effizienz größer oder gleich 95 %), eine verlängerte Zykluslebensdauer (z. B. Anzahl der Designzyklen größer oder gleich 6000 Mal) und ein verringerter Energieverbrauch des Hilfssystems notwendig, um die Vorteile des Lebenszyklus zu erhöhen.
Zusammenfassend ist das Designprinzip von Energiespeichersystemen ein Technologieintegrationsprozess, der auf Energieumwandlungsmechanismen basiert, sich auf die Zusammenarbeit mehrerer Module konzentriert, durch Szenarioanpassung geleitet wird und durch Sicherheit und Wirtschaftlichkeit eingeschränkt wird. Sein Kern besteht darin, diskrete Energiespeichereinheiten durch eine wissenschaftliche Architektur in ein wahrnehmbares, kontrollierbares und optimierbares Energieregulierungssystem umzuwandeln und so eine wichtige Unterstützung für neue Energiesysteme bereitzustellen, um den hohen Anteil des Zugangs zu erneuerbaren Energien zu bewältigen.
