photovoltaik Ausgabe: 10-2015

Der Paradiesvogel


Modularer Aufbau: Techniker prüfen den Betrieb eines Speichers mit Pacadu-Elektronik.

Modularer Aufbau: Techniker prüfen den Betrieb eines Speichers mit Pacadu-Elektronik.

Speichertechnik — Wie Solarzellen werden auch die Zellen von Solarbatterien in Reihegeschaltet. Eine neue Elektronik ändert das. Parallel geschaltete Akkus könnten das Risiko fürInvestoren verringern, wenn sie in große Batteriekraftwerke investieren. Niels Hendrik Petersen

Pacadu. Der Name klingt exotisch. Urwald, Tropen und der Pazifische Ozean kommen einem in den Sinn. Tatsächlich handelt es sich bei dem fiktiven Paradiesvogel um eine Steuerelektronik für Batterieakkus. Und mit seiner Idee bürstet Wolfram Walter gegen den Strich beziehungsweise gegen die herrschende Verkabelung von Batteriesystemen.

Kann der Vogel fliegen?

Er ist Geschäftsführer und Gründer der Firma ASD Automatic Storage Device. „Der Pacadu könnte auch der Elektromobilität Auftrieb geben“, erklärt Walter. Denn mit der Zellsteuerung sei es möglich, in ein und demselben Energiespeicher eine Zelle mit hoher Leistung und eine Zelle mit hoher Kapazität zu kombinieren. „Das bedeutet sowohl eine bessere Beschleunigung als auch eine höhere Reichweite des Elektroautos, als wir es bisher kennen“, verdeutlicht Walter.

Auch Preise hat der Paradiesvogel schon eingefahren. „Das Speicherkonzept von ASD ist ein technischer Durchbruch, weil es viele der Probleme elektrischer Speicher auf einmal löst“, erklärt Franz Untersteller, Minister für Umwelt und Energie des Landes Baden-Württemberg. Zudem war er Juryvorsitzender beim Umwelttechnikpreis des Bundeslandes. Die Steuerung des Pacadu erlaubt es, Batteriezellen in Energiespeichern parallel zu schalten. Deshalb bekam das Unternehmen aus Umkirch bei Freiburg den Umwelttechnikpreis für die Kategorie Mess-, Steuer- und Regeltechnik.

Verlust von Kapazität

„Seit 135 Jahren schalten Techniker die Batterien in Reihe“, erklärt Walter, „das führt allerdings zu vielen Problemen.“ Wenn beispielsweise die Kapazitäten der Zellen im Laufe der Zeit auseinanderdriften, bestimmt immer die Zelle mit der geringsten Kapazität auch die nutzbaren Kilowattstunden des Systems. Das bedeutet einen dramatischen Verlust. Also erfand Walter das Pacadu-Konzept.

Bei in Reihe geschalteten Energiespeichern bestimmt immer die schwächste Zelle über die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer des kompletten Akkublocks. Eine defekte Zelle bedeutet also, dass ein gesamter Akkublock ausfällt, selbst wenn alle anderen Zellen voll funktionsfähig sind. Für den laufenden Betrieb heißt das: Die Batteriezelle, die zuerst vollgeladen ist, stoppt die Ladung des gesamten Systems, da die Zelle sonst zerstört wird.

Defekte Zelle, und nun?

Gleiches gilt für die Zelle bei einer kompletten Entladung. Das heißt: Der gesamte Block kann dann nicht weiter entladen werden. Und je mehr Zellen ein System hat, desto höher die Wahrscheinlichkeit, dass eine Zelle das System ausbremst. „Das ist ein erhebliches Betriebsrisiko“, weiß Walter. Zudem erhöht jeder Zellverbinder zwischen den einzelnen Zellen den Widerstand des Systems, was die Verluste weiter erhöht. Der bedeutendste Nachteil ist jedoch: Eine defekte Zelle legt das komplette System lahm. Und ein Austausch einer älteren Batterie ist aufwendig oder gar nicht möglich.

Mit der Steuerung für die Batteriezellen wird die Leistung des Speichers durch schwache Zellen nur wenig beeinflusst. Zudem können defekte Zellen leichter ausgetauscht werden. „Und zwar auch gegen eine Zelle mit einer anderen Kapazität, eines anderen Herstellers oder sogar einer anderen Batterietechnologie“, erklärt Walter. Das war bisher undenkbar.

Zwei Volt pro Zelle

Was die heute erhältlichen Batterien vereint, ist die geringe Spannung, die je nach Technologie zwischen 1,2 und 4,2 Volt liegt. Diese niedrigen Spannungen sind technisch kaum nutzbar. Daher ist es für höhere geforderte Leistungen nötig, hohe Ströme zu erzeugen. Da die Verluste bei hohen Strömen sehr hoch sind, brauchen Systeme hohe Spannungen. In Automobilen verwenden die Hersteller heute beispielsweise 300 bis 600 Volt Gleichstrom. Aus diesem Grund schaltet man die Batteriezellen so lange in Reihe, bis die gewünschte Systemspannung erreicht ist.

