Spitzenlastabdeckung mit Energiespeicher: Industrieakku für Spitzenlasten

Das Anfahren einer Produktionslinie, das gleichzeitige Einschalten von Kühlkompressoren oder das Aufladen einer Gabelstaplerflotte verursacht innerhalb weniger Minuten eine Leistungsspitze, die Ihre gesamte jährliche Stromrechnung verteuert. Für das Stromnetz kommt es nicht darauf an, wie viel Energie Sie insgesamt verbrauchen, sondern wie hoch Ihre höchste viertelstündliche Last war. Peak Shaving zielt genau auf diese wenigen Minuten ab: Sie decken den Spitzenbedarf aus der Batterie und nicht aus dem Netz.

In diesem Artikel gehen wir darauf ein, was unter „Peak Shaving“ zu verstehen ist und warum das 15-minütige Messintervall der eigentliche Ausgangspunkt für die Planung ist. Anschließend klären wir den Unterschied zwischen kW und kWh, zeigen, wie man die erforderliche Entladeleistung berechnet und wie C-Rate und DoD die Größe der Batterie beeinflussen.

Abschließend betrachten wir, wie das Peak Shaving mit einem Energiespeicher bei unterschiedlichen industriellen Lastprofilen funktioniert, wie viel eine Leistungsüberschreitung tatsächlich kostet und wann sich die Investition amortisiert. Anhand der FoxESS-Systeme TMax und TMaxPlus führen wir Sie zudem in der Praxis durch eine konkrete Dimensionierung.

Was bedeutet „Peak Shaving“? So funktioniert die batteriegestützte Spitzenlastabdeckung

Peak Shaving bedeutet in der Praxis Folgendes: Man schneidet die höchsten Spitzen der aus dem Netz bezogenen Leistung ab und gleicht den fehlenden Teil durch Batterien aus. Ihr Gesamtenergieverbrauch wird dadurch nicht geringer, die vom Stromzähler erfasste Leistungsspitze hingegen schon.

Das lohnt sich finanziell, da die Stromrechnung für Gewerbekunden auf zwei verschiedenen Grundlagen berechnet wird. Die Energiegebühr zahlen Sie für die verbrauchten Kilowattstunden, die Leistungsgebühr hingegen für die höchste aufgenommene Kilowattleistung. Der Netztarif für gewerbliche und industrielle Verbraucher ist in der Regel genau so aufgebaut: eine Energiegebühr auf kWh-Basis und eine Leistungsgebühr auf kW-Basis, wobei letztere proportional zur höchsten gemessenen Spitzenlast des Abrechnungszeitraums ist.

Die Reduzierung der Spitzenlast mittels Batterie erfolgt in drei Schritten. Der Energiespeicher wird in Zeiten geringer Last aufgeladen, entweder aus dem Netz oder durch Solarstromerzeugung. Wenn sich der Verbrauch dem eingestellten Schwellenwert nähert, schaltet das System automatisch in den Entladezustand um, und der über dem Schwellenwert liegende Anteil wird durch die Batterie gedeckt. Der Zyklus wiederholt sich täglich, wobei das Energiemanagementsystem den Verbrauch, den Ladezustand und die Erzeugung kontinuierlich überwacht.

Es lohnt sich, dies vom „Load Shifting“ abzugrenzen, mit dem es oft verwechselt wird. Beim „Load Shifting“ verlagert man den Verbrauch selbst in einen anderen Zeitraum, beispielsweise verlegt man das Laden der Flotte in die Nacht. Peak Shaving hingegen greift nicht in den technologischen Prozess ein: Die Maschine läuft dann, wenn sie laufen muss, nur aus Sicht des Netzes verschwindet die Spitzenlast. Genau deshalb funktioniert es auch in Betrieben, in denen der Produktionsplan nicht angepasst werden kann.

Warum ist die Analyse und Reduzierung der 15-minütigen Leistungsspitzen bei der Planung des Peak Shaving wichtig?

