Solarwatt im Geschwindigkeitsrausch

Seit der Vorstellung des Photovoltaik-Heimspeichersystems „My Reserve“ ist inzwischen ein Jahr vergangen und mehr als 1.000 Systeme sind bei Kunden installiert worden. Entwickelt und gefertigt werden diese Speichersysteme von Solarwatt in Frechen bei Köln. Im April 2016 verkündete der Hersteller die Übernahme des ehemaligen Kooperationspartners e-Wolf und wenige Wochen später dann die Ernennung eines neuen Geschäftsführers des in Solarwatt Innovation umbenannten Geschäftsbereichs.
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in der Print-Juniausgabe (2016) haben wir angegeben, dass unter Webcode 6573 die Langversion des abgedruckten Kurzinterviews mit Andreas Gutsch zu finden sein wird. Das dauert voraussichtlich bin nach der Intersolar.
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Wir trafen den neuen Geschäftsführer von Solarwatt Innovation, Andreas Gutsch, am Entwicklungs- und Fertigungsstandort für die Speichersysteme von Solarwatt in einem Gewerbegebiet westlich von Köln, wenige Tage nach seiner Berufung auf die neue Position. Vor seinem Engagement bei Solarwatt hatte Gutsch mehrere leitende Positionen bei Pionieren in der deutschen E-Mobilität- und Batteriespeicher-Branche inne. Er war es auch, der Solarwatt, den bekannten deutschen Photovoltaik-Modulhersteller aus Dresden, zusammenbrachte mit e-Wolf, einem Spezialisten für e-Mobilität im Westen der Republik, aus dem Solarwatt Innovation hervorgehen sollte. Rund 600 Kilometer westlich gelegen vom Solarwatt-Stammsitz in Dresden umfasst das Team der Firma, die vor der Übernahme unter dem Namen e-Wolf firmierte, die entscheidenden Köpfe, welche das „My Reserve“-Heimspeichersystem zusammen mit Solarwatt designed und entwickelt haben und heute auch assemblieren.

e-Wolf: Von der Formel 1 zur Elektromobilität

Man würde nicht unbedingt erwarten, dass ein unauffälliges Gebäude neben einer Schnellstraße in einem Gewerbegebiet südwestlich von Köln einen der Pioniere auf dem Bereich der E-Mobilität in Deutschland und das heutige Kompetenzzentrum für Heimspeichersysteme der Solarwatt beherbergt. Dass die Wurzeln von e-Wolf im Automobilsektor liegen, ist nicht zu übersehen, wenn man sich dem Gebäude vom Parkplatz her nähert. Automatische Garagentore und diverse Sportwagen, die stolz zur Schau gestellt werden, erwecken eher die Assoziation, dass man sich einem spezialisierten Car-Tuner nähert, als dem Entwicklungs- und Fertigungszentrum für die Photovoltaik-Heimspeichersysteme von Solarwatt.

Noch heute stehen in den Produktionsräumen die Zeugen der Vergangenheit, als e-Wolf noch Rennwagen herstellte. (Foto: Götz Fischbeck).
e-Wolf wurde 2009 von einem kleinen Team von Ingenieuren gegründet, die zuvor für die Toyota Motorsport GmbH in Marsdorf bei Köln gearbeitet hatten. In den Jahren davor, als Toyota noch ein eigenes Formel-1-Rennteam hatte, entwickelte dieses Ingenieurteam das sogenannte K.E.R.S. für den Formel-1 Rennwagen. K.E.R.S. steht für Kinetische-Energie-Rückgewinnungs-System. Dieses System speist eine Batterie mit zusätzlicher Energie, die aus dem Verzögerungsvorgang des Rennwagens gewonnen wird. Im Gegensatz zu klassischen Bremssystemen, bei denen die kinetische Energie des Rennwagens nur in Hitze umgewandelt wird und damit keiner weiteren Nutzung zugeführt werden kann, ermöglicht das K.E.R.S., einen Teil der Bremsenergie für das nächste Beschleunigungs- oder Überholmanöver zu nutzen. Damit konnte die Formel 1 zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen: man demonstrierte, dass auch die Formel 1 an einer effizienteren Nutzung der Energie interessiert ist und konnte gleichzeitig die Rennen spannender gestalten, weil die zusätzlichen Elektromotoren, welche aus der an das K.E.R.S. angeschlossenen Batterie gespeist wurden, mehr Renndynamik und mehr Überholmanöver ermöglichte.

