Standardisierung: Sehen Sie Ihr BESS mit Standard-Augen

In unserem vorherigen Blogartikel haben wir besprochen, welche Tests bei Fabrikabnahmetests (FATs) und Standortabnahmetests (SATs) auf Batterieenergiespeichersysteme (BESS) angewendet werden sollten. Aber wie bewerten wir ein BESS aus technologischer und konfigurationstechnischer Sicht, um sicherzustellen, dass es den aktuellen Branchenparametern und -merkmalen in Bezug auf Leistung und Sicherheit entspricht?

Hier kommen die aktuellen Standards ins Spiel. Wie bereits erwähnt, arbeiten Normungsorganisationen unermüdlich daran, mit den Fortschritten bei Lithium-basierten Batterie- und BESS-Technologien Schritt zu halten, weshalb die Verwendung dieser Leitlinien und/oder Spezifikationen, die von weltweit anerkannten Experten und Behörden in der Branche erstellt wurden, von entscheidender Bedeutung ist. Dieser Artikel beschreibt die relevanten Standards, die für ein BESS gelten.

Wenn wir über Standards sprechen, ist der Schlüssel zu verstehen, dass ein BESS ein Ganzes ist, das aus der Summe seiner Teile besteht. Wenn wir also eine BESS auf den Kopf stellen und von ihrem kleinsten Teil aus beginnen, erhalten wir Folgendes:

• Die Zelle Ist der grundlegendste Teil der Batterie, die einen Gleichstrom (DC) aus einer elektrochemischen Reaktion zwischen ihren Komponenten speichert und erzeugt.
• Wenn wir eine Gruppe von Zellen parallel und in Reihe verbinden und sie einschließen, haben wir jetzt eine Modul (oder Packung)¹.
• Schließlich, wenn wir mehrere Module zusammen stapeln, haben wir jetzt eine Batterie Gestell.

Eine Zelle, ein Modul oder ein Rack, die in der Lage ist, Gleichstromenergie zu speichern, ist der Reservoirteil einer Batteriespeicheranlage, der dem Wasser in einem Wasserkraftwerk entspricht. Ein Energieumwandlungssystem ist erforderlich, um diese gespeicherte Energie in Energie umzuwandeln, wie die Turbine in einem Wasserkraftwerk.

Für BESS ist das Energieumwandlungssystem (PCS) ein Wechselrichter (ein leistungselektronisches Gerät), der die Gleichstromleistung der Batterien in Wechselstrom umwandelt. Bitte beachten Sie, dass es einen leichten Unterschied zwischen der Leistung Umrechnung System und die Macht Konditionierung System über verschiedene Standards, aber wir werden diese Erklärung für eine andere Diskussion verlassen. In diesem Artikel beziehen wir uns auf PCS als Wechselrichter.

Alles vor dem PCS ist dann „eine Batterie“. In der Regel wird die Energiekapazität der Batterien in Wattstunden beschrieben, da Energie = Leistung × Zeit ist. Stromabwärts vom Wechselrichter (oder PCS) wird es in Watt umgewandelt, weil Leistung = Energie / Zeit.

Batterien haben spezifische Mindestleistungs- und Sicherheitsanforderungen, die in den oben genannten Normen festgelegt sind. Standards auf Batterieebene unterscheiden in der Regel zwischen der Zelle, dem Modul und dem Rack. Für die Standards, nach denen eine Batterie zertifiziert werden kann, wird diese Differenzierung angegeben. In der Regel ist die Einhaltung der Batteriestandards auf Zell-, Modul- und Rackebene (wie in Abbildung 1) erforderlich.

Bei Blanboz sind wir der Ansicht, dass Standards für BESS im Allgemeinen in zwei verschiedene Kategorien unterteilt sind:

• American vs European (oder International), z.B. IEC vs UL. Wir wissen, dass es eine übermäßige Vereinfachung ist, aber es hilft uns, besser zu verstehen. Wir lieben sie alle.
• Sicherheitsstandards im Vergleich zu Leistungsstandards.

