Schnell reagieren, vorausschauend laden

Ein Batteriemodul ist die Basis für alle Speicherapplikationen von Solarwatt - hier die MyReserve Extension. (Foto: Solarwatt)
Ein Batteriemodul ist die Basis für alle Speicherapplikationen von Solarwatt - hier die MyReserve Extension. (Foto: Solarwatt)
20.04.2017

Der MyReserve von Solarwatt ist ein kompaktes Speichersystem für den solaren Eigenverbrauch. Zuletzt hat das Dresdener Unternehmen neue Erweiterungs- und Clusterlösungen eingeführt, die bei Bedarf für mehr Kapazität und Leistung sorgen. Andreas Gutsch, Geschäftsführer des Technologiezentrums „Solarwatt Innovation“, erläutert in SW&W, welchen Prinzipien das Konzept des DC-geführten Systems folgt.

Wirtschaftlichkeit des Speichers

„Der Speicher leistet einen Wertbeitrag, wenn er im Haushalt Strom zeitversetzt nutzbar macht, der sonst hätte eingespeist werden müssen, während der Bedarf aus dem Netz gedeckt wird. Die Wirtschaftlichkeit hängt an einem passenden Verhältnis von Strombedarf und Nutzbarkeit von Solarstrom über den Speicher. Grob gerechnet müssen die Speicherkosten pro kWh unter 20 Cent liegen, und dieses Ziel wird erreicht. Wie senkt man die Kosten weiter? Solarwatt orientiert sich an den Prinzipien der Automobilindustrie und setzt alles daran, unnötige Komplexität zu vermeiden. Das heißt, die verschiedenen Speicherapplikationen entstehen aus einem einzigen Batteriemodul mit einer eigenentwickelten Leistungselektronik. Der Schwerpunkt im Heimspeicherbereich liegt bei Kapazitäten von 4 bis 8 kWh, die modular aus dem Grundmodul aufgebaut werden. Und auf der gleichen Basis werden auch Gewerbespeicher mit 20 bis 40 kWh entwickelt.“

Optimale Regelstrategie

„Die ökonomische Wirkung des Speichers entfaltet sich nur, wenn er technisch in der Lage ist, den Bedarf sofort zu erkennen und zu bedienen. Wenn er fünf Sekunden braucht, um auf das Einschalten der Kaffeemaschine zu reagieren, hat man in dieser Zeit Netzbezug. Braucht er wieder fünf Sekunden, um der Abschaltung desselben Geräts zu folgen, dann hat man Netzeinspeisung. Beides soll der Speicher aber eigentlich verhindern. Kurz: Zu lange Ausregelzeiten laufen exakt der Eigenverbrauchsoptimierung zuwider.

Es geht um einen Bilanzausgleich zwischen Speicher und Verbrauchern in der kürzesten technisch möglichen Zeit. Die Steuerungselektronik des MyReserve arbeitet mit drei Prozessoren, deren Leistungsfähigkeit der von Laptops entspricht. Der Zustand des Hausnetzes wird mit selbst entwickelten Sensoren erfasst, die Strom, Spannung und Schieflast im Millisekunden-Takt messen. Die Daten werden an die Steuerung kommuniziert und dort extrem schnell umgesetzt: Der Speicher reagiert also blitzschnell, wenn ein Verbraucher ein- oder ausgeschaltet wird.

Nur so kann er seinen Job machen, denn kurze Lasten, schnelle Ein- und Ausschaltvorgänge sind im Haushalt viel häufiger als man denkt. Es gibt nämlich immer mehr On-/Off-Verbraucher, die gepulst schalten: Induktionsherde, das Heizelement eines Föhns oder Espressomaschinen, die im Standby immer wieder für wenige Sekunden auf volle Leistung gehen, um das Wasser auf Temperatur zu halten. Kann der Speicher der Taktung in die eine wie die andere Richtung nicht schnell genug folgen, so wirkt er seinem Zweck entgegen, vermindert also weder den Netzbezug noch die Einspeisung, die ja nur die letzte Wahl bei der Solarstromnutzung ist. Dieser Punkt ist bei Solarwatt schon zu Beginn der Produktentwicklung bedacht worden.“

Die Frage des richtigen Ladezeitpunkts

„Die Ladestrategie leitet sich ab aus dem Alterungsverhalten der Zellen: Lithium-Ionen-Zellen vertragen es nicht gut, vollgeladen zu verharren. Eine hohe Zahl von Mikrozyklen machen sie dagegen problemlos mit, so lange es nicht zu tiefen Entladungen kommt. Über die Ladestrategie muss man genau nachdenken, und das Ergebnis ist nicht unbedingt intuitiv aus Sicht des Nutzers. Es geht nämlich darum, den Volladezustand möglichst erst dann zu erreichen, wenn die Entladephase kurz bevorsteht – nach dem Motto: Die Sonne geht unter, der Speicher ist voll. Eine Batterie, die zu früh lädt, und sei es, um eine Begrenzung der Einspeiseleistung zu vermeiden, setzt sich einem vermeidbaren Alterungsstress aus. Wirtschaftlich ist der Schaden durch Zellalterung dann höher als der Verlust durch die begrenzte Einspeisung. Anders gesagt: Die Energie aus dem Mittagspeak der PV-Anlage sollte direkt verbraucht werden, sie gehört im Regelfall nicht in den Speicher.