Als sich Toyota 2009 aus der Formel 1 verabschiedete, entwickelte dieses Ingenieurteam die Idee, ihr geballtes Know-how, welches sie über die Jahre in dem anspruchsvollen Formel-1 Zirkus erworben hatte, zu nutzen, um die E-Mobilität in Deutschland voranzutreiben. Sie entwarfen rein elektrisch angetriebene Sportwagen und Limousinen, von denen sie über die Jahre mehr als 50 Fahrzeuge verkauften.

Auch heute noch wird dem elektrischen Rennwagen, der von e-Wolf designt und gebaut wurde und bis heute den Rundenrekord für reine Elektrofahrzeuge auf dem Nürburgring hält, ein prominenter Platz in dem Firmengebäude eingeräumt. Die automobilen Ingenieurs-Höchstleistungen waren jedoch nicht von einem entsprechenden wirtschaftlichen Erfolg gekrönt. Die meisten von e-Wolf entwickelten Elektrofahrzeuge wurden nur in Kleinstserien gebaut oder waren sogar Einzelstücke. Um wirtschaftlich erfolgreicher werden zu können bestand die Aufgabe darin, nach Anwendungsmöglichkeiten zu suchen, wo das Know-how von e-Wolf auch in massentaugliche Produkte einfließen konnte. Der erste Schritt in diese Richtung führte e-Wolf dazu, rein elektrisch angetriebene Nutzfahrzeuge zu entwickeln. Ein Kunde aus der Türkei zeigte großes Interesse, einen von e-Wolf entwickelten Kleinbus in größeren Stückzahlen abzunehmen. Als sich dieses Projekt jedoch zerschlug, musste e-Wolf einräumen, dass der reine E-Mobilitäts-Markt immer noch eine sehr kleine Nische darstellte. Es stellte sich als zu riskant heraus, die Unternehmenszukunft allein an dieses Anwendungsfeld zu knüpfen.

Seit 2011 sind die Ingenieure von e-Wolf auch aktiv in der Entwicklung von stationären Speichersystemen. Im April 2016 wurde das Unternehmen schließlich komplett von Solarwatt übernommen. Mittlerweile firmiert es unter dem Namen Solarwatt Innovation und hat mit Andreas Gutsch einen erfahrenen Experten an der Spitze. (Foto 1 und 2: Götz Fischbeck)

Daher unternahm e-Wolf im Jahr 2011 erste Entwicklungsarbeiten im Bereich stationärer Speichersysteme. Das war zu einer Zeit, als der Eigenverbrauch von Solarstrom in Deutschland noch großzügig gefördert wurde. Um die Stromnetze zu entlasten, war es gewünscht, dass auch viele der dezentralen PV-Anlagen mit Speichersystemen ausgerüstet würden, so dass mehr von dem vor Ort produzierten Strom auch direkt dort konsumiert werden konnte. Für solche Anwendungsfälle übernahm e-Wolf ab 2011 erste Entwicklungsaufträge von externen Auftraggebern.

Der Einstieg von Solarwatt

Mitte 2013 fiel bei Solarwatt, einem bekannten Photovoltaik-Modulhersteller aus Dresden, die Entscheidung, das Produktportfolio zu erweitern. Energiemanagement-Systeme und Energie-Speicherlösungen waren die offensichtlichen Ergänzungen, um die Solarwatt sein Produktangebot erweitern wollte, um sich in dem Marktsegment „PV-Anlagen für Privatkunden“, in welchem Solarwatt traditionell hohe Marktanteile hat, noch stärker zu positionieren und von Wettbewerbern zu differenzieren.

