Der Umwelt zuliebe, der Unabhängigkeit zugute - die steigende Nutzung von Solarenergie galt lange Zeit als vielversprechender Ausweg aus zahlreichen Problemszenarien der Energiewirtschaft. Bei einer Nutzung von nur etwa 20% des produzierten Stroms zeigte sich jedoch schnell, dass das Konzept noch viel Ausbaupotenzial bereithält. Strom wird tagsüber produziert, jedoch kaum verbraucht. Strom wird abends und nachts gebraucht, jedoch nicht produziert. Keine Sonne - kein Strom.

Die Notwendigkeit eines Solarstromspeichers ist daher selbsterklärend, ebenso wie das Funktionsprinzip des Speichers: Eine Batterie, die über einen Lade-/Umrichter an das Hausnetz angeschlossen wird, speichert überschüssigen Strom und gibt ihn genau dann wieder ab, wenn er benötigt wird.

Die Anforderungen an das Gerät sind leicht in ihrer Beschreibung, jedoch umso komplexer in ihrer Umsetzung. Das Gerät muss eine Funktionsweise garantieren, die sich nahtlos in die Lebensgewohnheiten und Nutzungsszenarien einfügt. Dazu gehört auch, dass der Benutzer über die Aktivitäten des Geräts informiert wird und sämtliche Daten verständlich aufbereitet und nachvollziehbar präsentiert bekommt.

Um dies zu gewährleisten, müssen diverse Komponenten der vertikalen Wertschöpfungskette aufeinander abgestimmt und angepasst werden:

• Batterielader
• Batterie
• Batteriemanagementsystem (BMS)
• Wechselrichter
• Steuerelektronik
• Datenübertragung
• Serverinfrastruktur
• End-User-Displays

Herausforderung 1: Die Batterie

Wer die technischen Merkmale diverser Batteriesysteme beim Einsatz für stationäre Anwendungen betrachtet, erkennt schnell die Vorzüge von Li-Ionen-Akkus gegenüber Blei-Akkus.

Die technische Überlegenheit von Li-Ionen-Batterien geht allerdings mit neuen Herausforderungen einher: Die Bestimmung des Ladezustands ist aufwändiger als bei Blei-Batterien und die Zelldaten müssen kontinuierlich überwacht werden, um durch Überprüfung diverser Parameter (Zellspannung, Zelltemperatur etc.) abnormales Verhalten zu erkennen, darauf reagieren zu können und damit die Betriebssicherheit zu gewährleisten.

Bei ebendiesen Herausforderungen war und ist unser engineer-Ansatz der Schlüssel zum Erfolg: Durch eine nutzerorientierte Sicht wurden potenzielle Mängel schnell zum Vorschein gebracht, die durch das insulare Denken der diversen Anbieter entstanden. Durch den Fokus auf Funktionalität und reibungslosen Systembetrieb mag jedes dieser Geräte zwar in sich technologisch fehlerlos sein, wurde jedoch ohne Bezugnahme auf ein späteres Gesamtsystem entwickelt. Mehrere Einzelteile ergeben also noch lange kein großes Ganzes.

So verursachten die ungenauen Ladestandsschätzungen Steuerschwierigkeiten, unerwartetes Verhalten im Grenzbereich sowie schwer zu interpretierende Datensätze. kalbeck.media identifizierte diese Schwachstellen und entwickelte Lösungsansätze: Gemäß den Fakten, die aus Analysen und Tests gewonnen werden konnten, wurden mit den Herstellern der Batteriezellen und des BMS neue Algorithmen entwickelt, um dem System genauere Lade- und Entladekurven zur Verfügung zu stellen und bessere Daten über den Ladezustand zu bekommen. Um das System kontrollierter agieren zu lassen wurden die Steuerlogik angepasst, die Lade- und Entladeleistungen als zusätzliche Parameter in die Systemlogik integriert und durch Hysterese das Systemverhalten im Grenzbereich normalisiert.

Herausforderung 2: Die Eingangskondensatoren des Wechselrichters

Kondensatoren sind Elemente, die elektrische Energie in einem elektrischen Feld kurzfristig speichern können. Der Aufbau erfolgt immer nach demselben Prinzip: Zwei Leiterplatten werden durch ein isolierendes Dielektrikum getrennt.

Wird am Kondensator eine Spannung angelegt, entsteht zwischen den beiden Platten ein elektrisches Feld - die Platte am negativen Pol der Spannungsversorgung (z.B. einer Batterie) nimmt Elektronen auf, während die Platte am positiven Pol Elektronen an die Batterie abgibt. Dies geschieht solange, bis der Kondensator dieselbe Spannung wie die Spannungsquelle hat.



V0 ist die Ladespannung, Ƭ0 die Zeitkonstante des Kondensators.

Der Anstieg der Spannung verläuft demnach am Anfang sehr schnell und flacht zusehends ab. Nach 1x Ƭ0 sind etwa 66% der Endspannung erreicht, nach 5x Ƭ0 ca. 99.3% - man spricht von einem geladenen Kondensator. Bei der Beladung eines Kondensators in einem Gleichstromsystem ist das Verhältnis zwischen Spannung und Strom zu beachten:




Der Strom, der in den Kondensator fließt, ist demnach proportional zur Änderung der Spannung. Dementsprechend sind die Ladeströme zu Beginn sehr hoch - besonders wenn nur ein schwacher Widerstand den Kondensator schützt - und wird bei zunehmender Ladung des Kondensators schwächer.

