Erneuerbare Energien: Optimieren Sie Ihre Batterie-Energiespeichersysteme mit Simcenter System Simulation

Mit dem globalen Wandel in Richtung einer nachhaltigeren Energielandschaft haben sich Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) als entscheidende Komponente etabliert, um erneuerbare Energiequellen zu integrieren und die Netzstabilität zu erhöhen.

Hier kommt Systemsimulation ins Spiel. Durch den Einsatz fortschrittlicher Simulationstools und -methoden können Ingenieure BESS-Herausforderungen direkt bewältigen, die Leistung optimieren, die Zuverlässigkeit steigern und Innovationen im Energiespeicherbereich fördern.

Durch die Systemsimulation können Ingenieure eine Vielzahl von Szenarien untersuchen, verschiedene Konstruktionskonfigurationen testen und ihre Lösungen validieren, bevor sie in der realen Welt implementiert werden, was letztendlich zu effizienteren, kostengünstigeren und zuverlässigeren BESS-Implementierungen führt.

Erfahren Sie, wie Systemsimulation die digitale Transformation vorantreibt und dabei alle BESS-Herausforderungen löst.

Batterie-Energiespeichersysteme sind der Schlüssel in der Energiewirtschaft

Das Batterie-Energiespeichersystem (Battery Energy Storage System, BESS) spielt eine zentrale Rolle bei der Speicherung überschüssiger Energie, die aus erneuerbaren Quellen wie Sonne und Wind erzeugt wird, und deren Freisetzung, wenn die Nachfrage am höchsten ist. Allerdings bringen Auslegung, Optimierung und Betrieb von BESS vielfältige technische Herausforderungen mit sich, die ein tiefgreifendes Verständnis der komplexen Wechselwirkungen zwischen den Systemkomponenten voraussetzen.

Simcenter Amesim, Teil des Simcenter System Simulation-Portfolios, wird typischerweise für die Systemintegration verwendet, bei der die verschiedenen beteiligten Subsysteme wie { erneuerbare Energien + Batterien + Thermisch + HLK + Steuerungen + Leistungselektronik + Netze } kombiniert werden.

Mit Simcenter Amesim können Sie all diese Herausforderungen angehen und lösen:

Die Anwender können die vordefinierten Komponenten per Drag & Drop (ohne Programmierung) zusammensetzen, um ihr vollständiges System zu erhalten. Die Ausführung ist sehr schnell, und es es nur wenige Sekunden/Minuten CPU-Zeit, um den Tag/die Woche/das Jahr vollständig zu berechnen. Inklusive wirtschaftlicher Aspekte oder Sicherheit.

Das Wichtigste im Überblick

Ein Batterie-Energiespeichersystem (BESS) kann Lasten zwischen Spitzen- und Schwachlastzeiten ausgleichen. Der Strombedarf schwankt je nach Wochentag, Tageszeit und Saisonalität.

Daher sind bei Spitzenlast die Strompreise am höchsten. Alternativ entspricht der Energiepreis dem Standardtarif, wenn die Nachfrage in Nebenzeiten gering ist.

Peak Shaving ermöglicht es Anwendern mit Batteriespeichersystemen, Strom in lastschwachen Zeiten zu speichern und in Spitzenzeiten zu entladen, um Stromkosten zu sparen.

Betrachten wir die Umsetzung von BESS in der Praxis. Mit diesem Wissen müssen die Anwender die Konstruktion von Zellen über Packs bis hin zu Behältern sowie die erneuerbaren Quellen und Netzaspekte mit den Energieverbrauchern verwalten.

Tatsächlich handelt es sich bei den Behältern um modulare, tragbare Lösungen, die Batterien in Schiffscontainern unterbringen, um eine flexible und skalierbare Energiespeicherung zu ermöglichen. Diese Einheiten lassen sich flexibel an unterschiedlichen Orten positionieren, was sie zur idealen Lösung für temporäre Stromversorgung oder Anwendungen in abgelegenen Gebieten macht.

Diese Behälter enthalten Lithium-Ionen-Batterien. Solche Li-Ionen-Batterien sind klein, leicht und haben eine hohe Kapazität und Energiedichte, sind besonders wartungsarm und bieten eine lange Lebensdauer. Sie sind auch schnell aufladbar und weisen eine niedrige Selbstentladung auf. Die Nachteile umfassen Kosten, Entflammbarkeit, Empfindlichkeit gegenüber extremen Temperaturen, Überladung und Tiefentladung.

Das Energiemanagementsystem (EMS) steuert und überwacht den Energiefluss des BESS und zugehöriger Systeme. Das EMS koordiniert das BMS (Batteriemanagementsystem), Wechselrichter und weitere Komponenten durch Erfassung und Analyse von Daten zur Steuerung und Optimierung der Gesamtsystemleistung.

