Solarstrom speichern Entwicklung eines Lithium-Ionen-basierten Heimspeichers

Bei der Entwicklung von Hausspeichern auf Basis von Lithium-Ionen-Akkus muss eine ganze Reihe von Anforderungen berücksichtigt werden. Dazu gehört neben der mechanischen, elektrischen und thermischen Auslegung auch die Entwicklung des Batteriemanagements. Wie das praktisch geht, beschreibt der Artikel anhand eines konkreten Projekts.

Die Speicherung elektrischer Energie ist enorm wichtig geworden, da immer mehr Strom aus erneuerbaren Quellen erzeugt wird. Das Problem ist, dass dieser Strom wetterabhängig ist und somit stark fluktuiert. Mit dem Speichern der Energie lassen sich diese Schwankungen ausgleichen, da Energie dann gespeichert wird, wenn zuviel davon da ist und abgegeben werden kann, wenn die Sonne nicht scheint oder der Wind nicht weht.

Die Energiespeicherung kann auf verschiedenen Ebenen geschehen. Im größten Maßstab kann der Netzausbau vorangetrieben werden, womit das gesamte Netz als Speicher zur Verfügung steht. Im kleineren Maßstab, aber dafür mit deutlich längeren Speicherzeiten, bieten sich Pumpspeicherkraftwerke an. Geht man noch eine Größenklasse nach unten, kommen die Energiespeicher ins Spiel, die im Ortsnetz arbeiten und die MW-Klasse bedienen. Das können große Hochtemperaturbatterien wie Natrium-Schwefel- oder Natriumnickelchlorid-Batterien, (Vanadium-)Redox-Flow- oder Lithium-Ionen-Batterien sein.

Den kleinsten Maßstab stellen Heimspeicher dar, die jedem Hausbesitzer die Möglichkeit geben, mehr seiner selbst erzeugten photovoltaischen Energie im eigenen Haushalt zu verwenden. Bei einer intelligenten Inte-gration des Speichers in das Netz kann das Stromnetz dadurch zu Spitzenzeiten deutlich entlastet werden. Im Gegensatz zum Netzausbau oder dem Neubau von Pumpspeicherkraftwerken haben diese relativ kleinen Heimspeicher kein Akzeptanzproblem in der Bevölkerung.

Mit dieser Motivation wurde am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) ein auf Lithium-Ionen-Batterien basierendes Heimspeicher-System entwickelt. Der Fokus lag dabei auf einem möglichst hohen Systemwirkungsgrad und einer langen Lebensdauer.

Anforderungen

Als Grundlage für die Auslegung des Systems dienten Standardlastdaten eines Einfamilienhauses. Daraus resultiert, dass ein 5-kWh-Speicher ausreichend ist, den Eigenverbrauch deutlich zu steigern. Eine weitere Anforderung an das System war es, die Lebensdauer der Zellen zu verlängern. Der Schlüssel dafür ist ein Kühlkonzept, das eine sehr homogene Temperaturverteilung über alle Zellen hinweg erlaubt. Das ist wichtig, da eine unterschiedliche Temperaturverteilung die Zellen unterschiedlich schnell altern lässt. Mit dem richtigen Kühlkonzept altern die Zellen also gleichmäßiger, was wiederum die Anforderungen an den Ausgleich der Zustände der Zellen (Cell Balancing) senkt. Die Gesamteffizienz wird damit ebenfalls gesteigert.

Aber auch das Batteriemanagement sollte in der Weise ausgelegt werden, dass es dem System zu einer möglichst hohen Effizienz verhilft und gleichzeitig die Sicherheit und Zuverlässigkeit voll gewährleistet.

Wichtig war es außerdem, die Kompatibilität mit heute auf dem Markt verfügbaren Batteriewechselrichtern zu gewährleisten. Da diese noch häufig im 48-V-Bereich arbeiten, sollte die Spannung des Systems auf diesen Bereich ausgelegt werden.

Nicht zuletzt sollte das System für den Installateur auch einfach handhabbar sein, was vor allem durch ein kompaktes Design und möglichst niedriges Gewicht erreicht werden sollte.

Auslegung

Ein wichtiger Punkt für die Auslegung eines Lithium-Ionen-Batteriesystems ist die Auswahl der Zellen. Folgende Kriterien sind bei der Auswahl wichtig:

  • Bauform (Rundzelle, prismatisch mit Hard Case oder Pouch Bag)
  • Kathodenmaterial (LiFePO4 , LiCoO2 , LiNMC)
  • Anodenmaterial (Graphit, LiTiO2 )
  • Kapazität
  • Zyklenanzahl/Lebensdauer
  • Preis

Für dieses System wurden Pouch-Bag-Zellen gewählt, da sie das beste Potenzial für einen kompakten Aufbau bieten. Außerdem haben sie im Vergleich zu Rundzellen mit gleicher Kapazität eine größere Oberfläche, wodurch sie sich besser kühlen lassen. Das kann die Lebensdauer des Systems verlängern.

Bild 1 zeigt das prinzipielle System-design. 12 Pouch-Bag-Zellen werden zu einem Modul aufgestapelt und in Reihe geschaltet,  damit der erforderliche Spannungsbereich für den Wechselrichter erreicht wird. Von den Modulen besteht jeweils eine Verbindung zum Batteriemanagementsystem für die Spannungs- und Temperaturmessung sowie für das Cell Balancing. Drei Module werden parallelgeschaltet, um die erforderliche Kapazität zu erreichen.