SMA Speichersysteme kompatibel mit verschiedenen Batterietypen

Wir werden oft gefragt, wie es mit der Kompatibilität mit den verschiedenen auf dem Markt verfügbaren Batterietypen und -technologien aussieht. Bei der Beantwortung dieser Frage hilft ein genauerer Blick auf die eigenen Erfahrungen.

Seit jeher liegt einer der Schwerpunkte von SMA auf der Integration von Batterien in die von uns angebotenen Systemlösungen. In den 1980er-Jahren wurden die ersten Off-Grid-Systeme in Betrieb genommen, die ganze Inseln mit Strom versorgten. Dabei war ein Batterie-Wechselrichter als Herzstück für die Auf- und Entladung einer großen Bleibatterie und die Steuerung des Betriebs sowie die Stabilität des Gesamtsystems zuständig. Entscheidend war, ist bis heute und wird auch weiterhin die exakte Kenntnis der „Vorlieben“ der jeweiligen Batterietechnologien, die Anforderungen an die Batterie unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu verstehen und einen Algorithmus zu finden, der sowohl das optimale Handling der Batterie als auch das gewünschte Systemverhalten gewährleistet.

Als Anbieter mit mehr als 20 Jahren Erfahrung auf diesem Sektor wissen wir, welche Anforderungen spezifische Anwendungen an die Auslegung und das Betriebsverhalten der Batterie stellen. In den letzten Jahren hat die Forschung und die Entwicklung von Batterietechnologien deutlich an Dynamik gewonnen. Verschiedenste Batterietypen waren am Markt verfügbar und es wurde klar, dass es so etwas wie die perfekte Technologie für alle Anwendungen und Anforderungen, nicht gibt. Als Anbieter von Systemlösungen waren wir uns darüber im Klaren, dass es absolut notwendig ist, die Kompatibilität mit verschiedenen Speichertechnologien sicherzustellen, um den unterschiedlichsten Kundenanforderungen gerecht zu werden.

Welche Batterietechnologie für welche Anwendung?

Vor einigen Jahren sah es so aus, als wäre eine relativ klare Zuordnung von am Markt verfügbaren Batterietechnologien über diverse Anwendungsbereiche erfolgt: Für leistungsintensive Anwendungen waren Lithium-Ionen Batterien gefragt, die zwar zu dem Zeitpunkt sehr teuer angeboten wurden, aber innerhalb kurzer Zeit große Leistungen auf- und abgeben konnten. Für die Lösungen, die eine Speicherung von Energie über mehrere Stunden mit geringer C-Rate voraussetzen boten sich natrium-basierte Hochtemperatur-Technologien an, die sehr viel geringere Kosten pro gespeicherte kWh versprachen, jedoch in puncto Dynamik einige Nachteile aufwiesen.

Es wurde – und wird – davon ausgegangen, dass der Einsatz von nickel-basierten Technologien auf Nischen- bzw. Spezialanwendungen beschränkt ist, und Flow-Technologien wurden als Energiebatterie eher für den saisonalen Ausgleich gehandelt. Bleibatterien haftete zwar das Stigma einer mehr oder weniger in die Jahre gekommenen Technologie an, sie galten jedoch als eine gute Wahl für Anwendungen, bei denen Kosteneffizienz im Vordergrund und die Anforderungen im Hinblick auf die Zyklenzahl und die Effizienz nicht im Fokus standen. Beispiele hierfür sind die USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung oder Backup-Strom) oder Off-Grid-Systeme, bei denen die Dimensionierung und Auslegung der Batterie von der „Überlebensdauer“ nach einem Notfall (meistens ein Ausfall der Stromproduktion) abhängig gemacht wurde. Eine Batterie, die darauf ausgelegt ist, zwei oder drei Tage, in denen keine erneuerbare (oder konventionelle) Stromproduktion zur Verfügung steht, zu überbrücken, wird im Normalbetrieb einer täglichen Zyklisierung von weniger als 10 % ihrer Nennkapazität ausgesetzt. Diese Belastung unterscheidet sich signifikant von denen heutiger Anwendungen am Netz.

Kostensenkung bei Lithium-Ionen Batterien

Von einem allgemeinen Standpunkt betrachtet hat sich keine dieser Aussagen grundsätzlich als falsch herausgestellt. Die reale Wettbewerbssituation auf dem Markt führte hingegen zu einigen wesentlichen Veränderungen der angesetzten Parameter. Unter den Anbietern von Natriumbatterien herrscht geringerer Wettbewerbsdruck – nur drei oder vier Anbieter halten die Rechte am geistigen Eigentum der entsprechenden Lösungen – doch in der Welt der Lithium-Ionen Batterien ist der Kampf um die Pole-Position insbesondere in Bezug auf die E-Mobilitätsvorhaben großer Automobilhersteller in vollem Gange.

Anbieter von Lithium-Ionen Batterien konnten durch die Investition hoher Summen in Forschung und Entwicklung sowie in Produktionskapazitäten die Kosten für ihre Technologie so stark senken, dass dies zu einigen Veränderungen der Ausgangsbedingungen führte. Die Ergebnisse von Ausschreibungen für große Energiespeicherprojekte der Gegenwart oder der jüngsten Vergangenheit zeigen, dass die Lithium-Ionen Batterie auch gegenüber Natrium im Kostenvergleich pro gespeicherte kWh die Nase vorn hat. Auf dem Markt für Privathaushalte gibt es erste Lithium-Ionen Batteriesysteme, die preislich günstiger als vergleichbare Bleisysteme sind, wenn man die Kosten pro „nutzbarer“ kWh zugrunde legt. Der Grund hierfür ist, dass Lithium-Ionen Batterien schlichtweg tiefer entladen werden können, ohne dass dadurch die zu erwartende Lebensdauer verkürzt wird.