Sicherheitsstandards auf Batterieebene

Underwriters Laboratory (UL) hat seinen Sitz in den USA und ist vollständig von der Occupational Safety and Health Administration (OSHA) zugelassen und zugelassen, um Sicherheitsstandards zu schreiben. Einige ihrer Standards sind für BESS von grundlegender Bedeutung und werden in der Branche weithin gefordert und anerkannt. Inzwischen hat die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) ihren Sitz in Genf, Schweiz, und ist eng mit der Internationalen Normenorganisation (ISO) verbunden. IEC-Standards sind international und basieren auf Beiträgen aus praktisch allen Ländern der Welt, was bedeutet, dass ihre Veröffentlichungen und Richtlinien immer von entscheidender Bedeutung sind.

Bei Blanboz betrachten wir UL 1973² die umfassendste Sicherheitsnorm für Batterien in einem BESS, zusammen mit seinem IEC-Pendant, IEC 62619.³ Beide Standards sind in der Branche weit verbreitet. Wir erwarten normalerweise, dass die Batterien eines BESS sowohl nach UL- als auch nach IEC-Standards auf Zell-, Modul- und Rack-Ebene zertifiziert sind.

Es ist erwähnenswert, dass einer der ersten weit verbreiteten Lithiumbatteriestandards in der Branche UL 1642 war.⁴ Aber für BESS ist diese Norm heute in UL 1973 enthalten und erweitert. Es ist immer noch üblich, Batterien zu finden, die im Rahmen der UL 1973-Zertifizierung nach dieser Norm in der Industrie zertifiziert sind. UL 1642 an sich ist jedoch eine Grundnorm und fehlt die Vollständigkeit von UL 1973.

Zusätzlich wird für BESS die Norm IEC 62619 von der Norm IEC 63056 begleitet.⁵ Standard. Dies ist ein relativ kurzer Standard von nur 24 Seiten unter dem Dach der IEC 62619 und erweitert die Testanforderungen für Batterien, die in einem BESS verwendet werden. Bei Blanboz empfehlen wir Benutzern, diesen Standard sowie die IEC 62619 zu befolgen. Wir verstehen jedoch, dass es derzeit in der Branche nicht weit verbreitet ist.

Eines der Hauptrisiken von Lithiumbatterien besteht darin, dass die Temperatur der Zellen, wenn sie nicht ausreichend kontrolliert wird, in einer Kettenreaktion, die als thermisches Auslaufen (TR) bekannt ist, unkontrolliert zunehmen kann. TR beginnt immer auf Zellebene, aber Ressourcen für seine Verwaltung und Eindämmung sollten auf allen Ebenen eines BESS auftreten. Hier setzt die UL 9540A an⁶ Testmethodik kommt ins Spiel. Bitte beachten Sie, dass UL 9540A häufig, aber fälschlicherweise als Standard angesehen wird. Es handelt sich lediglich um eine Testmethodik. Es stammt aus der UL 9540⁷ Standard, der ein Sicherheitsstandard für BESS ist (mit dem wir das gesamte System meinen, nicht nur Batterien!). Der Zweck von UL 9540A ist es, eine Testmethodik zu etablieren, um nach möglichen Stimuli für TR auf Zellebene zu suchen und die Prävention und Eindämmung des Feuers zu bewerten, oder mit anderen Worten, die Brandausbreitung auf Modul-, Rack- und Systemebene zu bewerten. Die Methodik bewertet somit die Gefahrenmanagementstrategien des Systems zur Abschwächung der Ursachen und Folgen von TR. Wir erwarten, dass verschiedene Tests auf Basis von UL 9540A auf mehreren Ebenen eines BESS durchgeführt werden.

Eine weitere gemeinsame Sicherheitsanforderung für Batterien ist der von den Vereinten Nationen ausgearbeitete Transportstandard. Es ist in ihrem Handbuch der Tests und Kriterien, Teil III enthalten: Einstufungsverfahren, Prüfverfahren und Kriterien in Bezug auf verschiedene Gefahrenklassen, Abschnitt 38.3: Lithium-Metall- und Lithium-Ionen-Batterien. Es wird allgemein einfach als UN38.3 bekannt.⁸ Batterien können nach diesem Standard von der Zelle bis zur Modulebene getestet und zertifiziert werden, um ihre Sicherheit während des Transports zu gewährleisten.