Bei industriellen Verbrauchern mit zeitbasierter Abrechnung betrachtet der Netzbetreiber keine Momentanwerte. Die Lastkurve besteht aus Viertelstundendaten, und die maximale Leistungsaufnahme ist die vom Zähler erfasste höchste viertelstündliche Durchschnittsleistung. Dieser Wert bildet die Grundlage für die Leistungsgebühr, und dieselbe 15-Minuten-Logik gilt auch in der europäischen Abrechnungspraxis.

Die Folge davon ist, dass nicht jeder Stromstoß teuer ist. Betrachten wir einen Betrieb mit einer Grundlast von 400 kW. Wenn eine Zusatzlast von 250 kW 12 Minuten lang anhält, beträgt der Viertelstunden-Durchschnitt 400 + 250 × (12/15) = 600 kW. Wenn dieselben 250 kW nur 3 Minuten lang anhalten, beträgt der Durchschnitt bereits nur noch 450 kW. Bei gleicher Spitzenleistung ergibt sich ein Unterschied von 150 kW in der Abrechnung.

Deshalb beginnt jede seriöse Planung mit dem Herunterladen der T-Kurve. Man benötigt mindestens 12 Monate an Viertelstundendaten, die man vom Netzbetreiber oder vom Stromversorger erhält. Daraus geht hervor, wie viele Spitzen pro Monat auftreten, wie lange sie andauern und wie viel Energie sie umfassen.

Die Reduzierung der Leistungsspitzen hängt von diesem Datensatz ab. Wenn die Kurve 30–40 kurze, weit auseinanderliegende Spitzen aufweist, ist ein System mit geringer Kapazität, aber hoher Leistung erforderlich. Wenn Sie hingegen täglich wiederkehrende, lange Plateaus sehen, wird die Kapazität zum Engpass. Ohne Daten ist jede Dimensionierung reine Spekulation, und ein falsch eingestellter Schwellenwert kann schon wegen einer einzigen versäumten Viertelstunde die gesamten monatlichen Einsparungen zunichte machen.

kW oder kWh? Die Rolle von Leistung und Energiespeicherkapazität

Die beiden Zahlen beantworten zwei unterschiedliche Fragen. Das Kilowatt gibt an, wie viel das System gleichzeitig abgeben kann, die Kilowattstunde hingegen, wie lange es durchhält. Bei der Planung von Peak Shaving benötigen Sie beides, und die beiden Größen sind nicht gegenseitig austauschbar.

In der Fachwelt wird zwischen leistungsorientierten und energieorientierten Systemen unterschieden; das Verhältnis zwischen beiden ist das Power-to-Energy-Verhältnis. Ein System mit 1 MW / 0,5 MWh ist halbstündig, also leistungsorientiert. Auch die Kostenstruktur gliedert sich in zwei Bereiche: Die Energiekosten (bezogen auf kWh) setzen sich aus den Zellen, den Racks und der DC-Integration zusammen, die Leistungskosten (bezogen auf kW) aus dem Wechselrichter, dem Transformator und der Hochstromverkabelung. Bei der Angebotsanfrage musst du beides separat angeben, da die Angebote sonst nicht vergleichbar sind.

Der häufigste Planungsfehler besteht darin, dass nur in kWh gedacht wird. Ein 200-kWh-Speicher scheint auf dem Papier viel zu sein, aber wenn der Wechselrichter nur 50 kW abgibt, kann er eine Spitzenlast von 120 kW nicht abdecken. Das Gleiche gilt auch umgekehrt: Eine Ausgangsleistung von 150 kW nützt nichts, wenn die dahinterstehende Kapazität nach 20 Minuten erschöpft ist, die viertelstündige Spitzenlast aber mehrmals täglich auftritt.

Die richtige Reihenfolge lautet also: Zunächst ermittelt man anhand der Lastkurve die benötigte kW-Leistung, anschließend rechnet man die kWh auf der Grundlage der Dauer der Spitzenlasten hinzu. Der Quotient aus diesen beiden Werten ergibt die C-Rate, die wiederum die Belastbarkeit und Lebensdauer der Zellen bestimmt.

