Mikronetz Batteriespeicher Dimensionierung: kW/kWh-Methode mit PF und induktiven Lasten

Die Auslegung einer Microgrid-Batterie beginnt bei der Last: Sie dimensionieren kW und kWh so, dass der Standort sowohl im Parallelbetrieb zum Netz als auch im Inselbetrieb stabil bleibt und zugleich Ride-through- sowie Wirtschaftlichkeitsziele erfüllt.

Diese Seite beschreibt eine praxisnahe Methode zur Auslegung hybrider Microgrids (Netz + PV + Aggregat + BESS), in denen Leistungsfaktor (PF) und induktive Lasten wie Motoren, Luftkompressoren und Pumpen üblich sind. Außerdem wird erklärt, warum es eine Designfalle ist, die Batterieleistung „perfekt“ an die mittlere Last anzupassen.

microgrid battery sizing hybrid microgrid schematic

Last-Hüllkurve definieren (nicht nur eine Zahl)

Beginnen Sie mit einem Lastprofil, das fein genug aufgelöst ist, um die tatsächlichen Ursachen von Unterbrechungen und Generatorstress abzubilden.

  • Kritische Last vs. nicht-kritische Last (früh segmentieren; Kontinuitätskosten sind nicht uniform).
  • Grundlast (kW) und Spitzenlast (kW) sowie Sprungänderungen (ΔkW) durch Motorstarts und Prozessereignisse.
  • Leistungsfaktor (PF): für die Planung 0,9 annehmen, aber prüfen, ob einige Betriebszustände Richtung 0,8 fallen.
  • Zulässiges Unterbrechungsfenster: minutenbasiert (Black Start), ~20 ms-Klasse (STS) oder 0 ms (Online-USV).

Elektrische Realität abbilden: kW vs. kVA, PF-Reserve

Wenn Ihre Lasten Asynchronmotoren, Kompressoren, Pumpen oder VFD-getriebene Anlagen umfassen, erzählt kW allein nicht die ganze Geschichte. Wechselrichter und Schaltgeräte „sehen“ kVA-Bedarf. Ein Design, das kW „trifft“, kann dennoch unterdimensioniert sein, wenn PF absackt oder Blindleistungsbedarf sprunghaft ansteigt.

  • Faustregel: für die Planung PF=0,9 als typisch ansetzen und PF=0,8 als Stressfall prüfen.
  • kVA ≈ kW / PF. Beispiel: 500 kW bei PF 0,9 sind ~556 kVA; bei PF 0,8 sind es 625 kVA.
  • Die Batterieleistung (kW) sollte Redundanz enthalten, um während Transienten Spannung/Frequenz zu halten – insbesondere im Inselbetrieb.

Batterieleistung (kW) dimensionieren: zuerst Stabilität und Transienten

In Microgrids wird die Batterieleistung (kW) häufig zuerst für Stabilität und Störungsantwort ausgelegt und erst danach für Energieshifting. Deshalb scheitert die „perfekte Anpassung“ oft: Sie ignoriert Transienten und Regelreserve.

  • Stabilitätsreserve im Inselbetrieb: genügend Wechselrichter-Headroom vorhalten, um bei der schlimmsten glaubwürdigen Sprungänderung die Busspannung/-frequenz zu regeln.
  • Anläufe induktiver Lasten: Einschalt-/Beschleunigungsereignisse unterstützen (Motoren, Kompressoren, Pumpen).
  • Aggregat-Koordination: Die Batterieleistung sollte Leistung aufnehmen oder liefern können, um das Aggregat in einem gesunden Lastbereich zu halten.
  • Netzstützung: Die Batterieleistung sollte schnelle Fluktuationen am Standort abdecken, damit Ereignisse in einem schwachen Netz nicht zu PV-Trips oder Prozessstopps eskalieren.

Batterieenergie (kWh) dimensionieren: ‘PV-Deckstunden’ von ‘Nicht-PV-Stunden’ trennen

Für hybride Microgrids ist es praxisnah, den Tag aufzuteilen in: (1) Stunden, in denen PV einen sinnvollen Anteil der Last tragen kann, und (2) Stunden, in denen PV das nicht kann (Nacht / geringe Einstrahlung / Abregelungsfenster).