Bei einer Batterie mit zwölf Volt werden sechs Bleibatteriezellen mit je zwei Volt pro Zelle in Reihe verbunden. Es addieren sich die einzelnen Zellspannungen zu einer höheren Spannung. Was zunächst einfach und unkompliziert wirke, führe mit den heute verwendeten neuen Lithiumbatterien aber zu erheblichen Problemen, weiß Walter. „Das haben wir nun gelöst“, frohlockt er. „Wir schaffen es, aus beispielsweise 3,2 Volt 230 Volt zu machen, die die Batterie dann mit einem Wirkungsgrad von 95 Prozent ins Netz speist und auch umgekehrt wieder zurück. Das ist der Kern unserer Entwicklung.“

Schwierig nachzurüsten

Damit Batterien nach dem herkömmlichen Design funktionieren, muss eine Reihe von Bedingungen erfüllt sein. Die verbauten Zellen müssen vom gleichen Typ und Hersteller sein, aus derselben Charge der Fertigung stammen und identische Ladezustände und Innenwiderstände aufweisen. Das ist schwierig und bei einer Nachrüstung kaum umzusetzen.

Jeder Batteriehersteller versucht deshalb, die Zellen zwillingsgleich zu fertigen. Das ist ein gigantischer Aufwand, auch wenn Konzerne wie Panasonic, Sony oder BYD dahinterstehen. „Zwischen 60 und 90 Prozent aus der Produktion sind nutzbar, wie mir unterschiedliche Hersteller berichteten“, erklärt Walter.

Das Denken der Hersteller ändern

Das heißt, zehn bis 40 Prozent sind nicht zu gebrauchen. Das sind absolut intakte Zellen, die einwandfrei funktionieren. „Aber die Kapazität ist beispielsweise etwas zu hoch oder zu niedrig, das Gleiche gilt für den inneren Widerstand der Zelle oder andere Faktoren“, sagt er. Für eine Schaltung in Reihe seien die Batterien deshalb nicht geeignet – für eine parallele Schaltung spielt das keine Rolle.

Vielleicht rege das die Hersteller auch zu einem neuen Denken an, hofft Walter. Der Ausschuss aus der Produktion könnte so genutzt werden. Und die Preise für Speicher würden dadurch deutlich sinken.

Die neue Technologie erzielt durch einen höheren Wirkungsgrad bessere Ergebnisse. Beispielsweise wenn ein System mit sechs Kilowatt Leistung nur mit 150 Watt betrieben wird und damit weit entfernt vom optimalen Arbeitspunkt läuft. „Bei einem Pacadu-Speicher sind immer nur so viele Batteriezellen eingeschaltet, wie für die Leistung nötig sind“, erklärt Walter. Das führt dazu, dass dieses System bei jedem beliebigen Arbeitspunkt immer in seinem optimalen Wirkungsgrad arbeitet.

Kapazität unabhängig bestimmen

Der Pacadu verfügt über ein Kilowatt Leistung. Die Kapazität hängt dann vom installierten System ab. „Bei drei Kilowattstunden entladen sie beispielsweise mit einer C-Rate von 0,3“, rechnet Walter vor. Diese Auslegung ist frei wählbar. Erstmals werden Leistung und Arbeit getrennt voneinander bestimmt. Der Preis des Pacadu hängt auch von diesem Verhältnis ab. Eine höhere C-Rate bedeutet eben mehr eingebaute Elektronik, und das ist entsprechend teurer.

ASD baut die Pacadu-Technologie auch in eigene Großspeicher ein. Das Unternehmen hat mehrere Prototypen mit dem Pacadu ein knappes Jahr lang getestet und bereitet nun die Markteinführung vor. 14 Patente hat ASD hierfür angemeldet.

Bis zu 30 Prozent billiger

Jedes Speichermodul, das mit der Technologie ausgestattet ist, hat eine Kapazität von 3,2 Kilowattstunden und kann in beliebiger Anzahl kombiniert werden. Ein Großspeicher mit einer Kapazität von 3,2 Megawattstunden setzt sich beispielsweise aus 1.000 Speichermodulen zusammen. Allerdings ist er nur halb so groß wie konventionelle Großspeicher. Für Investoren sind die Risiken für den Bau eines Speichers somit leichter zu kalkulieren.

„Die Systemkosten über die Lebensdauer werden so um 20 bis 30 Prozent verringert“, prognostiziert ASD-Chef Walter. Der Grund: Es gibt weniger einzelne Komponenten als bisher und die Systeme brauchen keinen teuren Wechselrichter mehr. Und das, obwohl der Pacadu derzeit nur in einer kleinen Serie hergestellt wird.

Vertrieb fehlt noch

Die Zertifizierungen bei einem deutschen akkreditierten Prüfinstitut für den Netzparallel- und den Inselnetzbetrieb laufen. Der Prozess soll bald abgeschlossen sein. Bis jetzt sieht es gut aus. Der Vertrieb ist allerdings noch eine offene Flanke. Es gibt zwar Gespräche, aber noch keine konkreten Ergebnisse. Derzeit sucht ASD Sonnenbatterie einen Partner, der in der Lage ist, den Pacadu weltweit zu vertreiben. Walter: „Das sind wir der Technologie schuldig.”

Literatur

Fussnoten

  • Firmenchef Wolfram Walter betankt sein Elektroauto mit Solarstrom.

  • Jeder Batterieblock hat ein Kilowatt Leistung und drei Kilowattstunden Kapazität.

  • Gerade bei defekten Zellen zeigt die neue Technologie ihre Vorteile (links mit, rechts ohne Pacadu).

  • Der Firmensitz in Umkirch bei Freiburg. Hier fertigt ASD seine Batterien.

Grafiken: ASD Sonnenbatterie

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