Ein Grund, warum Batteriespeicher an Kapazität verlieren, ist, dass die einzelnen Zellen im System sich im Laufe der Zeit auseinanderentwickeln. Kleine Qualitätsunterschiede, die zunächst minimal sind, vergrößern sich immer mehr. Da die Zellen aber in Reihe geschaltet sind und nur gemeinsam beladen und entladen werden können, wirkt es sich auf die Leistung des gesamten Zellstrings aus, wenn eine Zelle schwächelt. Ein regelmäßiges Balancing geht jedoch auf Kosten der Effizienz.
Interessant sind daher Konzepte, die ohne externen Wechselrichter auskommen. Sogenannte Multilevel-Wechselrichter-Konzepte erzeugen eine Sinuskurve, indem sie den Stromfluss einzelner Batteriezellen zu- oder abschalten. Ein Unternehmen, das langjährige Forschungserfahrung dazu hat und nun anbietet, Batteriehersteller bei der Produktentwicklung eigener Multilevel-Wechselrichter-Anwendungen zu unterstützen, ist p&e power&energy.
Die Gründer, Gerold Schulze und Koenraad Muyllaert, haben das Konzept mit der Universität Kassel erforscht und Prototypen entwickelt, die seit zwei Jahren ständig geladen und entladen werden. Batteriezellen haben in separaten Tests inzwischen mehr als 6.000 Zyklen mit den typischen Pulsmustern der Multilevel-Leistungselektronik absolviert. Die Zellen zeigen dabei immer noch eine Kapazität von 86 Prozent. Bei einem durchschnittlichen Photovoltaik-Speicher, der meist nur einmal pro Sonnentag geladen wird, entspräche das einer Laufzeit von 24 Jahren. Die Batterielebensdauer lasse sich durch den Multilevel-Betrieb um bis zu 50 Prozent verlängern, sagt Geschäftsführer Gerold Schulze. „Da jede Zelle individuell gesteuert wird, kann ein Gesamtsystem mit 120 oder mehr Zellen tatsächlich die Lebensdauer der Einzelzellen erreichen.“
Konkret verfügt jede einzelne Batteriezelle über eine H-Brücke aus vier Leistungshalbleitern (MOSFETs). Damit können die Zellen entweder auf spannungsfrei, Bypass, auf positive oder negative Spannung geschaltet werden. Zusätzlich wird jede Zelle von einem Mikroprozessor überwacht und von einer zentralen Steuerungseinheit geschaltet. Sind Zellen beeinträchtigt, kommen sie seltener zum Einsatz oder können bei einem Defekt komplett umgangen werden. Das Batteriemanagement ermöglicht das Monitoring jeder einzelnen Zelle. Die hohe, in der Praxis gemessene Round-Trip-Effizienz der Systeme liege bei über 93 Prozent. Die Leistungselektronik allein liegt bei bis zu 99,5 Prozent.
Da für eine hohe Spannung einfach nur eine größere Anzahl an Batteriezellen zusammengeschaltet werden müssen, haben Batteriesysteme, die damit entwickelt werden, eine hohe Bandbreite an Auslegungsmöglichkeiten. Ein Demonstrator aus 480 Zellen bringt es beispielsweise auf eine Spannung von 1.500 Volt. Ein anderer leistet Ströme von 200 Ampere. Diese beiden Kennwerte lassen sich auch in einem System kombinieren.
Der Aufwand für die Leistungselektronik entspricht dem konventioneller Systeme, erläutert Schulze, jedoch lassen sich mit dem Konzept Einsparungen beim Einkauf der Zellen erzielen, bei der Montage, dem BMS und der Inbetriebnahme. So können Zellen mit unterschiedlichen Eigenschaften verarbeitet werden, was die Auswahl an Zulieferern erhöht. Außerdem seien die Einkäufer nicht im gleichen Maße auf Qualitätsgarantien oder Selektion angewiesen wie bei herkömmlichen Systemen. Da die Zellpreise den größten Kostenblock im Batteriesystem ausmachen, wären Kosteneinsparungen um 20 Prozent möglich, schätzt er. Mit dem Konzept ist das Unternehmen Finalist beim diesjährigen The smarter E-Award.
p&e power&energy bietet an, im Rahmen einer Lizenzvereinbarung oder in Form von Projektpartnerschaften ihr Know-how für die Entwicklung und den Bau neuer Batteriespeichersysteme mit integrierter Leistungselektronik für Gleich- und Wechselspannungskopplung einzubringen und somit die Verbreitung der Multilevel-Wechselrichter-Technologie zu beschleunigen.
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