Solarwatt analysierte die am Markt verfügbaren Speichersysteme für Privatkunden, kam aber zu dem Schluss, dass keines der bereits verfügbaren Systeme ihrem Anforderungsprofil genügen würde.

Also entschied man sich für eine komplette Neuentwicklung. Es war klar, dass dies der längere und auch aufwändigere Weg werden würde. Aber nur dieser Ansatz bot die Möglichkeit, ein eigenes Heimspeichersystem zu entwickeln, welches exakt auf den Anwendungsfall Batterie in Kombination mit einer PV-Anlagen im häuslichen Umfeld zugeschnitten war, ohne sich mit Beschränkungen abfinden zu müssen, die sich (zwangsläufig) aus der Adaption eines bereits bestehenden Systems ergeben hätten.

An erster Stelle des Anforderungskatalogs stand die Systemsicherheit. Es stand für Solarwatt völlig außer Frage, dass auf diesem Gebiet keinerlei Kompromisse eingegangen werden durften. Solarwatt wandte sich daher an das Karlsruhe Institut für Technologie (KIT), um mit deren Experten gemeinsam den Anforderungskatalog sowohl in Hinsicht auf System-Performance als auch in Hinblick auf die Systemsicherheit für das Batteriesystem zu erstellen. Das KIT verfügt über langjährige Erfahrungen im Testen und Evaluieren des Sicherheitsniveaus von Batteriesystemen und berät Hersteller darin, wie Sie das inhärente Sicherheitsniveau ihrer Speichersysteme erhöhen können. Zum Zeitpunkt, als Solarwatt auf der Suche nach geeigneten Systempartnern war, war Andreas Gutsch noch Leiter des Kompetenzzentrums Batterietechnologie am KIT.

Carsten Bovenschen, der Finanzvorstand von Solarwatt, führt aus: “Als wir die Entscheidung getroffen hatten unter der Marke Solarwatt ein eigenes Heimspeichersystem zu entwickeln, war für uns von Anfang an klar, dass wir keinerlei Kompromisse hinsichtlich der Systemsicherheit eingehen würden. Die ‚My Reserve‘ ist das erste Speichersystem am Markt, welches den Sicherheitsleitfaden für Li-Ionen-Hausspeicher voll umfänglich erfüllt.“ Dieser Sicherheitsleitfaden wurde im Herbst 2014 unter Beteiligung vom Bundesverband Energiespeicher e.V. (BVES), dem Bundesverband Solarwirtschaft e.V. (BSW-Solar), dem Zentralverband der Deutschen Elektro- und Informationstechnischen Handwerke (ZVEH), der Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie e.V. (DGS) sowie der Storegio Energiespeichersysteme e.V. veröffentlicht. Die Erstellung erfolgte unter fachlicher Begleitung durch den TÜV Rheinland, den VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V., die CETECOM ICT Services GmbH, dem KIT sowie dem ZVEI – Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e. V.
"In manchen Belangen übertreffen wir sogar die Sicherheitsanforderungen, die in diesem Leitfaden formuliert sind. Sicherheit steht für uns immer an erster Stelle“, betont Bovenschen und ergänzt: “Unseren Anspruch, die höchstmögliche Systemsicherheit zu gewährleisten, verwirklichen wir auch dadurch, dass unsere „My Reserve“ keinen Austausch mit dem Internet benötigt, um seiner Lade- und Entladezyklen zu optimieren. Daher ist es für Hacker unmöglich, sich über das Internet Zugang zu unserem System zu verschaffen.“

Alleinstellungsmerkmale der „My Reserve“-Speichersysteme

Neben den Ansprüchen an die Sicherheitsmerkmale war eine weitere entscheidende Vorgabe für das Lastenheft des zu entwickelnden Speichersystems, dass es sowohl aus energetischer wie auch aus wirtschaftlicher Sicht besonders effizient sein sollte. Diese Vorgabe führte zu einem Systemdesign, welches in seiner Ausprägung derzeit am Markt einzigartig ist. Die „My Reserve“-Batterie ist generatorseitig gekoppelt, das heißt sie wird an dem DC-String der Module noch vor dem Wechselrichtereingang angeschlossen.