Schließlich gibt es die Microgrid-Software zur Verwaltung und Steuerung lokalisierter Netzsysteme, die die Energieverteilung aus verschiedenen Quellen, einschließlich erneuerbarer Energien, optimiert. Sie unterstützt Echtzeitanalysen und automatisierte Steuerungen, um Stabilität und Leistung aufrechtzuerhalten.

Die Systemsimulation eignet sich gut für die Bewältigung einer Vielzahl von Konstruktionsanforderungen. Lassen Sie uns das etwas genauer untersuchen und einige technische Aspekte und wichtige Funktionen des Tools betrachten.

Warum Simcenter Amesim die ideale Lösung für BESS ist

Ausgelöst durch sich ändernde Anforderungen des Energiemarkts, müssen BESS immer effizienter und zuverlässiger werden, während sie unter neuen flexiblen Betriebsmustern arbeiten.

Anwender müssen BESS digital untersuchen, um teure Testzeiten zu reduzieren und bereits zu einem frühen Zeitpunkt in den Konstruktionszyklen Vertrauen in ihre Produkte zu gewinnen. Gleichzeitig müssen BSS, um wettbewerbsfähig zu bleiben, in der Herstellung und im Betrieb günstiger werden.

Tatsächlich können BESS-Systeme in verschiedene Funktionen und Subsysteme unterteilt werden. Die gute Nachricht ist, dass Simcenter Amesim alle Funktionen bietet, um jedes dieser Probleme separat zu lösen und sie anschließend in einem zweiten Schritt zu kombinieren, um das vollständige dynamische Verhalten über verschiedene Szenarien hinweg zu untersuchen.

In der Praxis gibt es zahlreiche Herausforderungen zu lösen. Sie reichen von der üblichen Dimensionierung oder dem Wärmemanagement inklusive HLK- oder Flüssigkeits-Luft-Kühlsystemen bis hin zu fortgeschrittenen Analysen wie Alterung und SoH (State of Health) der Batterien über einen langen Zeitraum von vielen Jahren, der Anbindung an Netze/Micro-Grids, der Leistungselektronik oder der Künstlichen Intelligenz (KI) mit Modellen reduzierter Ordnung (RM) und neuronalen Netzen.

Schließlich gewährleistet die Simulation die Kontinuität durch Wiederverwendung der Modelle und Daten im gesamten Produktentwicklungsprozess. Dabei ist die Interoperabilität und reibungslose Kommunikation zwischen allen Abteilungen in Ihrem Unternehmen sicherzustellen. Die Fabrik mit digitalen Zwillingen löst Ihre Probleme im Konstruktionsbereich!

Alle Funktionen, die Sie für die BESS-Analyse benötigen

Eigentlich sind wir schon seit vielen Jahren erfolgreich als Hersteller von Batterien und elektrischen Systemen in Simcenter Amesim tätig. Ursprünglich war es für Elektrofahrzeuge in der Automobilindustrie gedacht. Inzwischen gibt es einen großen Trend zur Wiederverwendung ähnlicher Batterietypen für erneuerbare Energien in der Energiewirtschaft.

So können wir die bewährten Technologien an diese neuen BESS-Anwendungsarten anpassen. Es geht vor allem darum, die Systeme auf diese neuen Anforderungen (Kapazitäten im MWh- oder GWh-Bereich statt kWh für Pkw) zu skalieren und die digitalen Zwillinge so zu gestalten, dass sie die verschiedenen BESS-Komponenten (Racks, Container, Gesamtsystem …) repräsentieren.

Wir fangen nicht bei Null an, sondern gehen von einer bestehenden Datenbank mit gebrauchsfertigen Vorlagen aus. Entweder komplett mit Simulation einschließlich diskretisierter thermischer Netzwerke mit Modellen konzentrierter Parameter. Oder durch umfangreichere Analysen mittels 1D/3D-Kopplungen (typischerweise mit 3D-CFD für detaillierte Fluid- und thermische Analysen), Modell reduzierter Ordnung (ROM) oder Künstlicher Intelligenz (KI) mit neuronalen Netzen. So können Anwender lange Szenarien analysieren, die innerhalb weniger CPU-Sekunden sehr schnell ausgeführt werden.

Anwender können auch das thermische Durchgehen der Batterie untersuchen, was ein wichtiges Sicherheitsproblem darstellt. Die Simulation kann problemlos die Auswirkungen des thermischen Zellverhaltens bewerten, das die Ausbreitung innerhalb des Batteriemoduls fördert oder verhindert.

Auch die Kühlung des Containers mit HLK (Klimatisierung) oder Flüssigkeits-/Luftkühlung ist möglich, ebenso wie der Einfluss der Stromschienen. Anwender können sogar direkt 3D-CFD-Berechnungen innerhalb von Simcenter Amesim mit „eCFD“ („Embedded CFD“) kombinieren, d. h. Simcenter STAR-CCM+ wird direkt in Simcenter Amesim integriert, um die 3D-Stromlinien, Geschwindigkeitsprofile und Temperaturgradienten zu erhalten, die die 1D-Subsysteme und Steuerungen in der 3D-Umgebung der Container kombinieren (mit Ein- und Auslasspositionen, Einfluss der Sonnenenergiestrahlung oben auf das Containerdach …). So erhalten Sie alle Details des detailgetreuen 3D-CFD-Modells und behalten dennoch die Vorteile der Systemsimulationsbeschreibung mit schneller CPU-Zeit bei.