Leistungsstandards auf Batterieebene

Wenn es um Standards zur Bewertung der Leistung von Lithium-Batterien für den BESS-Einsatz geht, verwenden wir bei Blanboz die IEC 62620.⁹ als unsere wichtigste Referenz. Schauen Sie sich unseren vorherigen Blog-Artikel an, um einen Einblick in unseren Ansatz für Batterieleistungstests zu erhalten oder Kontaktieren Sie uns Für Unterstützung!

Siehe Abbildung 2 für einen Überblick über die wichtigsten Normen für Batterien für BESS auf Lithiumbasis.

Batterie-Energiespeichersysteme (BESS): Systemebene

Mit den oben identifizierten und erläuterten Standards können wir die Batterien eines BESS umfassend bewerten. Wenn wir jedoch auf die System- oder Installationsebene kommen, heben neue Themen den Kopf. Wie in Abbildung 3 gezeigt, haben wir, wenn wir die Batterien mit einem PCS verbinden und mit der Erzeugung von Wechselstrom beginnen, ein BESS.¹⁰ Unter Verwendung der IEC-Normennomenklatur wird die Kombination der Batterien mit dem PCS als primäres Teilsystem bezeichnet.

Neben dem oben genannten etablierten primären Teilsystem verfügt ein BESS auch über:

• Ein Steuerungsteilsystem, bestehend aus dem Batteriemanagementsystem (BMS), dem Energiemanagementsystem (EMS) des Systems und Fernsteuerungs- und Kommunikationsfunktionen (allgemein bekannt als SCADA, wobei wir auch die Einbeziehung von Batteriesteuerungen oder Kraftwerkssteuerungen betonen möchten).
• Hilfsuntersysteme, von denen die wichtigsten sind:
  • Das thermische Management der Komponenten, das normalerweise ein HLK-System und – für die neuesten BESS-Konstruktionen – einen Kühler für die Flüssigkeitskühlung umfasst.
  • Brandbekämpfungsfunktionen des Systems (Brandverhütung und -unterdrückung sowie Explosionsschutz)
  • Sonstige Hilfssubsysteme (z. B. Beleuchtung)

Manchmal wird das Transformator- und Schaltanlagen-Subsystem, das das Verbindungs-Subsystem ist, nicht berücksichtigt. Beide Iterationen sind korrekt und können als BESS betrachtet werden. Siehe Abbildung 4 für die Hauptkomponenten eines BESS.

Vor diesem Hintergrund verfügt jedes dieser Teilsysteme über Normen, die die gewünschten Merkmale festlegen. Diese Normen sind wiederum in Sicherheits- und Leistungsanforderungen unterteilt. Diese spezifischen Normen werden in diesem Artikel nicht behandelt; die wesentlichen Normen werden jedoch in den nachstehend genannten Normen genannt.

BESS-Sicherheitsstandards auf Installationsebene

Wir bei Blanboz betrachten die umfassendsten Sicherheitsstandards für BESS als UL 9540, einschließlich der Nachzuchtprüfmethode UL 9540A und des IEC-Pendants IEC 62933-5-2.¹¹ in Abstimmung mit IEC 62933-5-1¹². Beachten Sie aus ihren Titeln, dass diese Standards für jedes vollständige Energiespeichersystem (ESS) gelten, nicht nur für Lithium-basiertes ESS. Sie berücksichtigen zusätzlich das PCS, das Kommunikationssystem, das Systemgehäuse und die Brandstrategie (Erkennung, Unterdrückung, Explosionsschutz und Ausbreitung) unter anderem Merkmale kompletter Anlagen. In diesen Normen sind alle Mindestsicherheitsanforderungen für ein BESS zusammengefasst und spezifische Verweise auf andere erforderliche Normen enthalten.

Eine Sache, die wir bemerken, ist, dass, weil UL 9540A sich auf die Ausbreitung von Feuer aufgrund von thermischem Runaway auf Zellebene konzentriert, diese Standardprüfmethode immer mit Batterien verbunden ist. Tatsächlich handelt es sich um einen ESS-Standard, der alle Ebenen bis zur Installationsebene abdeckt. Darüber hinaus zielt diese Testmethode darauf ab, die Temperatur, die freigesetzten Gase und die Eindämmungsmaßnahmen von der Batterieebene bis zur Installationsebene zu bewerten. Die Norm bewertet die Wirksamkeit der Sprinkleranlage und des Brandschutzplans für das gesamte BESS. Derzeit ist die Bewertung auf der Grundlage dieses Standards die Standardeinstellung der Branche, obwohl der Standard technisch nicht obligatorisch ist.

