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Die Erfindung betrifft ein Energie-Speichersystem, insbesondere ein Batteriespeichersystem zum stationären und/oder mobilen Einsatz.
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Grundüberlegungen
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Grundüberlegung ist es, dass ein elektrisches Energie-Speichersystem - insbesondere ein Batteriespeichersystem (Akkuspeichersystem) - nicht ausschließlich stationär, sondern auch mobil bewegt und dann an verschiedenen Einsatzorten eingesetzt werden kann. Dazu wird ein Batteriesystem aus Akkus bzw. ein elektrisches Energiespeichersystem auf einem geeigneten Transportfahrzeug, beispielsweise auf einem Anhänger oder einem LKW, positioniert. Dadurch kann das Speichersystem transportiert und an verschiedenen Einsatzorten verwendet werden.
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Anwendungen
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Als Anwendungen sind insbesondere gedacht:
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Mobiles Notstromsystem
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Ersatz eines mit Verbrennungsmotor betriebenen Notstromaggregates. Gerade wenn Lärm oder Abgase vermieden werden sollen. Beispiele sind Veranstaltungen, Baustellen, Events, Hilfseinsätze, THW, Militär etc. Hierbei kann das mobile Batteriesystem ausschließlich aus einem elektrischen Speicher bestehen oder es kann sich um eine Kombination aus einem Verbrennungsmotor und einem Speicher handeln. Damit ist es ein Hybridsystem, das insbesondere den Kraftstoffverbrauch und damit die Abgase und den CO2 Ausstoß senkt.
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Mobile Netzdienstleistung
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Treten im Netz Probleme auf, denen mit dem mobilen Speicher und seiner Leistungselektronik begegnet werden kann, dann können mobile Speicher beim Auftreten solcher Probleme schnell am entsprechenden Ort eingesetzt werden. Dies kann bei Netzausfällen, bei Schwarzstartszenarien, bei Power Quality Anforderungen (Spannung, Frequenz etc.) und sonstigen Netzanforderungen erforderlich werden. Dies kann aufgrund Dynamik und Leistungsfähigkeit deutlich besser sein als ein herkömmlicher Generator. Zudem fehlen Emissionen, was den Einsatz begünstigt.
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Mobile Ladestation von Elektroautos
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Es sind Anwendungen zweckmäßig, bei denen ein mobiler Speicher auf einem LKW dazu dient, ggf. mit leerer Batterie liegengebliebene Elektroautos schnell aufzutanken. Ist beispielsweise im Stau vor einem Tunnel in einem Elektroauto die Batterie leer, kann das Fahrzeug nicht mehr bewegt werden. Mit dem mobilen Speichersystem auf dem LKW kann das liegengebliebene Auto schnell mit Energie betankt werden und bis zur nächsten Ladestation fahren. Dabei ist der große Vorteil, dass der Speicher des Elektroautos mittels Schnellladung mit Gleichstrom (DC) oder Wechselstrom (AC) aus der Batterie geladen werden kann.
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Nachladen stationärer Speichersysteme
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Da die Zukunft sehr stark von elektrischer Energieversorgung geprägt sein wird und damit sowohl Mobilität als auch Wärme immer mehr aus Strom erzeugt werden, wird es temporär stationäre oder dauerhaft stationäre Speichersysteme geben, um Energiereserven vorzuhalten. Diese Energiespeicher können lokal durch Photovoltaik oder andere Leistungsbereitstellung (wie beispielsweise leistungsbegrenzte Netzzugänge) wieder nachgeladen werden. Es ist aber auch möglich, diese Speicher über mobile Energiespeichersysteme nachzuladen. Dann fährt ein mobiles Speichersystem die stationären Speichersysteme der Reihe nach an und lädt Energie aus dem mobilen Speicher in den stationären Speicher. Der mobile Speicher wird dann wieder in geeigneten Depots oder an leistungsstarken Netzanschlüssen aufgeladen. Elektrische Energie wird damit wie bei Heizöltransporten auch transportiert und wieder gespeichert. Bei einem Haus mit Öltank ist der Öltank auch der lokale stationäre Speicher und der mobile Speicher (Öltankzug) fährt die Häuser ab, um die lokalen Speicher zu befüllen. Aufgetankt wird der Öltankzug an zentralen Depots.
