Parallel statt seriell: Die Revolution für Stromspeicher

Vorwort

Dafür, dass Stromspeicher aktuell an Bedeutung gewinnen, und dafür, dass sich dies fortsetzen wird, gibt es viele Gründe: Die Stromnetze werden durch die vermehrt dezentrale Erzeugung von Strom in anderer Form belastet. Aus Einbahnstraßen sind Straßen mit Gegenverkehr geworden, ohne dass sie dafür gebaut wurden.

Dies führt zu ungleichen Belastungen, die einen hohen Aufwand für die Regelung des Netzbetriebs sowie ein erhöhtes Risiko für Störungen mit sich bringen. Netzausfälle und -schwankungen nehmen zu. Neben der reinen Speicherung und damit erhöhten Nutzung von eigenerzeugtem Strom, sowohl in Unternehmen als auch in Privathaushalten, ergeben sich gerade im gewerblichen Bereich zusätzliche Vorteile. Der selbst erzeugte Strom lässt sich mit einem Stromspeicher unabhängig vom Zeitpunkt der Erzeugung nutzen. Der Grad der Eigenversorgung lässt sich so erhöhen. Für Unternehmen mit sogenannten „Sonderverträgen“, bei denen in der Abrechnung auch die bezogene elektrische Leistung als Entgeltbestandteil berücksichtigt wird, lohnen sich Speicher für die Kappung von Lastspitzen (Peak Shaving). Ein weiterer Einsatzbereich ist die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV). Mit einem leistungsfähigen Stromspeicher können die betrieblich notwendigen und wirtschaftlich sinnvollen Geräte und Maschinen bei einem Netzausfall versorgt werden. Oft führen diese Stromausfälle zu Schäden an Steuerungen, Sicherheits- oder EDV-Einrichtungen. Die Folgen sind Reparaturkosten, Produktionsausfälle und ggf. Lieferengpässe – mit allen sich daraus ergebenden Konsequenzen. Nicht zuletzt kann ein entsprechend dimensionierter und konfigurierter Stromspeicher auch als „Regler“ im Netz eingesetzt werden. D.h. er nimmt je nach Situation Strom aus dem Netz auf oder er gibt ihn ab und erwirtschaftet so einen zusätzlichen Kostendeckungsbeitrag.     Der Nutzen von Stromspeichern liegt also auf der Hand – allerdings gibt es hinsichtlich ihrer technischen Funktionsweise große Unterschiede: Parallel-Automatic-Charge-And-Discharge-Unit – oder kurz: Pacadu-Technologie – heißt die intelligente Stromspeicher-Steuerung der ASD Automatic Storage Device GmbH mit Sitz in Umkirch bei Freiburg. Das Besondere: Die Pacadu-Technologie schaltet die Zellen im Speicher durchgängig parallel. Nur mit dieser Steuerung lassen sich in Stromspeichern völlig unterschiedliche Zellentypen, -kapazitäten und -technologien kombinieren.

Stromspeicher: Bisheriger technischer Stand

Die Problemstellungen beim Betrieb und Design von Speichern

Grundsätzlich sind bisher die Zellen der Batteriespeicher in Reihe geschaltet. So konfiguriert und designt, müssen für den Betrieb folgende Bedingungen erfüllt sein: Alle verwendeten Batteriezellen

  • müssen vom gleichen Hersteller stammen
  • müssen vom gleichen Typ sein
  • müssen aus der gleichen Produktionscharge stammen
  • müssen einen identischen Innenwiderstand haben
  • müssen einen identischen Ladezustand haben
  • müssen über einen identischen Gesundheitszustand verfügen

Bestückt mit Zellen, die all dies erfüllen, arbeitet ein in Reihe geschaltetes Speichersystem zunächst entsprechend der zu Grunde liegenden Konfiguration. Allerdings unterliegt jede im Speicher verwendete Zelle einem eigenen individuellen Alterungsprozess, sodass die Zellen nach und nach unterschiedliche Lade- und Gesundheitszustände erreichen. Die Folge: Der Speicher entfernt sich bei jedem einzelnen Lade- und Entladevorgang vom oben beschriebenen Idealzustand. Das Ergebnis: Die Nutzkapazität des Gesamtsystems nimmt ständig und signifikant ab.