Schließlich ähnelt die Konfiguration von Racks, Modulen und Fächern in den BESS-Containern dem, was seit Jahren für die Kühlung von Rechenzentren mit Simcenter Amesim für die virtuelle Inbetriebnahme umgesetzt wird, wobei Simulation und SPS in einem einheitlichen Framework kombiniert werden. Sie ermöglicht Ihnen, Ihre Steuerungslogiken und -szenarien im Voraus zu testen, um Erfolg zu garantieren, wenn sie in der Fertigung mit der auf die Hardwaregeräte zugeschnittenen Software implementiert werden. Auf diese Weise erhalten Sie vom ersten Versuch an optimale Ergebnisse im Betrieb!

Vollständige Systemintegration

Wie bei der Erzeugung von grünem Wasserstoff können Anwender die BESS-Leistung in wenigen Sekunden für realistische Szenarien mit Produktion über Monate durch Windturbinen, Solarmodule usw. vorhersagen. Am Ende wird grüne Energie erzeugt, im BESS gespeichert und bei optimalem Bedarf ins Stromnetz eingespeist, um in Wohnanlagen (Gebäude, Häuser) oder Industrieanlagen/Fabriken genutzt zu werden. Damit Ihr CO2-Fußabdruck deutlich reduziert wird.

Das hier gezeigte Modell sagt die Leistung des Systems in Abhängigkeit von den meteorologischen (Wetter-)Bedingungen und dem Standort des Systems voraus. Nach der Durchführung schneller Simulationen, die in wenigen Minuten für das gesamte 1 Jahr (12 Monate) ausgeführt wurden, können mehrere Architekturen oder die Auswahl der Komponentengrößen bewertet werden, um die effizientesten und rentabelsten Konstruktionen auszuwählen. Was für eine beachtliche Leistung!

Eingangsseitig können Sie die intermittierenden erneuerbaren Energiequellen wie Sonnenkollektoren genau vorhersagen. So kann jeder seine einzigartigen Betriebsbedingungen simulieren, um zu verstehen, wie das System arbeitet. Sie können die Größe des Solarpanels aus der Anzahl der Solarfelder, der Anzahl der Zellen und der einzelnen Zellenfläche ändern. Sie können die Stadt eingeben, in der Sie sich befinden, oder deren GPS-Position , die Wetterbedingungen, ob es bewölkt ist oder nicht , den Bodenreflexionskoeffizienten oder den Trübheitsfaktor. Dann sehen Sie die tages- oder monatsbezogene Energieerzeugung und kennen somit die Ergebnisse für alle Jahreszeiten .

Ausgangsseitig lassen sich auch die „reinen“ elektrischen Aspekte vertiefen, bis hin zur Leistungselektronik (Wechselrichter, AC/DC-Wandler …) und Mikronetzen. Sie können Ihren Strommix über Monate hinweg prüfen. Vergleichen Sie z. B. den Saldo im Dezember (Winter) mit dem im Juni (Sommer). Um letztendlich die Kompatibilität mit der elektrischen Last zu überprüfen und sicherzustellen, dass alles ordnungsgemäß ins Netz eingespeist werden kann.

Nur um zu sagen, dass die Simulation perfekt und bestens geeignet ist, um hervorragende Nachhaltigkeitserfolge durch BESS in Ihrem Unternehmen zu erreichen.

Alle sind beeindruckt von all diesen Möglichkeiten, großartige Ergebnisse zu erzielen. Aber nicht nur während des Produktentwicklungsprozesses mit „Simulation for Design“ können Sie von unseren Möglichkeiten der Systemsimulation profitieren, um Ihre BESS-Ziele zu erreichen. Es ist auch die „Simulation in Operations“, bei der praktische signifikante Gewinne direkt vor Ort, in der Nähe der Hardware-Geräte, erzielt werden können.

Zusammenfassung

Zusammenfassend erfordert die Integration von BESS in die Produktentwicklung einen strategischen Ansatz, frühzeitige Überlegungen und fortgeschrittene Tools wie physikbasierte digitale Zwillinge, um die Komplexität zu bewältigen und BESS als Wettbewerbsvorteil zu nutzen.

Die Simulation trägt dank der Digitalisierung definitiv zum Erfolg Ihres BESS-Vorhabens bei.

Erfahren Sie mehr über Simcenter Amesim

Simcenter Amesim ist die führende integrierte, skalierbare Systemsimulationsplattform, die es Systemsimulationsingenieuren ermöglicht, die Leistung mechatronischer Systeme virtuell zu bewerten und zu optimieren.