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Wesentliche Komponenten und Überlegungen für mobile Speicher:
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- 3.1. Mobile Speicher müssen so ausgelegt werden, dass die gesetzlich zulässigen Transportgewichte bei den Transportmitteln (LKW etc.) eingehalten werden. Hierzu sind Leichtbau und spezielle Designs hilfreich und erforderlich, denn Ziel ist es meistens, möglichst viel Energie und / oder Leistung transportieren zu können.
- 3.2. Um möglichst viele Batterien unterzubringen, kann das ADS-TEC Konzept der Modulbatterien eingesetzt werden.
- 3.3. Die Wiederaufladung des mobilen Speichersystems erfolgt durch folgende Optionen:
- a. Gleichstromladung.
Hier wird eine externe elektrische Ladeeinrichtung so ausgeführt, dass die mobile Batterie gleichstromseitig angeschlossen wird. Es können auch mehrere parallele Ladeeinrichtungen sein, wenn dadurch beispielsweise die Ladezeit verkürzt werden soll oder gekühlte Ladekabel vermieden werden sollen. Die Energie fließt dann von der externen Ladeeinrichtung über Gleichstrom (DC) in die mobile Batterie. Die Ladekontrolleinheit und Steuerung kann dabei sowohl extern als auch intern im mobilen Speicher verortet werden. Eine anteilige Mischversion extern/intern ist ebenso möglich.
- b. Wechselstromladung.
Im mobilen Speicher sind Leistungselektronikeinheiten verbaut, die einen direkten Anschluss des Speichers an das AC-Stromnetz erlauben. In der Regel findet das auf Niederspannungsebene statt, kann in Sonderfällen aber auch davon abweichend ausgelegt werden (Transformatoren)
- 3.4. Je nach Anforderungen und Usecase erfolgen die externen Anbindungen galvanisch getrennt.
- 3.5. Je nach Anforderung und Betrieb kann eine lokale Erdung des Systems erforderlich werden. Isolationswertüberwachungen und Schutzeinrichtungen (Sicherungen und FI-Schutz) sind in jedem Fall vorzusehen. Ebenso Blitzschutz je nach Anforderung.
- 3.6. Der mobile Speicher kann je nach Einsatzzweck leistungsstarke und bidirektionale AC-Umrichtereinheiten an Bord haben (beispielsweise wenn der mobile Speicher als Netzstützung oder Notstromaggregat eingesetzt wird). Er kann aber auch nur AC-Leistungseinheiten mit vergleichsweise geringer Leistung an Bord haben, wenn damit nur eine geringe Nachladeleistung oder Rückspeisung zum Netz erfolgen soll.
- 3.7. Wenn der mobile Speicher zum Laden von Elektroautos eingesetzt werden soll, dann befinden sich Leistungselektronikeinheiten der folgenden Ausprägung im mobilen Speicher. Diese können jeweils einzeln, mehrfach oder in Kombination eingebaut werden.
- a. DC-Ladung von Fahrzeugen mit kleinen, mittleren oder hohen Leistungen. Hier kann den Normen und den jeweils geltenden Stecker und Stromstärken gefolgt werden (CCS, CHADEMO, GBT etc.). Wird die Ladeleistung hoch, müssen wie bei den High-Performance-Chargern ggf. gekühlte Ladekabel und Stecker eingesetzt werden. In der Regel werden nur Ladeleistungen eingesetzt, die ohne diese Kühlung auskommen.
- b. AC-Ladung. In diesem Fall sorgen interne Umrichter dafür, dass die AC-Ladestandards, wie beispielsweise TYP2, zur Verfügung stehen. Dann werden mit AC-Leistungen von bis zu 22KW pro Ausgang geladen.
- c. DC und AC Ladeabgänge können je nach Auslegung mehrfach oder gemischt vorkommen. Wichtig ist, dass die geltenden Normen und Richtlinien, insbesondere hinsichtlich galvanischer Trennung und Isolation eingehalten sind.
- d. Wird der Speicher zum Laden von Autos benutzt, kann eine Anmeldung bzw. Erkennung erforderlich sein, sodass die geladene Energie dem Autobesitzer / Nutzer zugeordnet werden kann.