Einfluss von schwachen bzw. defekten Zellen auf die Leistung desGesamtsystems

Bei in Reihe geschalteten Speichern bestimmt die schwächste Zelle des Systems die Gesamtperformance. Verfügt beispielsweise eine einzige Zelle im System nur noch über 60 Prozent seiner Anfangskapazität, sinkt die Kapazität des gesamten in Reihe geschalteten Zellenverbundes dadurch ebenfalls auf 60 Prozent – völlig unabhängig vom Zustand der anderen Teile des Gesamtsystems.

Der Lade- und Entladevorgang in der Reihenschaltung

Beim Ladevorgang wird diejenige Batteriezelle, die zuerst ihren 100-Prozent- Füllstand erreicht hat, dafür sorgen, dass der Ladevorgang des gesamten Systems abbricht, da diese Zelle sonst zerstört würde. Gleiches gilt für diejenige Zelle, die zuerst ihre Entladeschlussspannung erreicht. Der gesamte Block kann dann nicht weiter entladen werden, da sonst diese schwächste Zelle zerstört würde. Je mehr Ladezyklen ein Block hinter sich hat, umso mehr gerät er in Schieflage, weil die Zellen nach und nach unterschiedliche Lade- und Gesundheitszustände erreichen. Die nutzbare Kapazität des Systems nimmt also ständig weiter ab. Wenn nach einer bestimmten Anzahl von Ladezyklen eine Zelle soweit in der Kapazität abgefallen ist, dass sie die Leistung des Systems signifikant mindert, ist es aufgrund der Vorbedingungen auch nicht möglich, sie gegen eine neue Zelle auszutauschen. Denn weder Kapazität, noch Innenwiderstand oder Gesundheitszustand dieser neuen Zelle werden zu den bereits gealterten Zellen, die im System verblieben sind, passen.

Auslegung in engen Grenzen

Nachgeschaltete Systeme eines stationären Stromspeichers werden in der Regel mit Wechselstrom betrieben. Das heißt, der Gleichstrom aus den Batteriezellen muss in Wechselstrom bzw. Wechselspannung transformiert werden. Die hierfür eingesetzten Wechselrichter benötigen auf der Batterieseite eine festgelegte Spannung, die typischerweise zwischen 24 und 60 Volt liegt. Je nach verwendeter Zellchemie und dem Wechselrichter-Typ lässt sich diese Spannung mit einer Verkettung von ca. 14 bis 20 Zellen erreichen. Sind solche Speicher also einmal ausgelegt, lassen sie sich praktisch nicht mehr anpassen oder nachträglich skalieren, weil die definierte Eingangsspannung des Wechselrichters auch die minimale bzw. maximale Anzahl der Zellen bestimmt.

Zusammenfassung der Nachteile herkömmlicher, in Reihe geschalteterStromspeicher

  • Es sind zwillingsgleiche, also praktisch identische Zellen für den Verbund notwendig
  • Schwache/defekte Zellen bestimmen die Gesamtperformance des Stromspeichers
  • Nach ca. drei bis fünf Jahren ist durch den individuellen Alterungsprozess der Zellen fast jedes System soweit aus dem Gleichgewicht, dass die Gesamtkapazität und damit der wirtschaftliche Nutzen signifikant abgenommen haben
  • Auslegung und Skalierbarkeit sind begrenzt

Daraus ergibt sich

  • Die Produktion von zwillingsgleichen Zellen ist aufwendig
  • Ein Investitions- und Betriebsrisiko ist gegeben, weil diese Stromspeicher
    • … nicht auf Dauer stabil und fortwährend gleich leistungsfähig sind
    • … sich nicht nachträglich skalieren lassen
  • Entscheidungen über den an sich sinnvollen Einsatz von Stromspeichern werden zurückgestellt

Paradigmenwechsel:

Was unterscheidet die Pacadu-Technologie von anderen Stromspeichersteuerungen?