Wie lässt sich die erforderliche Entladeleistung für ein Peak-Shaving-System berechnen?

Die Formel an sich ist einfach: Die erforderliche Entladeleistung ist die Differenz zwischen dem gemessenen Viertelstunden-Spitzenwert und dem festgelegten Schwellenwert. Die Kapazität erhältst du anhand der in dieser Branche verwendeten Beziehung, bei der die benötigte Energie das Produkt aus Leistung und Entladezeit ist, geteilt durch die Entladetiefe und den Zykluseffizienzfaktor. Kehre diese Reihenfolge nicht um: kW ist die Eingangsgröße, kWh das Ergebnis.

Betrachten wir einen konkreten Fall. Auf der Lastkurve beträgt der höchste Viertelstunden-Durchschnitt 780 kW, Ihr Ziel ist es, unter 600 kW zu bleiben. Die erforderliche Leistung beträgt also 780 − 600 = 180 kW. Aus der Kurve geht auch hervor, dass das längste Spitzenereignis 45 Minuten dauert, also 0,75 Stunden.

Die nutzbare Energie beträgt somit 180 × 0,75 = 135 kWh. Dies ist jedoch noch nicht die zu erwerbende Kapazität. Wenn du mit einer Entladetiefe von 90 Prozent und einem Zykluswirkungsgrad von 92 Prozent rechnest, beträgt die Nennkapazität 135 / (0,9 × 0,92) = 163 kWh.

Zwei Dinge solltest du noch berücksichtigen. Zum einen eine Reserve von 10–15 Prozent für die Alterung der Zellen, da das System am Ende der Garantiezeit bereits weniger Leistung liefert als im ersten Jahr. Zweitens solltest du prüfen, ob zwei Spitzenlasten so dicht beieinander liegen, dass sich der Speicher dazwischen nicht wieder aufladen kann. Damit liegt die Dimensionierung bei 180 kW und etwa 185 kWh, was ein realer und kein theoretischer Wert ist.

C-Rate und DoD: Wie beeinflussen sie die Dimensionierung eines industriellen Energiespeichers?

Die C-Rate ist das Verhältnis von Leistung zu Kapazität. Ein 1C-System gibt seine Nennleistung innerhalb einer Stunde ab, ein 0,5C-System innerhalb von zwei Stunden. Die 180 kW und 185 kWh aus unserem vorherigen Beispiel entsprechen in etwa 1C.

Peak-Shaving-Anwendungen arbeiten typischerweise mit einer Entladungsrate um 1C. Bei scharfen, kurzen Spitzen kann auch 1,5C gerechtfertigt sein, was ein Entladungsfenster von etwa 40 Minuten ergibt. Bei längeren, flacheren Spitzen ist 0,5C die richtige Wahl, mit einem Zeitfenster von zwei Stunden. Es gibt keinen einzigen richtigen Wert – entscheidend sind die Dauer und die Form des Spitzenereignisses.

Die Bestellung einer höheren C-Rate als nötig hat doppelte Nachteile: Die Investition wird teurer und die Lebensdauer ist kürzer. LFP-Zellen erreichen bei 0,5C sogar 6.000 bis 8.000 Zyklen, was bei einer Entladetiefe von 80 Prozent und einem Zyklus pro Tag eine Betriebsdauer von mehr als 16 Jahren bedeutet.

Der DoD gibt an, wie viel Prozent der Nennkapazität tatsächlich genutzt werden. Die nutzbare Energie ergibt sich aus dem Produkt der Nennkapazität und des DoD; ein System mit 4000 kWh liefert also bei einem DoD von 90 Prozent 3600 kWh. Aufgrund der flachen Spannungskurve der LFP-Chemie wird diese typischerweise mit einer Entladetiefe von 90–95 Prozent betrieben.

Bei der Dimensionierung eines industriellen Energiespeichers sollte man daher immer von der nutzbaren Energie ausgehen und nicht von den im Katalog angegebenen Nennwerten. Eine tiefere Entladung beschleunigt die Degradation, weshalb beim Peak Shaving eher mit kurzen, gezielten Entladefenstern gearbeitet wird: Der Speicher wird erst dann zugeschaltet, wenn die Last den Schwellenwert überschreitet.