Dieses Konzept zeichnet sich durch einige Vorteile aus: das Speichersystem benötigt keinen eigenen Wechselrichter. Dieser Ansatz spart nicht nur die Kosten für den Batterie-Wechselrichter sondern er reduziert auch die energetischen Verluste, weil jeder Wechselrichter nur einen begrenzten Wirkungsgrad hat.

Der Anschluss der Batterie auf der Generatorseite birgt außerdem noch das Potenzial, die Lebensdauer des Wechselrichters der PV-Anlage zu verlängern. Wenn die Solarmodule mittags am meisten Strom produzieren, wird in der Regel von der Batterie ein erheblicher Teil hiervon abgezweigt, um die Batterie zu laden (sofern die Stromproduktion der Module die Stromnachfrage im Haushalt übertrifft). Abends und nachts, wenn die PV-Anlage keinen weiteren Strom produziert, wird die Batterie entladen, um den Strombedarf im Haushalt zu decken. In Summe ist der Energiefluss durch den Wechselrichter über 24 Stunden betrachtet unverändert, egal ob eine Batterie im System installiert ist oder nicht. Jedoch wird der Energiefluss durch den Wechselrichter homogenisiert: hohe Energieflüsse zur Mittagszeit, die über den lokalen Strombedarf im Haushalt hinausgehen, werden vermieden. Dieser Homogenisierung des Energieflusses führt zu einer geringeren Beanspruchung der Leistungselektronik.

Ein weiteres Merkmal, mit dem sich das „My Reserve“-Speichersystem von Konkurrenzprodukten abhebt, wie Solarwatt meint, besteht in den schnellen Regelalgorithmen, die in der Steuerelektronik implementiert sind (siehe Grafik 1). „ Kurze Reaktionszeiten sind ein Bestandteil der DNA von Solarwatt Innovation“, führt Andreas Gutsch aus. „Die Ingenieure, welche das „My Reserve“-Speichersystem entwickelt haben, haben früher für ein Formel-1-Team gearbeitet. Daher war es immer außer Frage, dass wir nur ein Speichersystem entwickeln würden, was Reaktionszeiten unter einer Sekunde hat.“

Grafik 1: Reaktionszeiten des Solarwatt-Heimspeichers "My Reserve". (Grafik: pv magazine/Harald Schütt)

Auf der Überholspur

Gutsch verweist darauf, das Solarwatt besonders schnelle und effiziente Sensoren benutzt, welche speziell für diesen Anwendungsfall entwickelt wurden. In Verbindung mit schnellen Regelalgorithmen und Hochleistungsprozessoren stellen diese anwendungsspezifischen Sensoren sicher, dass sowohl die Last im Haushalt als auch die Stromproduktion der PV-Anlage zu jedem Zeitpunkt genauestens erfasst wird und entsprechend der Betriebszustand der Batterie fortlaufend angepasst wird.

„Wir haben sogar gewisse Verzögerungsschleifen (im Millisekunden-Bereich) in die Regelalgorithmen der Batterie eingebaut, um sicherzugehen, dass die Batterie nicht durch zu steile Lastwechsel vorzeitig altert. Wir gehen davon aus, dass wir derzeit das Heimspeichersystem mit den schnellsten Reaktionszeiten am Markt anbieten. Diese schnelle Anpassung an den Lastgang beziehungsweise die Stromproduktion der PV-Anlage geht aber nicht zu Lasten der Lebensdauer der Batterie, welche darauf ausgelegt ist, deutlich mehr als eine Dekade im täglichen Betrieb störungsfrei zu funktionieren“, erklärt Gutsch.

„Auch bei der Entwicklung der Regelalgorithmen zum Be- und Entladen des Speichers haben wir durch intelligente Software darauf geachtet, dass die Langlebigkeit der Batterie gewährleistet wird. Der Ladevorgang der Batterie wird so gesteuert, dass die Batterie erst kurz bevor sie (voraussichtlich) in den Entlademodus wechselt, vollgeladen ist. Lithium-Ionen Batterien altern schneller, wenn sie längere Zeit voll aufgeladen sind, bevor wieder Energie aus den Speichern entnommen wird“, erklärt der promovierte Geschäftsführer von Solarwatt Innovation.