Ein einfacher Workflow (im Einklang mit Ihrem beschriebenen Ansatz):

  • Von der Lastseite starten: täglichen Energiebedarf (kWh) für kritische + nicht-kritische Segmente definieren.
  • PV-Deckungsziel definieren: z. B. den PV-Anteil an der Last maximieren, wo es wirtschaftlich sinnvoll ist und der Standort es aufnehmen kann.
  • Standort-Einstrahlungs-/PV-Produktionsdaten nutzen, um PV-Energie stundenweise zu schätzen (typischer Tag, Saison-Tag, schlechtester Monat).

Batterie-kWh so auslegen, dass die Microgrid PV-Energie in Nicht-PV-Stunden verschieben und die SOC-Reserve-Policy einhalten kann.

SOC-Reserve-Policy definieren (nicht verstecken)

SOC-Reserve ist kein Nachgedanke; sie ist der Vertrag zwischen Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit. Ihr EMS erzwingt die Reserve, um Ride-through und Kontinuitätsverhalten zu garantieren.

  • Reserve für Ride-through/Transfer: genügend Energie, um das Zeitfenster Ihrer Kontinuitätsstrategie und der Startsequenz des Aggregats abzudecken.
  • Reserve für kritische Lasten: ein garantiertes SOC-Minimum halten, damit die empfindlichsten Lasten geschützt bleiben.
  • Wirtschaftliches SOC-Band: Das verbleibende SOC-Fenster wird für PV-Verschiebung, Dieseloptimierung sowie Netzimportbegrenzung/Peak Shaving genutzt.

Häufige Auslegungsfehler (und wie man sie vermeidet)

  • kW nach Durchschnittslast dimensionieren statt nach worst credible transient + PF-Stressfall.
  • kWh aus „Autonomietagen“ ableiten, ohne PV-Deckstunden von Nicht-PV-Stunden zu trennen.
  • Lastsegmentierung ignorieren (alles als kritisch behandeln, was unnötige Kosten treibt).
  • Keine explizite Reserve-Policy: Das System liefert entweder zu wenig Zuverlässigkeit oder lässt Erlöse liegen.

Kurz-Checkliste für ausschreibungs-/beschaffungsreife Auslegungsinputs

  • Lastprofil: 15‑min- oder 1‑min-Auflösung (mindestens) sowie Liste der wichtigsten induktiven Lasten und ihres Startverhaltens.
  • PF-Bereich: typisch und Worst Case (0,9 typisch, 0,8-Szenarien verifizieren).
  • Kontinuitätsziel: Black Start vs. STS vs. Online-USV sowie welches Lastsegment es benötigt.
  • PV-Profil: stündliche Erzeugungsschätzung nach Saison sowie Kopplungs-/Wechselrichterrestriktionen.
  • Aggregatdaten: Nennleistung, Hinweise zur Mindestlast, Kennlinienpunkte des Verbrauchs, falls verfügbar.
  • Netzbegrenzungen: Begrenzung der Netzbezugsleistung, Entlastungsbedarf der Trafo-/Netzanschlusskapazität sowie Probleme der Spannungs- und Frequenzstabilität.

FFD POWER Hinweis

FFD POWER dimensioniert hybride Microgrids typischerweise rückwärts von der Last aus und trennt dabei Leistungsanforderungen (kW/kVA) von Energieanforderungen (kWh).

Beispiel – kompressorgetriebene Fabriklast
Eine Fabrik betreibt 10 × 37 kW Luftkompressoren von 08:00–18:00 (10 Stunden). Die Nenn-Wirkleistung beträgt:

P ≈ 10 × 37 kW = 370 kW

1) Leistungsdimensionierung (kW / kVA): warum 370 kW nicht ausreichen

Bei Motor-/Kompressoranlagen muss die Batterie-PCS (Wechselrichter) nicht nur kW, sondern auch Leistungsfaktor (PF) und Transientenverhalten (Starts, Stufenlasten, Kurzzeitüberlast) abdecken.