Die von ASD entwickelte Speichersteuerung Pacadu macht den Unterschied. Sie schaltet die Zellen erstmals durchgängig parallel. So entstehen hohe Freiheitsgrade in der Wahl der Zellen und der Zusammenstellung der Stromspeichersysteme. Mit der Pacadu-Technologie ist es nicht mehr nötig, zwillingsgleiche Zellen mit identischem Lade- und Gesundheitszustand zu verbauen – im Gegenteil: Es lassen sich nahezu x-beliebige Zellen in das Gesamtsystem einbinden. Die Pacadu-Technologie wird als Bauteil auf eine oder ggf. mehrere parallelverschaltete Zellen montiert. Sie lässt sich jeweils separat ansteuern und durch die Eingabe weniger Parameter auf die angeschlossene Zelle(n) anpassen. Dadurch ergibt sich ein zweiter bedeutender Vorteil, die Skalierbarkeit: Das System lässt sich jederzeit und praktisch beliebig aufrüsten oder auch reduzieren – das schafft sonst keine Stromspeicherlösung.

Die Pacadu-Technologie – wesentliche Merkmale

Mit der intelligenten Stromspeicher-Steuerung Pacadu werden Zellen in Stromspeichern durchgängig parallelgeschaltet. Die üblichen, durch die bisher gebräuchliche Reihenschaltung bedingten Nachteile, werden damit auf einmal eliminiert:

  • Keine Einschränkungen bei der Auswahl und Zusammenstellung der Zellen
  • Leistungsfähigkeit und Lebensdauer des kompletten Speichersystems werden nicht länger durch die schwächste Zelle bestimmt
  • Defekte Zellen, lassen sich einfach austauschen
  • Das Speichersystem ist frei konfigurierbar mit unterschiedlichen Zelltypen, -kapazitäten und -technologien
  • Pacadu-gesteuerte Speicher können einfach und fast beliebig vergrößert und vor allem, auch verkleinert werden

Fazit: Die Pacadu-Technologie erhöht die Wirtschaftlichkeit der damit ausgestatteten Speichersysteme durch hohe Freiheitsgrade und die Optimierung der Leistung der Einzelkomponenten (Zellen) über die Lebensdauer.

Arbeit oder Leistung?
Pacadu-Stromspeicher können beides

Batteriezellen haben entweder eine hohe Kapazität oder sie sind für eine schnelle Leistungsabgabe entwickelt. Beides in einem Speicher zu vereinen, war bisher nicht möglich. Mit der Pacadu-Technologie ist die Trennung zwischen den physikalischen Größen Arbeit und Leistung erstmals möglich. Damit lassen sich nun beide Zelltypen in einem Speichersystem vereinen. So ist es möglich, dass Teilbereiche des Speichers mit Leistungszellen bestückt sind, um kurzzeitige Leistungsspitzen abzudecken. Andere Bereiche desselben Speichers sind mit Kapazitätszellen ausgestattet, sodass sie für lange Zeit eine konstante Grundlast abdecken können. Ein derart aufgebauter Speicher ist prädestiniert für den Einsatz in Elektroautos. Er ist auch deutlich wirtschaftlicher als ein herkömmlicher Speicher, der diese beiden Aufgaben mit gleichartigen Zellen erfüllen muss.

Optimierte Leistung garantiert hohen Systemwirkungsgrad

Hinzu kommen die Wirkungsgrad-Vorteile von Pacadu-gesteuerten Speichern

  • Es kommen immer nur so viele Einzelelemente des Speichersystems zum Einsatz, wie für die abgerufene Leistung nötig ist
  • Die Pacadu-Technologie verfügt über mehrere Betriebsstufen, die in Abhängigkeit von der Belastung geschaltet werden

Dies trägt dazu bei, dass Pacadu-gesteuerte Systeme in nahezu jedem beliebigen Arbeitsbereich einen Wirkungsgrad von über 90 Prozent erreichen.

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