Darüber hinaus fungieren die Normen IEC 62933-5-2 und 62933-5-1 als umfassende Normen (oder Richtlinien), aber aufgrund der verschachtelten Beziehung zwischen den NFPA- und UL-Normen werden die IEC-Normen in der Industrie nicht häufig angetroffen oder weit verbreitet angenommen.

Nachdem wir gerade die NFPA-Standards erwähnt haben, sollten wir erklären, was sie sind. Die National Fire Protection Association ist eine US-amerikanische Normungsorganisation, die sich auf Brandschutz und -minderung konzentriert. Wenn es um BESS geht, werden seine Standards von der Branche vollständig anerkannt und übernommen. Ein vollständig feuerfestes BESS muss über Brandschutz-, Unterdrückungs- und Explosionsschutzfunktionen verfügen. Diese Eigenschaften sind in den folgenden NFPA-Standards beschrieben:

NFPA 13: 2019 Standard für die Installation von Sprinkleranlagen
NFPA 2010: 2019 Standard für ortsfeste Aerosolfeuerlöschsysteme
NFPA 72: Nationales Brandmelde- und Signalgebungsgesetz 2018
NFPA 69: 2018 Normen für Explosionsschutzsysteme
NFPA 68: 2018 Norm zum Explosionsschutz durch Deflagration Venting

Die spezifischen Brandbekämpfungsanforderungen für BESS sind in der umfassendsten Richtlinie für bewährte Verfahren im Brandmanagement, der NFPA 855, zusammengefasst.¹³ Standard, der eine vollständige und detaillierte Zusammenstellung der Brandschutzanforderungen für BESS ist. Es ist eng mit den BESS UL-Normen verbunden, da ihre Anforderungen miteinander verflochten sind. Da Feuer bei BESS immer ein wichtiges Anliegen ist, empfehlen wir immer die vollständige Einhaltung der NFPA 855 und der damit verbundenen Standards.

Die Beziehung zwischen NFPA 855 und UL 9540

Die Normen NFPA 855 sind die Mindestanforderungen für die Brandminderung, während UL 9540 ein allgemeiner Kompatibilitäts- und Sicherheitsstandard ist. Beide Standards gelten für alle Arten von ESS und umfassen elektrochemisch-basierte Energiespeichersysteme (BESS).

In Kapitel 4 der Fassung von NFPA 855 aus dem Jahr 2023 wird erklärt, dass Speichersysteme gemäß UL 9540 förmlich bewertet (gelistet) werden müssen. Diese Anforderung ist auch in der 2020-Version der Norm NFPA 855 enthalten.

Darüber hinaus heißt es in Anhang A der Fassung von NFPA 855 aus dem Jahr 2023 im Wesentlichen, dass zur Bewertung eines Speichersystems ein gleichwertiges oder überlegenes System oder Verfahren in Bezug auf die Sicherheit verwendet werden kann. Wir werden weitere Analysen und einen Vergleich zwischen UL 9540 und seinen IEC-Pendants in Bezug auf Äquivalenz oder Überlegenheit in Bezug auf die Sicherheit in einem zukünftigen Blog-Artikel zur Verfügung stellen. Derzeit wird in der NFPA 855 nicht ausdrücklich die gleichwertige Sicherheitsnorm einer anderen Organisation zu UL 9540 erwähnt.

Schließlich NFPA 855: 2023 wird erwähnt, dass bestehende Lithium-Ionen-ESS, die nicht in der UL 9540-Liste aufgeführt sind, verlangen, dass ihre Risikominderungsanalyse (HMA) von den projektspezifischen zuständigen Behörden überprüft wird. Die Durchführung eines HMA gilt immer als Best Practice der Branche. Wenn Sie Hilfe bei der Erstellung einer Risikominderungsanalyse benötigen oder Bedenken im Zusammenhang mit der Sicherheitskonformität Ihres BESS haben, zögern Sie nicht, Kontaktieren Sie uns.