Spitzenlastabdeckung mit Energiespeicher bei unterschiedlichen industriellen Lastprofilen

Nicht in jedem Betrieb ist dieselbe Lösung die richtige. Die Form der Lastkurve bestimmt, ob ein leistungsorientiertes oder ein energieorientiertes System erforderlich ist. Drei Merkmale lassen auf eine gute Wirtschaftlichkeit schließen: ein hohes Spitzen-Durchschnitts-Verhältnis, ein berechenbarer Zeitablauf und ein technologischer Prozess, der nicht umdisponiert werden kann.

Scharfe, kurze, wiederkehrende Spitzen. Das Anlaufen großer Motoren, Schweißanlagen, Pressen, gleichzeitig startende Fertigungslinien. Hier ist die Spitze hoch, aber der Energiegehalt gering. Die Spitzenabdeckung mit einem Energiespeicher erfordert in diesem Fall ein leistungsorientiertes System: hohe kW-Leistung, mäßiger kWh-Verbrauch, Entladungsgeschwindigkeit über 1 °C.

Zyklische Kühllast. In Kühlhäusern und Lebensmittelbetrieben verursachen Kompressoren und Abtauzyklen neben der kontinuierlichen Grundlast die Spitzenlasten. Der Zeitpunkt der Spitzenlasten ist gut vorhersehbar, sodass das EMS Zeit hat, sich darauf vorzubereiten. Hier muss die Auslegung auf die Laufzeit erfolgen, nicht nur auf die Höhe der Spitzenlast, da ein Ausfall der Kühlung zu Warenschäden führt.

Elektrisches Flottenladen. Ein 360-kW-Gleichstrom-Schnellladegerät erzeugt für sich genommen bereits eine steile Spitzenlast, und die gleichzeitige Nutzung mehrerer Ladepunkte macht diese unvorhersehbar. Ein Batterie-Puffer senkt hier nicht nur die Leistungsgebühr, sondern kann auch die Erweiterung des Transformators oder des Anschlusses hinauszögern. An kleineren Standorten, in Werkstätten und an Ladestationen kann hierfür bereits ein kompaktes System, beispielsweise eine der Varianten der EcoFlow-Energiespeicher, ausreichen.

Diskontinuierliche Produktion. Bei Batch-Prozessen in der Chemie- und Pharmaindustrie dauert die Spitzenlast nicht nur wenige Minuten, sondern es handelt sich um ein längeres Plateau. In diesem Fall ist die kWh der Engpass, das System wird energieorientiert ausgelegt – mit niedrigerer C-Rate und höherer Kapazität.

Der einzige gemeinsame Nenner: In jedem Fall muss man von den eigenen Viertelstunden-Datenreihen ausgehen. Eine gut funktionierende Konfiguration in einem anderen Betrieb kann bei Ihnen unter Umständen sogar eine sinnlose Mehrausgabe darstellen. Auch die Gegebenheiten am Aufstellungsort beeinflussen die Wahl, von der Temperatur bis zum IP-Schutzgrad.

Wie viel kostet die Leistungsüberschreitung, und wann macht sich die Investition bezahlt?

Es lohnt sich, zwei separate Zahlungsströme voneinander zu trennen. Der eine ist die jährliche Leistungsgebühr, die du für die gebundene Leistung zahlst – auch dann, wenn du diese nicht voll ausschöpfst. Der andere ist der Aufpreis für die Leistungsüberschreitung, der plötzlich und heftig zuschlägt.

Gemäß der geltenden ungarischen Regelung muss bei einer unzulässigen Überschreitung der gebuchten Leistung für jedes angefangene kW der Überschreitung monatlich ein Viertel der jährlichen Gebühr für die gebuchte Leistung gezahlt werden. Wenn du dies im Voraus anmeldest und der Netzbetreiber zustimmt, reduziert sich die Gebühr auf ein Zehntel; dies kannst du jedoch pro Vertragsjahr höchstens dreimal und jeweils für einen Kalendermonat beantragen. Auf anderen Märkten lautet die Bezeichnung anders, die Logik ist jedoch dieselbe: Die nicht angemeldete Spitzenlast ist das teuerste Kilowatt, das du jemals kaufen wirst.