Johannes Weniger, Doktorand an der Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Berlin in der Forschungsgruppe „Solarspeichersysteme“, räumt ein: „Einige kommerziell verfügbare Heimspeichersysteme haben Reaktionszeiten von mehr als fünf Sekunden. Im täglichen Betrieb führen solche nur mit Verzögerung reagierenden Systeme zu erheblichen Ineffizienzen. Über die lange Lebensdauer von Heimspeichersystemen führt ein träge reagierender Regelalgorithmus unmittelbar zu wirtschaftlichen Nachteilen. Über die Jahre kann sich der Nachteil auf mehrere 100 Euro aufsummieren. Solange die am Markt verfügbaren Heimspeichersysteme ein so unterschiedliches dynamisches Verhalten zeigen, sollte es nach unserem Verständnis verpflichtend sein, die Reaktionszeit des Systems im Datenblatt anzugeben. Heute sucht man solche Angaben in den allermeisten Datenblättern vergebens.“

Kai-Philipp Kairies vom Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) der RWTH Aachen, welche das wissenschaftliche Monitoring-Programm für Solarstromspeicher für das Bundeswirtschaftsministerium durchführt, veröffentlichte im jüngstenJahresbericht Ende Mai erste Messergebnisse von dem zeitlich hochaufgelösten Monitoring, welches an ausgewählten Heimspeichersystemen im Feld durchgeführt wird. In dem Jahresbericht wird die dynamische Reaktion eines kommerziellen Systems auf einen Lastwechsel wiedergegeben (siehe Grafik 2). Wie man der Grafik entnehmen kann, reagiert das System auf einen Lastwechsel erst mit zwei Sekunden Verzögerung. Aufgrund langsamer Regelalgorithmen benötigt das spezifische Heimspeichersystem weitere 16 Sekunden, bevor es einen stabilen Arbeitspunkt erreicht hat. Zieht man in Betracht, dass eine ganze Reihe typischer Haushaltsgeräte seinen Strombedarf in kurzfristigen Intervallen taktet, ist es offensichtlich, dass solche langsam reagierenden Speichersysteme nicht gut geeignet sind, um den Solarstrom effizient zu nutzen.

Grafik 2 zeigt die dynamische Reaktion eines kommerziellen Systems eines Wettbewerbers auf einen Lastwechsel. (Grafik: pv magazine/Harald Schütt)

Kai-Philipp Kairies sieht noch erhebliches Verbesserungspotenzial für zukünftige Iterationen von Heimspeichersystemen, solange träges dynamisches Verhalten eher die Regel als die Ausnahme darstellen. „Es gibt keinen technologischen Grund, warum Heimspeichersysteme solche langsamen Reaktionszeiten aufweisen sollten“, führt er aus. „Die Dynamik des Systems ist allein abhängig von der Auswahl geeigneter Sensoren und Prozessoren sowie der entsprechend angepassten Steuersoftware.“

Sandra Thiele, Produktmanagerin für „My Reserve“, hebt noch einen weiteren Vorzug des „My Reserve“-Heimspeichersystems hervor, welches es von Konkurrenzprodukten am Markt unterscheidet. “Auf Grund der Anbindung des Speichers auf der Generatorseite verbessert unser Speichersystem sogar die Leistung der PV-Anlage bei Schwachlichtbedingungen“, sagt sie. „Die Steuerelektronik unserer Batterie stabilisiert die Spannung des Systems, womit das MPP-Tracking bei niedriger Strahlungsleistung verbessert wird. Mit Hilfe unseres Speichersystems gelingt es dem Kunden, noch einige zusätzliche Kilowattstunden an Strom aus der PV-Anlage zu kitzeln. Dieser Effekt basiert auf der gleichen Technologie, die auch bei sogenannten „String-Optimizern“ zum Einsatz kommt, welche ebenfalls die Schwachlichtperformance von PV-Anlagen verbessern.“