Wir müssen Erzeugung und Verbrauch antizipieren und nutzen die PV-Anlage selbst als Wetterstation. Durch die DC-Kopplung erkennt der Speicher den Istzustand des Generators und kann auf Basis der Modulkennlinien den Strahlungsverlauf in der Regel so genau prognostizieren, dass die Ladung zum richtigen Zeitpunkt einsetzt und im optimalen Leistungsbereich gefahren wird, also bei einem zu erwartenden Überangebot an Solarleistung nicht kontinuierlich, sondern getaktet. Auf der anderen Seite steht die Analyse der Lastgänge im Haushalt, die ebenfalls in die Ladesteuerung einfließt. „Gelerntes“ Verhalten, aber auch gemessene aktuelle Abweichungen beeinflussen den Ladeverlauf – immer mit dem Ziel, die volle Batteriekapazität erst zum richtigen Zeitpunkt zu liefern: So werden Eigenverbrauch und Batterielebensdauer optimiert.“

Sinnvoll begrenzte Leistung

„Wie weit sollte ein Speicher die Lastspitzen im Haushalt zu bedienen versuchen? Der MyReserve hält sich hier mit einer Ausgangsleistung von 1.500 W sehr zurück, aus gutem Grund: In einem typischen Vierpersonenhaushalt werden nach Berechnungen von Solarwatt 80 % des Jahresbedarfs mit Leistungen unter 750 W verbraucht. Eine Batterie und eine Leistungselektronik, die deutlich höhere Leistungen mitfahren können, sind aus wirtschaftlicher Sicht schlicht überdimensioniert. Die Daten aus Bestandsanlagen bestätigen diese Auslegung eindeutig, denn die Solarwatt-Speicher entladen zumeist im unteren Leistungsbereich und arbeiten dabei aufgrund ihres Designs mit einem guten Wirkungsgrad.“

Sicherheit und Service

„In der Solarwatt-Batterie steckt die Entwicklungserfahrung von Fahrzeugbatterien und damit das Wissen, wie man den Einfluss schlechter Betriebsbedingungen – Kälte oder hohe Temperaturen – minimiert. Die Batterie ist von Automotive Engineers designt und dann an die spezifischen Anforderungen angepasst worden, die man im Heimspeicherbereich hat. Dabei geht es insbesondere um den Schutz gegen Missbrauch durch Dritte und eine sichere Kommunikation über das Internet, die notwendig ist, weil der Kunde Datentransparenz wünscht.

Ein Brand der Batterie würde in einem Keller noch viel größeren Schaden anrichten als in einem Fahrzeug, denn wegen freigesetzter Chemikalien wäre das Haus ein Abrissfall. Deshalb ist das Batteriemodul des MyReserve auf höchste Sicherheit getrimmt: Die Zellen dürfen unter allen Betriebsbedingungen nicht wärmer als 50 °C werden, dabei steht jede Zelle einzeln unter Beobachtung. Alle 100 Millisekunden wird die Temperatur abgefragt, bei jeder Unstimmigkeit wird das Modul abgeschaltet, und zwar unabhängig von der zentralen Steuerung der Batterie. Jedes Modul ist im Fall eines Defekts einfach auszutauschen, jedes Modul hat ein eigenes Relais, das eine autonome Abschaltung ermöglicht und das nur in Verbindung mit der Solarwatt-Software geschlossen werden kann, um die Batterie überhaupt in Betrieb zu setzen.

Es gibt bei Solarwatt keine Software-Updates über das Internet. Hier muss der Installateur über einen mechanisch verschlüsselten Stick die Daten aufspielen. Die MyReserve liefert zwar Betriebsdaten zur Auswertung aus, empfängt aber keine Daten – der Kommunikationsweg von außen ist bewusst blockiert, für uns als Hersteller und für Installateure, aber auch für Hacker. Wer sich illegal Zugriff auf die Steuerung eines Lithium-Ionen-Speichers verschafft, kann die sicherheitsrelevanten Parameter verstellen und gezielt einen Brand herbeiführen. Daraus ergibt sich ein immenses und noch viel zu wenig diskutiertes Risiko, denn Lithium-Ionen-Speicher sind nicht intrinsisch sicher. Ein Software Update über das normale Internet werden wir aus Sicherheitsgründen niemals machen.“

Das Gespräch führte Ralf Ossenbrink.

 

Dr. Andreas Gutsch studierte Chemie-Ingenieurswesen an der Uni Karlsruhe und startete nach der Promotion bei der Degussa AG. Er arbeitete am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), wo Gutsch sich mit stationären Speichern beschäftigte. Seit Mai 2016 leitet er das Technologiezentrum „Solarwatt INNOVATION“ in Frechen bei Köln und verantwortet die gesamte technische Entwicklung des „MyReserve“.

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