- e. Die Anforderungen, die an stationäre Ladestationen gestellt sind, gelten weitestgehend auch für mobile Speicher bei dieser Anwendung.
- 3.8. Wird der mobile Speicher zur Ladung stationärer Batterien oder Speicher eingesetzt, wird bevorzugt mit DC (Gleichstrom) von Speichersystem zu Speichersystem Energie übertragen. Für besonders schnelle Ladungen werden parallele Leitungen vorgesehen, sodass auf eine Leistungskühlung verzichtet werden kann. Damit werden dann mehr als ein Kabel mit Stecker als Verbindung zwischen den Systemen gezogen / gesteckt.
- 3.9. Schwarzstart / Insel: Das mobile Speichersystem muss schwarzstartfähig sein und selbst ein Inselsystem aufbauen können. Alternativ kann es aber auch netzgebunden und netzgeführt arbeiten. Je nach Anwendungsfall. Ein Betrieb als Notstromsystem mit automatischer Netzwiederkehrerkennung ist ebenfalls möglich.
- 3.10. Lokale Verbraucher: Es ist darauf zu achten, dass die Systeme im mobilen Speicher möglichst wenig Verlustenergie benötigen, denn diese geht direkt von der nutzbaren Energie des Speichers ab. Dazu ist ein geeignetes Power-Management mit intelligenten Verbrauchwertsteuerungen vorzusehen (Sleep-Modi, Power-Modi).
- 3.11. Optionale Werbeflächen: Ein mobiler Speicher ist sehr gut geeignet für Informations- und / oder Werbeflächen, da er immer bewegt wird und stets anderswo auftaucht. Dabei können Bilder angebracht werden oder besser Displays, die für dynamische Inhalte aller Art genutzt werden können. Im Idealfall vernetzt mit einem Backend, das dann - je nach Aufstellungsort und oder Besucher- bzw. Umfelderkennung - zu anderen Werbe- oder Informationsinhalten auf dem Display führt.
- 3.12. Kühlung / Temperierung: Das System muss entsprechend gekühlt, beheizt und / oder belüftet werden können. Wesentlich sind die Vorgaben des Batteriespeichers und die Spezifikationsgrenzen der Elektronik. Hierbei sind wiederum Methoden zu bevorzugen, die möglichst keine Energie aus dem System entnehmen. Also sind Wärmetauscher, Kältespeicher oder Wärmepumpen gegenüber reinen Kühl- und / oder Heizaggregaten zu bevorzugen. Idealerweise werden optimierte Systeme je nach zu erwartenden Umgebungstemperaturen eingesetzt (ggf. Ländervarianten und Regionen). Wichtig ist ein minimaler Energieverbrauch. Bevorzugt sind Temperierungslösungen, die getrennte Segmente mit entsprechenden Wärmetauschern vorsehen. Eine Verbindung von Außenluft zu Innenluft soll vermieden werden oder über geeignete Filter sicher getrennt werden. Hier kann in verschiedene Zonen unterteilt werden. Beispielsweise können Leistungselektronik und Wechselrichter mit gefilterter Außenluft versorgt werden während die Batterien einen geschlossenen und abgedichteten Kreislauf besitzen. Die Batterien können flüssig oder luftgekühlt werden. Generell kann es sich um ein hybrides Temperierungssystem unter Ausnutzung aller jeweiligen Vorteile handeln. Wichtig sind Baugröße, Energieverbrauch, Effizienz und Kosten. Der Aufbau kann je nach Speicherdesign und Umgebungsanforderungen variieren.
- 3.13. Der mobile Speicher besitzt selbst Steuerungen und eine eigene Intelligenz. Das System ist so ausgelegt, dass in der Regel eine Kernfunktion und die Eigensicherheit ohne Backendanbindung und ohne weitere Systeme gewährleistet sind. Für Wartung, Monitoring, Werbungssteuerung, Anzeigen oder andere dynamische Betriebsführungen, insbesondere auch im vernetzten Betrieb und bei Netzdienstleistungen etc. ist eine Backendintegration sinnvoll und erforderlich. Dann können die mobilen Speicher auch über ein Portal bzw. andere Systeme gemanagt und gesteuert werden.