Vom Boxenstopp auf die Pole Position

Angesichts der zahlreichen technischen Merkmale, welche das Heimspeichersystem von Solarwatt von Konkurrenzprodukten unterscheidet, war der Hersteller bei der Produktankündigung im vergangenen Jahr auf der Intersolar Europe in keiner Weise zurückhaltend. Solarwatt sorgte sogar dafür gesorgt, dass SPD-Bundeswirtschaftsminister Sigmar Gabriel sich an ihrem Stand das Batteriekonzept von „My Reserve“ erklären ließ und sich anschließend mit dem Eigentümer von Solarwatt, Stefan Quandt, über den Fortschritt der Energiewende austauschte.

Bei der Presseveranstaltung zur Produktvorstellung auf der Intersolar Europe bezeichnete das Management von Solarwatt „My Reserve“ schlicht als eine Revolution. Kräftig wurde die Werbetrommel gerührt mit Hinweisen auf die Vorzüge des Systems. Insbesondere die Modularität des Speichersystems, das extrem hohe Sicherheitsniveau, die Energieeffizienz und der günstige Anschaffungspreis wurden als Differenzierungsmerkmale hervorgehoben.

Der Geschäftsführer von Solarwatt, Detlef Neuhaus, fasste die Produktvorstellung so zusammen: „My Reserve“ sei das erste System, welches alle Anforderungen des Sicherheitsleitfadens für Li-Ionen-Hausspeicher erfülle und gleichzeitig auch noch wirtschaftlich Sinn machen würde.

Eine Konsequenz aus ihren vollmundigen Ankündigungen hatte Solarwatt aber ganz offensichtlich unterschätzt: auch wenn die Auslieferung erster Speichersysteme erst für den Herbst des vergangenen Jahres angekündigt worden war, hatte man innerhalb weniger Wochen nach der Intersolar Europe bereits einige hundert Aufträge eingesammelt. Zwar war die Produktentwicklung rechtzeitig zur Messe im Juni 2015 abgeschlossen, die Ingenieure arbeiteten aber weiterhin unter Hochdruck an einer Optimierung der Software sowie der Hardware des Systems. Es dauerte bis Oktober, bis die ersten Speichersysteme bei Kunden installiert werden konnten. Manche der Kunden, die sich frühzeitig ein „My Reserve“-System hatten sichern wollen, mussten so fast sechs Monate warten, bis sie es endlich ihr Eigen nennen konnten. Im Zuge des Produktions-Ramp-ups für die Speichersysteme wurde Solarwatt auch bewusst, dass es strategisch viel mehr Sinn machen würde, e-Wolf komplett zu übernehmen, um die gesamte Schlüsseltechnologie und das Know-how inhouse zu haben. So war es nur ein logischer Schritt, dass Solarwatt im April 2016 mitteilte, e-Wolf komplett übernommen zu haben und in Solarwatt Innovation unbenannt zu haben.

Seit Herbst 2015 liefert Solarwatt seinen PV-Heimspeicher "My Reserve" nun auch aus. Der Hersteller ist zuversichtlich, dank der Übernahme von e-Wolf demnächst Lieferzeiten von unter zwei Wochen erreichen zu können. (Foto: Solarwatt)

Rückblickend könnte man argumentieren, dass Solarwatt mit der Produktankündigung ihrer Batterie vielleicht ein wenig vorschnell war – quasi im Geschwindigkeitsrausch insbesondere solange die Eigentumsverhältnisse und die Organisation dieses Produktionsbereichs noch nicht an die neuen Anforderungen angepasst waren. Nun aber, nachdem im Rahmen eines Boxenstopps die notwendigen Anpassungen vollzogen werden konnten, zeigt sich Solarwatt Innovation zuversichtlich, jegliche Nachfrage nach ihren Photovoltaik-Heimspeichersystemen zeitnah bedienen zu können. Das Management ist optimistisch, Lieferzeiten von unter zwei Wochen den Kunden zusichern zu können und sieht sich damit für das nächste Rennen um die Gunst der Kunden in der Pole Position. (Götz Fischbeck)

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