BESS-Leistungsstandards auf Installationsebene

Für die Leistung drehen sich die Tische und die IEC-Standards werden zur Referenz für die Bewertung der Funktionsweise und Leistungsfähigkeit Ihrer Installation. Der wichtigste Leistungsbewertungsstandard für ein BESS ist IEC 62933-2-1.¹⁴. Es regiert, weil alle Messungen der Wirkleistung, Blindleistung, Energiekapazität und Round-Trip-Effizienz, unter anderem Leistungsmessungen, in ihm gut definiert sind.

Diese Norm wird von den technischen Spezifikationen IEC TS 62933-2-2 begleitet¹⁵ und IEC TS 62933-3-1¹⁶, in denen die Leistungstests für ein BESS in verschiedenen Szenarien näher ausgeführt und spezifiziert werden.

Schließlich lehnen wir es ab, diesen Artikel zu beenden, ohne zu erwähnen, dass, obwohl es keine aktuelle Norm gibt, die sich mit der Leistung des Wärmemanagementsystems eines BESS entweder mit HLK und/oder Flüssigkeitskühlung befasst, die uns bekannt ist, dies eines der Hauptthemen ist, wenn nicht das Hauptthema, das bei der Bewertung der Leistung des BESS zu behandeln ist. Wir stimmen mit dem berühmten Tech-YouTuber Marques Brownlee überein: „Was Ihre Batterie ruiniert, ist Wärme.“¹⁷ Daher sind wir der Ansicht, dass eine gründliche Bewertung des BESS-Kühlsystems auf Zellebene mittels Computational Fluid Dynamics (CFD) und/oder Real-World-Tests durchgeführt werden sollte, um sicherzustellen, dass die Zelltemperatur nicht über die empfohlenen Grenzwerte steigt. Wir gehen davon aus, dass in Zukunft alle BESS-Produktionsunternehmen ihre detaillierten Wärmemanagementdaten zur Überprüfung durch die Kunden vorlegen sollten.

Abbildung 5 zeigt einen Überblick über Standards auf Installationsebene für BESS. Wenn Sie weitere Unterstützung bei einer Technologieüberprüfung, einer technischen Due Diligence oder der Erstellung einer technischen Arbeitgeberanforderung benötigen, können wir Ihnen bei Blanboz helfen!

Wechselrichter- oder PCS-Standards

Wenn wir schließlich speziell die Sicherheitsmerkmale eines PCS bewerten müssen, können wir dies leicht tun, da es sich um ein ausgereiftes und gut standardisiertes Gerät handelt (u. a. dank der Solar-Photovoltaik-Industrie). Dementsprechend suchen wir nach Bewertungen und/oder Zertifizierungen nach UL 1741¹⁸, einschließlich Ergänzung B (UL 1741 SB) und/oder IEC 62109-1¹⁹ und IEC 62109-2²⁰. Dabei handelt es sich um Sicherheitsnormen, die die Konstruktionsanforderungen des Geräts und die anzuwendenden Prüfungen, die an ihm durchzuführen sind, abdecken. Sie sind daher in der Industrie weit verbreitet. Da das PCS als Schnittstelle zwischen den Batterien und dem Netz dient, Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt und/oder elektrische Parameter wie Spannung und Frequenz einstellt, wird die Bewertung seiner Leistung und Fähigkeiten in die Prüfung des BESS als Komplettsystem einbezogen und in der Normenfamilie IEC 62933 detailliert beschrieben.

Über die Autoren:

Tomas Gomez – Gast, Maschinenbauingenieur mit mehr als 13 Jahren Erfahrung im Bau von Öl- und Gasprojekten. Eifrig über mein neu gefundenes Ziel: Unterstützung beim Übergang zu sauberer Energie und Dekarbonisierung durch hochwertiges Engineering. https://www.linkedin.com/in/gomeztag/

Andres Blanco – Projektberater | Managing Director bei Blanboz, einem Ingenieur mit fast 15 Jahren Erfahrung im Bereich der erneuerbaren Energien, wobei sich die letzten sieben bis acht dieser Jahre während des gesamten Projektlebenszyklus vollständig der BESS widmeten. Strom für alle - Batterien führen die Ladung an. Weitere Informationen unter www.blanboz.com , wenn Sie mich kontaktieren möchten, tun Sie dies bitte unter a.blanco@blanboz.com , www.linkedin.com/in/andresblanco77