- 3.14. Die verwendete Batterie kann aus den klassischen Rack / Modulbauweisen erfolgen, es können aber auch systemische Standard-Batterien aus Elektroautos, Bussen etc. verwendet werden.
- 3.15. Wird der mobile Speicher zur Abgabe von Energie / Leistung an anderen Systemen als Elektroautos eingesetzt, dann kann dies über entsprechende Leistungsanschaltungen und Spannungslagen erfolgen. Dazu sind die geeigneten Umrichtersysteme und Steuerungen vorzusehen. Somit können Leistungen auf Basis von Wechselstrom (AC) als auch Gleichstrom (DC) uni- oder bidirektional gefahren werden. Die Spannungslagen und Ströme können durch geeignete Dimensionierung der Leistungselektronik im mobilen Speichersystem realisiert werden.
- 3.16. Ausführung als mechanisches Wechselsystem: Mobile Speicher können fest mit dem Transportfahrzeug verbunden sein. Dann handelt es sich um einen Aufbau, der Teil des Fahrzeuges ist. Alternativ kann ein Wechselaufbau gewählt werden, wie dieser vergleichbar mit handelsüblichen Containern funktioniert. Dann kann ein Transportfahrzeug verschiedene mobile Speicher bedienen und beispielsweise seiner mobilen Dienstleistungsfahrt nachgehen, während ein anderes System am Depot wieder aufgeladen wird. Ein anderer Fall wäre das Absetzen mobiler Speicher an unterschiedlichen Orten.
- 3.17. Der mobile Speicher kann auch lokal nachgeladen werden. Dies kann über einen Netzanschluss erfolgen oder auch über integrierte oder mobile PV-Module (Photovoltaikmodule). Diese können ggf. so viel Energie erzeugen, dass anteilig oder vollständig die parasitären Verluste kompensiert werden können (Klima, Steuerungen, Display etc.). Dies schont den eigentlichen Speicher vor nicht gewollter Entladung.
- 3.18. Optional kann auf dem Dach des mobilen Speichers eine klappbare Einrichtung mit Solarmodulen (Photovoltaikmodulen) angebracht werden. Im eingeklappten Zustand werden die Außenabmessungen eines Normcontainers nicht überschritten. Im ausgeklappten Zustand entsteht um den Container an einigen Stellen ein Dachüberstand. Damit kann die PV-Fläche maximiert werden, und es entsteht ein Überstand, der Kunden und System vor Wind, Wetter und Sonne schützt. Die dadurch höhere PV-Erzeugungsleistung kann dafür genutzt werden, das System ständig nachzuladen und den Eigenverbrauch zu minimieren. Gerade bei der Ladung von Elektrofahrzeugen ist dies eine wichtige Lösung und ebenso für den Eigenverbrauch des Systems und / oder der Displayeinheiten wenn das System OFF-Grid betrieben wird.
- 3.19. Optional können auch externe Erzeuger wie weitere PV-Anlagen am Speicher angeschlossen werden (AC und / oder DC-seitig). Damit können eventuell ebenfalls mobile / semi-mobile PV-Anlagen im Umfeld des mobilen Speichers genutzt werden. Da in diesen Fällen keine Netzverbindung besteht, entfallen auch die Netzrichtlinien und Abgaben.
- 3.20. Mobile Speicher können auch über längere Zeiten an Nutzungsstellen abgestellt werden und dort verbleiben. Insbesondere, wenn es sich um Wechselsysteme oder auf / abladbare Einheiten handelt. Gerade dann sind auch solare Unterstützungen sinnvoll, da dann die parasitären Energieverbräuche anteilig oder vollständig kompensiert werden können.
- 3.21. Ggf. sind Vorkehrungen gegen Vandalismus zu treffen. Kameras, Sensoren, Einbruchserkennung, Abschaltvorrichtungen etc.
- 3.22. Die Handhabung mobiler Speichersysteme erfolgt mit Kränen, Staplern oder anderen geeigneten Hebezeugen. Es können auch Wechselbrückenansätze zum Einsatz kommen, wenn das Gewicht dies zulässt.
