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Elektrischer Speicher
BMWi
Systemkonzept 27.2.2015

Die Abbildung zeigt den Aufbau des Wechselrichters.
© Sunways AG

PV-Strom kostengünstig speichern

Um Photovoltaik-Strom effizient zu nutzen, muss die Speicherung, Eigennutzung und Einspeisung intelligent geregelt werden. Im Projekt Hei-PhoSS entwickeln Sunways, Akasol und das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE für diesen Zweck ein hocheffizientes Photovoltaik-Batteriesystem mit intelligenter Kommunikations- und Regelungstechnik.

Projektstatus Projekt beendet
Typische Anlagengröße – Energie 2,5 bis 7,5 kWh
Typische Anlagengröße – Leistung 6 kW
Typische Zeit zwischen Ein- und Auslagerung 6 Stunden
Anwendungsfelder, Beispiele System für Privathaushalte
Projektlaufzeit Juli 2012 bis Dezember 2014

Sunways AG, Akasol GmbH und Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE schlossen sich zusammen, um ein hocheffizientes Photovoltaik-Batteriesystem mit intelligenter Kommunikations- und Regelungstechnik zu entwickeln. Die Batterie soll eine Spannung von 350 Volt aufweisen, sodass sie direkt an einen Zwischenkreis des Einspeisewechselrichters angeschlossen werden kann. Da weniger Bauteile benötigt werden, senkt das die Kosten des Systems und der Wirkungsgrad steigt. Das Energiemanagement optimiert sowohl Eigenverbrauch, Einspeisung und Netzdienstleistungen, als auch die Ladezyklen und damit die Lebensdauer der Batterie. Aktuell werden Systemspezifikation/Lastenheft bearbeitet. Die nächsten Meilensteine sind: Funktionsmuster, Labormuster, Prototypen, Feldtests.

PV-Strom effizient einsetzen

Das System weist einen besonders hohen Wirkungsgrad bei der Ladung und Entnahme aus der Batterie auf, da das Hochvolt-Speichersystem (> 350 V) direkt an einen Zwischenkreis des Einspeisewechselrichters angeschlossen wird. Es ist trotz des hohen Wirkungsgrads kostengünstig, da durch den direkten Anschluss der Batterie an den Einspeisewechselrichter einige Geräte, die in den heute angebotenen Photovoltaik-Batteriespeichersystemen notwendig sind, entfallen können.

Das Batteriesystem erfüllt alle Anforderungen hinsichtlich Sicherheit und Leistungsfähigkeit bei optimierten Kosten. Dazu trägt ein angepasstes Thermo- und Batteriemanagement bei, das ausgeglichene Bedingungen für alle Zellen schafft sowie Leistungsgrenzwerte an das Energiemanagement kommuniziert und somit die Lebensdauer optimiert.
Durch zukunftsfähige Kommunikationstechnik und intelligente Regelalgorithmen wird der effiziente und sinnvolle Einsatz des Batteriespeichers gesteuert. Die Einbindung des Smart Meters erlaubt eine bevorzugte Eigenstromnutzung. Über geeignete Schnittstellen zum Netzbetreiber werden Möglichkeiten zur Einbindung des Systems in das Smart Grid eröffnet.
Das Gesamtsystem soll einen signifikanten Fortschritt für den effizienten Einsatz von PV-Strom erreichen, sowohl in Hinblick auf die Ziele des Betreibers und Nutzers der PV-Anlage, als auch auf das gesellschaftliche Ziel einer effizienten Nutzung der Netzinfrastruktur und des sicheren und stabilen Netzbetriebs.

Wechselrichter, Batterieentwicklung und Energiegateway

Ziele der Wechselrichter-Entwicklung
Bis zum Projektende soll ein Wechselrichters entwickelt werden, der sich in Vorserienstatus durch mehrere innovative Vorteile gegenüber den derzeitigen Wechselrichtern abhebt. Die neuartige Schaltung soll folgende, auf das Batteriesystem abgestimmte, Vorteile aufweisen:

  • Der Batteriespeicher kann ohne zusätzliche Wandlerstufe an einen der beiden Zwischenkreise angeschlossen werden. Durch die Einsparung von Stellern und Wandlern im Vergleich zu heutigen Systemen wird ein höherer Systemwirkungsgrad erreicht.
  • Die Eingangsspannung des Batteriespeichers beträgt ca. 375 V, die des PV-Generators kann zwischen 350 und 1.000 V betragen.
  • Die Energieverteilung zwischen Batteriesystem und PV-Generator wird auf einfache Weise durch die Schaltung realisiert.
  • Parallele Steller werden nur aktiviert, wenn es die Unsymmetrie erfordert, so dass im Regelfall ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird.
  • Die Schaltung funktioniert mit ein- oder dreiphasigen Wechselrichterendstufen.

Ziele Hochvolt Batterieentwicklung
Die Entwicklung des Energiespeichersystems verfolgt das Ziel zum Projektende ein validiertes Batteriesystem im Vorserienstatus verfügbar zu haben. Dieses soll konzeptionell und von der Kostenstruktur Serienpotenzial haben, so dass im Anschluss an das Projekt die Serie direkt abgeleitet werden kann und ein zügiger Produktionsstart möglich ist. Um dieses Gesamtziel zu erreichen sind folgende Teilziele für den Energiespeicher formuliert:

  • Identifizierung der geeignetsten Zellen, die zur Zeit auf dem Markt in ausreichender Qualität und zu konkurrenzfähigen Preisen verfügbar sind
  • Entwicklung der Elektronik für das Batteriemanagement
  • Entwicklung einer mechanischen Konstruktion zum Schutz der Zellen so wie zur Anbindung an das thermische und elektrische System
  • Optimale Sicherheit für die Anwendung im privaten Haushalt
  • Design und Implementierung der Software für das Batteriemanagement inklusive der Schnittstelle zur Leistungselektronik
  • Aufbau, Test und Validierung von Batterieprototypen

Ziele des Energiegateways
Die primären Ziele des Energiegateways sind die Entwicklung und die Evaluation innovativer Betriebsführungsstrategien des PV-Batteriesystems. Grundvoraussetzung hierfür ist die kommunikationstechnische Vernetzung der Systemkomponenten und der übergeordneten Steuer-ebenen, entsprechende Protokolle müssen zum Teil entwickelt werden. Mit dem vernetzten Energiegateway wird eine Plattform geschaffen, auf der neue Optimierungsalgorithmen mit unterschiedlichen Optimierungszielen implementiert und bewertet werden sollen. Der Fokus des Projekts liegt dabei auf der lokalen Betriebsführung des dezentralen Systems. Zukünftige Anforderungen an Betriebsmittel im netzaktiven Betrieb sollen untersucht und bei der Spezifikation beachtet werden. Abschließend werden die technischen und ökonomischen Vorteile bewertet sowie die Anforderungen an die Zielplattform spezifiziert.

Das Ergebnis des Projekts soll neben der Spezifikation eine Referenzimplementierung des Energiemanagers sein, der durch geeignete Schnittstellen, Übertragungsprotokolle und Optimierungsalgorithmen einen Mehrwert in Verbindung mit einer Photovoltaik-Anlage und einem Batteriespeicher darstellt. Die Konzepte und Simulation der Algorithmen stellen ein vom Verlauf des Entwicklungsprojekts unabhängiges Teilergebnis dar.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

21. September 2017
Elektromobilität im ÖPNV

25. September 2017
EU PVSEC 2017

26. September 2017
Batterien für Bordnetze, Hybrid- und Elektrofahrzeuge

» Alle Termine

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Weitere Adressen

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Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.