Wenn PF ≈ 0,8 ist, beträgt die Scheinleistung:

S ≈ 370 / 0.8 = 462.5 kVA

Mit praxisnaher Redundanz für Motordynamik und Kontinuitätsreserve (z. B. Stufensprünge / Startunterstützung / Kurzzeit-Overload-Headroom) wird das System häufig in Richtung folgender Größenordnung abgestimmt:

~500-kW-Klasse PCS-Leistung (Größenordnung)

Das verhindert eine „Papierauslegung“, die in kW gut aussieht, aber unter realen Motorbedingungen versagt (Spannungseinbruch, Überlastauslösung oder zu schneller Verbrauch der EMS-Reserve).

2) Energiedimensionierung (kWh): warum „10 Stunden = 3700 kWh“ meist zu grob ist

Eine brute-force-Backuprechnung wäre:

E_brutal ≈ 370 kW × 10 h = 3,700 kWh

In den meisten hybriden Microgrids überlappt die PV-Erzeugung jedoch stark mit dem Betriebsfenster der Fabrik (08:00–18:00). Dadurch muss die Batterie nicht 10 Stunden lang die volle Last liefern. Stattdessen deckt die Batterie hauptsächlich:

Anlauf am Morgen, bevor PV hochfährt,

PV-Schwankungen (Wolkentransienten),

Abfall am späten Nachmittag,

kurze PV-Defizite gegenüber der Last,

und die konfigurierte SOC-Reserve für Ride-through-/Kontinuitätsziele.

Daher kann die erforderliche Batterieenergie deutlich geringer ausfallen – abhängig von:

lokaler Solarressource (Einstrahlungsprofil),

installierter PV-Leistung (kWp),

zulässiger Abregelung/Lastabwurf-Policy,

und der gewählten SOC-Reserve-Strategie.

In vielen Regionen und bei sinnvoller PV-Auslegung kann bereits eine 2–4‑Stunden-Batterie (bei der Ziel-Entladeleistung) tägliche Energiebilanz und Kontinuitätsziele erreichen:

2 h @ 370 kW → ~740 kWh

4 h @ 370 kW → ~1,480 kWh

Anschließend wird das EMS mit SOC-Reservebändern und Prioritätsregeln (kritische vs. nicht-kritische Lasten, Kompressor-Staging-Logik, Generator-Startschwellen falls zutreffend) so abgestimmt, dass die Kontinuitätsanforderung erfüllt wird und gleichzeitig die Anfangs-CAPEX gegenüber einer überdimensionierten „10‑Stunden‑Batterie“ sinkt.

FAQ

Wie wähle ich kW vs. kWh für die microgrid battery sizing?

Zuerst kW für Stabilität, PF-Reserve und Transienten (Motoren/Stufen) auslegen. Danach kWh anhand der zu verschiebenden Energie (PV-Deckstunden vs. Nicht-PV-Stunden) plus SOC-Reserve-Policy bestimmen.

Welchen PF sollte ich in der frühen Auslegung annehmen?

PF 0,9 ist ein sinnvoller Planungs-Default, aber Sie sollten PF 0,8 als Stress-Test prüfen, wenn der Standort viele induktive Lasten hat oder PF-Probleme bekannt sind.

Warum ist es eine schlechte Idee, Batterie-kW an die Last anzupassen?

Weil Microgrids kVA-Bedarf, transiente Sprünge und Regelreserve beherrschen müssen. Eine „perfekte Anpassung“ versagt häufig bei Motorstarts, PF-Einbrüchen oder Stabilitätsereignissen im Inselbetrieb.

Wie beeinflusst PV die Batterie-kWh-Auslegung?

Die Batterie-kWh werden weitgehend davon bestimmt, wie viel PV-Energie Sie speichern und in Nicht-PV-Stunden verschieben wollen, plus der Reserve für Ride-through und Eventualitäten.

Brauche ich in einer hybriden Microgrid immer ein Aggregat?

Nicht immer, aber in Schwachnetz- oder Hochverfügbarkeitsanwendungen kann ein Aggregat Langzeit-Backup liefern. In vielen Designs ermöglicht die Batterie einen effizienten Aggregatbetrieb, statt es vollständig zu ersetzen.