Ein Vergleich der Zahlen in Bezug auf den deutschen Residential-Energiespeichermarkt ergibt folgendes Bild: Noch vor zwei Jahren war die Anzahl der Installationen, in denen Lithium-Ionen Batterien genutzt wurden, relativ klein. Der Markt wurde von Bleibatterie-basierten Systemen dominiert. Doch die Situation hat sich inzwischen signifikant verändert, ca. 80 % der Neuinstallationen weisen eine Lithium-Ionen Batterie auf. Einfaches Fazit aus dieser Situation: um in diesem Marktsegment eine führende Position beizubehalten, war und ist es erforderlich, Kompatibilität mit beiden Technologien – Blei und Lithium-Ionen – zu gewährleisten.

Der Weg zur Kompatibilität

Vor über fünf Jahren haben wir beschlossen, eine eigene, offen gelegte Schnittstelle zu entwickeln, sodass unsere Wechselrichter mit verschiedenen Batterietechnologien genutzt werden können. Motiviert dazu wurden wir von der Erkenntnis, dass sich die Betriebsweisen der Technologien unterscheiden (manche Batterien sollten regelmäßig vollständig aufgeladen werden, andere gerade nicht etc.) und für einige Technologien aus Sicherheitsgründen ein „intelligenteres“ Batteriemanagementsystem (BMS) erforderlich ist.

Dass Bleibatterien weiterhin zum Einsatz kommen würden, stand von Anfang an außer Frage: Es gibt sie weltweit, sie sind vergleichsweise kostengünstig und es wird kein spezifisches BMS benötigt. Wir entwickelten einige spezifische, konfigurierbare Algorithmen für einen optimierten Betrieb von Bleibatterien und arbeiten seitdem kontinuierlich daran, diese Algorithmen zu verbessern. Das Ergebnis: Heute kann ein Großteil der am Markt angebotenen Bleibatterien an Wechselrichter von SMA angeschlossen werden. In den letzten Jahren haben wir in enger Zusammenarbeit mit Bleibatterieherstellern eine Reihe von Parametern für deren spezifische Zellen/Batterien erarbeitet, die eine lange Lebensdauer und eine hervorragende Performance versprechen.

Für aufkommende Technologien, insbesondere für Lithium-Ionen Batterien (wobei diese eigentlich als Stand der Technik für die Anwendung im Residential-Speichermarkt gelten) ist nicht nur zu Diagnosezwecken, sondern auch aus Sicherheitsgründen ein passendes BMS erforderlich. Diese Batteriemanagementsysteme kommunizieren mit den Wechselrichtern und definieren online sowohl die Stromgrenzen als auch die bevorzugten Sollwerte innerhalb ihres erlaubten Betriebsbereichs. Die Wechselrichter nutzen die Werte um eine intelligente Systembetriebsweise zu ermöglichen, die sowohl die Anwendungsanforderungen deckt als auch die Batteriebedürfnisse berücksichtigt. Sowohl das Kommunikationsprotokoll als auch die Sicherheitsanforderungen sind allgemein zugänglich, so dass Batteriehersteller und Systemintegratoren diese in ihre Batteriemanagementsysteme implementieren können.

Doch in puncto Kompatibilität gibt es außer der Kommunikationsverbindung noch andere wichtige Aspekte. Auch die elektrische Anbindung auf der DC-Seite muss kompatibel sein: Zuerst einmal muss die DC-Systemspannung passen. Bei Batterien handelt es sich um eine Kombination aus Batteriemodulen, die aus Batteriezellen bestehen, so dass der Batteriehersteller auf Systemebene verschiedene Systemspannungen wählen kann. Die elektrische Systemintegration beinhaltet auch die Analyse des Verhaltens in verschiedenen Betriebspunkten, beispielsweise beim Neustart nach einer Systemabschaltung: Beim Anschluss von Leistungselektronik an eine Batterie werden die entladenen Kondensatoren des Gleichstromzwischenkreises direkt mit einer voll aufgeladenen Batterie verbunden, was im Allgemeinen zu starken Einschaltströmen führt. Wer irgendwann einmal versucht hat, eine vollständig aufgeladene Starterbatterie an seinem Auto zu montieren, weiß, was hiermit gemeint ist. Wenn die Einschaltströme die „Gesundheit“ der Batterie gefährden könnten, muss entweder in Bezug auf den Wechselrichter oder die Batterie ein spezifisches Betriebsverhalten implementiert werden, das sich auf die Phase vor der Aufladung bezieht.

Tests im Sinne der Kundenzufriedenheit

Um euch zu ermöglichen, euch für die derzeit „beste“ verfügbare Batterie zu entscheiden, arbeiten wir mit den bedeutendsten Akteuren der Batteriebranche zusammen. Und Zusammenarbeit bedeutet in diesem Kontext mehr als nur die Bereitstellung einer Kommunikationsschnittstelle. In unserem Testzentrum führen wir eine festgelegte Reihe an Integrationstests durch, die mit dem Test der Kommunikationsschnittstelle beginnen und über die Prüfung des sicherheitsrelevanten Verhaltens in Bezug auf das Gesamtsystem bis hin zur abschließenden Analyse des Systemverhaltens unter unterschiedlichen, anwendungsspezifischen Bedingungen reichen. Im Sinne einer maximalen Kundenzufriedenheit erarbeiten wir im Anschluss an diese Tests Empfehlungen für den optimierten Betrieb des Systems.

Dieser Artikel erschien zuerst auf dem PV Storage Tech Blog in englischer Sprache.

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