- 3.23. Die Komponenten im mobilen Speicher sind optimal so angeordnet, dass ein einfacher Tausch erfolgen kann (modulare Bauweise). Eine entsprechende Selbstdiagnosefunktion ist nach Möglichkeit vorzusehen.
- 3.24. Je nach Vorschriften und Kundenvorgabe können CO2 Löschsysteme im mobilen Speicher integriert werden.
- 3.25. Es ist vorteilhaft, die Umrichter modular zu gestalten. Damit können Umrichteranteile gezielt gestartet oder abgeschaltet werden, was dem Energiemanagement zugutekommt (Verbrauchsoptimierung).
- 3.26. Für einfache Anschlüsse sind neben Terminals und Kabelanschlussvorrichtungen (bei Netzdienstleistungen) bevorzugt Standard-Steckverbindungen einzusetzen. Beispielsweise CCE für die AC-Kopplung oder die gängigen AC- und DC-Stecker aus dem Industrie, Elektrotechnik und KFZ-Bereich.
- 3.27. Über entsprechende Backendsysteme können Daten gesammelt und Betriebskonzepte dynamisch optimiert werden.
- 3.28. Optional können direkte Anmelde- und Bezahlsysteme (Kreditkarten, RFID etc.) am Speichersystem integriert werden. Das Speichersystem selbst ist digital eindeutig gekennzeichnet. Über TAGs kann das System auch vom Anwender identifiziert / gescannt werden.
- 3.29. Mobile Speichersysteme verfügen über eine Eigendiagnose und umfassende Sicherheitsfunktionen. Entsprechend meldet das Speichersystem an überlagerte Systeme oder schaltet in kritischen Situationen ab (beispielsweise zu niedriger Speicherstand). Das Speichersystem kann außen sichtbar Statusanzeigen oder Status-displays aufweisen, an denen leicht wesentliche Zustände des Systems erkannt werden können. Ggf. Vorsehen von NOT-AUS Tastern.
- 3.30. Alle dem Verschleiß unterliegenden Teile, Stecker, Kabel etc. müssen aus Kosten- und Wartungsgründen leicht tauschbar und zugänglich sein. Beispielsweise Ladekabel oder Anschlussbuchsen etc.
- 3.31. Das System ist optimal so ausgeführt, dass es keine Überstände gibt. Damit werden Beschädigungen vermieden. Kritische Teile wie Stecker, Displays, Buchsen etc. sind zurückversetzt angebracht, sodass ein Abreißen und / oder Beschädigen vermieden wird. Die Außenmaße - beispielsweise die eines Normcontainers - sollen nirgends überschritten werden.
- 3.32. Stecker und / oder Bedienelemente, die beispielsweise immer wieder angefasst werden, sind vor Wettereinflüssen, Verschmutzungen und Beschädigungen geschützt anzubringen.
- 3.33. Die Lade- und Entladestrategien folgen den jeweiligen Geschäftsmodellen und dem Einsatzzweck. Dies kann aus physikalischen, monetären oder sonstigen Gründen begründet sein.
- 3.34. Solche Speicher sind idealerweise wie Standard Seecontainer zu versenden, zu verschiffen und zu transportieren.
- 3.35. Lackierung und Wetterschutz entsprechen den gängigen Normen und Standards für die jeweilige Nutzungsumgebung.
- 3.36. In den verschiedenen Geschäftsmodellen wird auch unterschiedlich abgerechnet. So kann es erforderlich sein, dass geeichte und abrechnungskonforme Leistungs- und / oder Energiezähler eingebaut werden. Je nach Geschäftsmodell sitzen diese Einheiten an unterschiedlichen Messstellen. Das System selbst kann die Benutzerkennung sowie alle Messwerte für die überlagerten Geschäftsmodelle zur Verfügung stellen.
- 3.37. Das Speichersystem besitzt optional eine zertifikatsbasierte Sicherheitseinrichtung. Die Zertifikate können als Software oder Hardwarezertifikat ausgeführt werden. Damit kann Missbrauch und Manipulation abgewendet werden. Messwerte und Daten können digital signiert und damit für die manipulationsgesicherte Weiterverarbeitung markiert werden.