1. Der Begriff Modul ist in der Branche sehr verbreitet; Diese Konfiguration wird jedoch von einigen Standards und anderen Veröffentlichungen auch als Pack bezeichnet. ↩︎
2. ANSI/CAN/UL 1973:2022. Batterien für den Einsatz in stationären und Motiv-Hilfsstromanwendungen. ↩︎
3. BS EN IEC 62619:2022. Sekundärzellen und Batterien, die alkalische oder andere nicht saure Elektrolyte enthalten – Sicherheitsanforderungen für sekundäre Lithiumzellen und Batterien zur Verwendung in industriellen Anwendungen. ↩︎
4. UL 1642 Ed. 6-2020. Lithium-Batterien. ↩︎
5. BS EN IEC 63056:2020. Sekundärzellen und Batterien, die alkalische oder andere nicht saure Elektrolyte enthalten - Sicherheitsanforderungen für sekundäre Lithiumzellen und Batterien zur Verwendung in elektrischen Energiespeichersystemen. ↩︎
6. ANSI/CAN/UL 9540A Ed. 4-2019. Testmethode zur Bewertung der thermischen Runaway-Feuerausbreitung in Batterie-Energiespeichersystemen. ↩︎
7. ANSI/CAN/UL 9540 Ed. 3-2023. Energiespeichersysteme und -ausrüstung. ↩︎
8. UN38.3: Transporttests für Lithium-Batterien ↩︎
9. IEC 62620:2014/AMD1:2023. Sekundärzellen und Batterien, die alkalische oder andere nicht säurehaltige Elektrolyte enthalten – Sekundäre Lithiumzellen und -batterien zur Verwendung in industriellen Anwendungen. ↩︎
10. DC ESS sind eine Möglichkeit, und es liegt im Anwendungsbereich von UL 9540, sie zu bewerten, jedoch sind wir der Ansicht, dass AC ESS die häufigste Art von BESS und der Schwerpunkt dieses Artikels sind. ↩︎
11. BS EN IEC 62933-5-2:2020. Systeme zur Speicherung elektrischer Energie (EES) – Teil 5-2: Sicherheitsanforderungen an netzintegrierte EES-Systeme - Elektrochemische Systeme. ↩︎
12. IEC TS 62933-5-1:2017. Systeme zur Speicherung elektrischer Energie (EES) – Teil 5-1: Sicherheitserwägungen für netzintegrierte EES-Systeme - Allgemeine Spezifikation ↩︎
13. NFPA 855: 2023. Standard für die Installation von stationären Energiespeichersystemen ↩︎
14. BS EN IEC 62933-2-1:2017. Systeme zur Speicherung elektrischer Energie (EES) – Teil 2-1: Einheitsparameter und Prüfmethoden - Allgemeine Spezifikation. ↩︎
15. BS PD IEC TS 62933-2-2:2022. Systeme zur Speicherung elektrischer Energie (EES) – Teil 2-2: Unit-Parameter und Testmethoden - Anwendungs- und Leistungstests. ↩︎
16. IEC TS 62933-3-1:2018. Systeme zur Speicherung elektrischer Energie (EES) – Teil 3-1: Planung und Leistungsbewertung elektrischer Energiespeichersysteme - Allgemeine Spezifikation. ↩︎
17. YouTube-Video. Ruiniert das schnelle Aufladen tatsächlich Ihre Batterie? https://youtu.be/UpqaQR4ikig?si=-DGnPIGOAj05I1pS ↩︎
18. UL 1741 Ed. 3-2021. Wechselrichter, Umrichter, Regler und Verbindungsanlagen für den Einsatz mit dezentralen Energieressourcen ↩︎
19. IEC 62109-1:2010. Sicherheit von Leistungswandlern zur Verwendung in Photovoltaikanlagen - Teil 1: Allgemeine Anforderungen ↩︎
20. IEC 62109-2:2011. Sicherheit von Leistungswandlern zur Verwendung in Photovoltaikanlagen - Teil 2: Besondere Anforderungen an Wechselrichter ↩︎