Ein häufiges Missverständnis sollte hier geklärt werden. Der Zuschlag fällt unter die Netznutzungsgebühr, die behördlich geregelt ist und Teil des Netznutzungsvertrags ist, nicht des Handelsvertrags. Daher spielt es keine Rolle, ob du einen Vertrag mit Festpreis, Preisformel oder Spot-basiertem Energiepreis abgeschlossen hast: Der Zuschlag ist derselbe. Die kommerzielle Ausgestaltung beeinflusst die Einsparungen auf der Energiepreisseite; dort erhält der Speicher neben dem spotbasierten Vertrag eine zusätzliche Einnahmequelle.

Bei Verbrauchern mit intelligenten Zählern ist die Formel noch direkter: Die Grundlage für die Leistungsgebühr des Verteilers für intelligente Zähler ist die höchste viertelstündliche Durchschnittsleistung, die im jeweiligen Monat während der Spitzenzeiten gemessen wurde. Das heißt, in jedem einzelnen Monat ist auf der Rechnung sofort ersichtlich, ob der Speicher die Spitzenlast abgesenkt hat. Es gibt keine jährliche Wartezeit, der Effekt erscheint bereits auf der nächsten Rechnung.

Die Senkung der Spitzenleistung lässt sich somit direkt in Geld ausdrücken. Nimm die viertelstündlichen Daten der letzten 12 Monate, ermittle, um wie viele kW du das monatliche Maximum senken kannst, multipliziere dies mit dem Leistungsgebührensatz deines Tarifs und addiere die vermiedenen Zuschläge hinzu. Wenn der Speicher den Schwellenwert dauerhaft stabil hält, kannst du bei der nächsten Vertragsverlängerung auch die gebundene Leistung reduzieren, was wiederum eine dauerhafte Einsparung darstellt.

In der Größenordnung: Nach internationalen Projekterfahrungen senken gut konfigurierte Systeme die leistungsabhängigen Gebühren um 20 bis 40 Prozent, typischerweise mit einer Amortisationszeit von 3 bis 5 Jahren. Nach Angaben des amerikanischen NREL kann die Leistungsgebühr bis zu 30 bis 70 Prozent der gewerblichen und industriellen Stromrechnungen ausmachen. Ihre genauen Zahlen lassen sich jedoch nur anhand Ihrer eigenen Lastkurve ermitteln. Akzeptieren Sie daher keine Peak-Shaving-Angebote, die nicht darauf basieren.

FoxESS TMax und TMaxPlus – industrielle Energiespeicher für Peak-Shaving-Anwendungen

Die FoxESS T-MAX- und T-MAX Plus-Serien sind containerisierte All-in-One-Systeme: Batterie, PCS-Wechselrichter, BMS, Schutzsysteme und Steuerung sind in einer Einheit untergebracht. Dies nimmt Ihnen einen erheblichen Teil der Systemplanungsarbeit ab.

Der T-MAX bietet eine Wechselrichterleistung von 100 kW und eine Kapazität von 215 kWh, der T-MAX Plus 125 kW und 241 kWh, mit Flüssigkeitskühlung und integriertem Brandschutz. Das Verhältnis von Leistung zu Kapazität liegt bei beiden Modellen bei etwa 0,5C, d. h., es handelt sich um zweistündige, energieorientierte Systeme.

Wenden wir dies auf unser vorheriges Beispiel an. Der Entladungsbedarf von 180 kW kann von einem einzelnen T-MAX nicht gedeckt werden, zwei parallel geschaltete Einheiten liefern jedoch 200 kW und 430 kWh. Die Leistung reicht gerade aus, die Kapazität liegt jedoch deutlich über den erforderlichen 185 kWh. Das ist kein Fehler, sondern eine bewusste Entscheidung: Die Überkapazität bietet eine Reserve für den Alterungsprozess und ermöglicht zudem die Speicherung von Solarstromüberschüssen. Wenn du jedoch nur die Spitzenlast abfedern möchtest, lohnt es sich, auch eine Alternative in Betracht zu ziehen, die für eine höhere C-Rate ausgelegt ist.