In der folgenden Grafik sind Spannung (in rot, f(x) = 1-e^-x) und Strom (in blau f(x) = e^-x) gegenübergestellt.



Ungeachtet der genauen Wechselrichtertopologie sind Eingangskondensatoren (eng. "Bus Link Capacitors") notwendige Komponenten, um Energieschwankungen zu puffern. Der Kondensator gleicht dabei Ripples oder Spitzen aus und entkoppelt Induktivitätseffekte der Gleichstromquelle von der Leistungsbrücke (siehe auch folgendes Whitepaper von Michael Salcone und Joe Bond).

Kondensatoren können Energie sehr schnell aufnehmen - und genau das wird bei der Verbindung zwischen den nicht strombegrenzten M48-Modulen und dem XTM-Wechselrichter zum Problem: die ungeladenen Kondensatoren laden sich so schnell wie möglich. Dabei fließen bis zu 400 A Strom, in seltenen Fällen sogar bis zu 1000 Ampere.



Stromfluss in dieser Größenordnung kann dazu führen, dass die Batterie-Relais zusammengeschweißt werden. Eine Verbindungstrennung der Batterie ist in diesem Fall nicht mehr möglich und das BMS kann die Batterie nicht vor Tiefentladung schützen.

Ursache des Problems war die - in der Natur der Sache liegende - Unkenntnis der jeweiligen Gerätehersteller über den Aufbau des Gesamtsystems. Für den Batteriehersteller ist nicht vorhersehbar, dass als erstes Element nach der Batterie Kondensatoren ohne Vorwiderstand folgen würden; gleichsam konnte der Wechselrichterhersteller nicht mit einem Batteriesystem rechnen, das kurzfristig 400+ Ampere zu Verfügung stellen kann.

kalbeck.media erkannte diese Schwachstelle und beriet die Hersteller bei der Entwicklung verschiedener Lösungsansätze. Nach Simulations-Testläufen unter verschiedenen Parametern wurde die geeignetste Lösung gewählt und diverse Varianten derselben auf ihre Verlässlichkeit getestet. Ein Relais schließt den Stromkreis zuerst über einen Vorwiderstand, wodurch die Zeitkonstante (Ƭ = RC) erhöht wird und der Kondensator langsamer lädt. Dadurch sind die Anfangsladeströme wesentlich niedriger, sodass weder Relais noch Kondensator belastet werden.

Dies stellt einen verlässlichen Schutz für Batterien, Relais und Wechselrichter dar, welcher zudem kostengünstig implementierbar ist. Um nicht unnötig Energie zu verschwenden, wird nach einigen Millisekunden der Vorwiderstand umgangen, da zu diesem Zeitpunkt der Kondensator ausreichend geladen ist und es zu keinen abnormal hohen Strömen mehr kommt.

Herausforderung 3: Die Datenaggregation

Die Photovoltaik-Speicherlösung neoStore sammelt Tag für Tag eine Vielzahl von Daten. Um dem User die Funktion und den Nutzen seiner Anlage transparent aufzuzeigen, gilt es, diese ansprechend aufzubereiten und leicht rezipierbar darzustellen. Sämtliche Komponenten, die dafür notwendig sind, wurden von kalbeck.media entwickelt.

neoGrid bildet die Basis des Neo-Ökosystems: ein robuster und beliebig skalierbarer Server für neoStore-Daten.



Besondere Beachtung kommt hierbei dem kaidoo-Listener zu; jenem Modul, das die Kommunikation mit den neoStores übernimmt. Der Listener wird für die jeweiligen Kommunikationsinterfaces der Speichersysteme maßgeschneidert, ganz gleich ob es sich dabei um primitive Datenwrapper wie TCP2RS von Circutor handelt oder um verschlüsselungsfähige Datenlogger wie die ExtensionBox von kalbeck.media.

Die Daten werden daraufhin von neoGrid aufgenommen, gespeichert und für die spätere Verwendung aufbereitet.

neoControl ist die Visualisierungsplattform für den End-User: die aufbereiteten Daten werden attraktiv und intuitiv verständlich an den Kunden vermittelt.



Durch die Verwendung von kaidooHD ist es möglich, intelligente Datenvisualisierung in einem modernen, ansprechenden Design anzubieten und dieses nach Belieben mit neuen Funktionen zu erweitern. Social Media-Integration ist ebenso möglich wie Gamification-Elemente oder Reporting.

An den Beispielen neoGrid und neoControl zeigt sich: Das Ziel - die Geschichte, die erzählt wird - wird im Spannungsfeld zwischen Sinnhaftigkeit und Unterhaltung definiert.

Den Weg dahin ebnet engineer.

Downloads

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Speichernutzung bei Solarstrom

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Der Batterielader

  PDF | 3.85 MB

Zellspannung in Batterien

  PDF | 236.14 KB

Whitepaper (Salcone und Bond)

Weiterführende Artikel