Im Peak-Shaving-Modus schaltet sich das System ein, sobald der eingestellte Schwellenwert überschritten wird; darüber hinaus lassen sich Lastverschiebung und Reserveversorgung mit einer Umschaltzeit von etwa 10 Millisekunden einstellen. Die T-MAX- und T-MAX Plus-Einheiten lassen sich parallel schalten, sodass das System bei steigender Leistungsaufnahme oder Produktionskapazität erweitert werden kann. Die verfügbaren Konfigurationen findest du in der Kategorie „FoxESS-Energiespeicher “.

Die Aufstellung im Freien erfolgt mit Schutzart IP55 und Flüssigkeitskühlung, was jedoch nicht bedeutet, dass der Aufstellungsort nicht sorgfältig ausgewählt werden muss. Der Temperaturbereich, der Wartungszugang und die Brandschutzabstände beeinflussen die Standortwahl – darüber kannst du in unserem Artikel „Außeninstallation von Energiespeichern“ ausführlich lesen. Die Lebensdauer eines industriellen Energiespeichers wird mindestens ebenso stark von der Installationsumgebung bestimmt wie von der Qualität der Zellen. Das Datenblatt des Herstellers hat in jedem Fall Vorrang vor allgemeinen Angaben auf Kategorieebene.

Häufige Fragen zum Thema „Peak Shaving“

Was genau bedeutet „Peak Shaving“? 

Peak Shaving bedeutet: Die höchsten Spitzen der aus dem Netz bezogenen Leistung werden durch einen Akku abgedeckt, sodass der Stromzähler einen niedrigeren Maximalwert anzeigt. Die Menge der verbrauchten Energie ändert sich nicht, die Grundlage für die Leistungsgebühr hingegen schon.

Wie groß muss ein Energiespeicher sein, um eine Spitzenlast von 100 kW abzufedern? 

Dazu sind zwei Angaben erforderlich: die abzuspitzende Leistung und die Dauer des längsten Spitzenereignisses. Ein Spitzenabfall von 100 kW bei einem 30-minütigen Ereignis erfordert 50 kWh Nutzenergie, was bei einer Entladetiefe (DoD) von 90 Prozent und einem Wirkungsgrad von 92 Prozent einer Nennkapazität von etwa 60 kWh entspricht.

In welcher Zeit amortisiert sich ein Peak-Shaving-System? 

Laut internationalen Projektdaten amortisieren sich gut konfigurierte Systeme innerhalb von 3 bis 5 Jahren, bei einer Senkung der Leistungsgebühren um 20 bis 40 Prozent. Der tatsächliche Wert hängt von Ihrem individuellen Tarif und der Form Ihrer Lastkurve ab, daher muss die Amortisationszeit immer anhand Ihrer gemessenen Daten berechnet werden.

Funktioniert die Spitzenlastabdeckung auch ohne Solaranlage? 

Ja. Die batteriebasierte Spitzenlastabdeckung funktioniert auch ohne Solarmodul; in diesem Fall wird der Speicher in Zeiten geringer Last aus dem Netz aufgeladen. Die Solarstromerzeugung trägt dazu bei, das Aufladen kostengünstiger zu machen und zusätzliche Einsparungen bei den Energiekosten zu erzielen.

Reichen Verbrauchsdaten eines Monats für die Dimensionierung aus? 

Nein. Die Daten eines einzigen Monats verbergen saisonale Spitzen, wie beispielsweise die Kühllast im Sommer oder die Heizlast im Winter. Es wird eine Datenreihe mit viertelstündlichen Werten aus mindestens 12 Monaten benötigt, da das System sonst in dem Monat unterdimensioniert ist, in dem ein Ausfall am teuersten wäre.