SMA: Fragen und Antworten zum zweiten Webinar

In dem Webinar mit Initiativpartner SMA ging es darum, was Schlagwörter sind und was wirkliche Argumente (sieheAufzeichnung). Generell gilt: einzelne technische Highlights sagen wenig über die Gesamtperformance aus. Es ist immer der Blick auf das Gesamtsystem nötig. Das gilt auch für das Thema "Hochvolt". Die SMA-Experten im Webinar, Martin Rothert, Leiter Produktmanagement der Business Unit Off-Grid & Storage und Michael Ebel, Technical Sales Manager in der Business Unit, versprechen sich viel von den Hochvolt-Batterien. Sie legen aber auch Wert darauf, dass man sich das Gesamtsystem anschauen muss. Nur weil die Batterien eine hohe Spannung haben, heißt das noch nicht, dass der Wirkungsgrad groß ist. Nach ihrer Einschätzung lassen sich durch Hochvoltsysteme in Zukunft die Kosten signifikant senken.

Im folgenden beantworten sie Fragen, die im Webinar offen geblieben oder besonders wichtig für das Thema sind. Die Antworten zu den Fragen aus demersten Webinar finden Siehier.

Die Batterietemperatur ist entscheidend für die Lebensdauer einer Batterie. Ist eine Outdoor-Installation unter dem Carport eher vorteilhaft um die Temperatur niedrig zu halten?

In Deutschland werden zurzeit die meisten Hausspeichersysteme Indoor installiert. Bei einer Installation im Keller herrschen übers Jahr gesehen stabile Temperaturverhältnisse, die sich auf die Lebensdauer der Batterie positiv auswirken.

Eine Outdoor-Installation des Hausspeichersystem ist nur möglich, wenn der Hersteller dies auch freigegeben hat wie zum Beispiel Tesla. Um die mittlere Temperatur bei einer Outdoor-Installation niedrig zu halten sollte die Batterie keiner direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt werden. Die Temperatur sollte aber im Winter auch nicht zu häufig unter 0 Grad Celsius sinken, da ansonsten die Batterie beheizt werden muss. Für die Lebensdauer ist in einem vereinfachten Ansatz entscheidend wie die mittlere Jahrestemperatur am Installationsort ist. Wenn diese an einem schattigen und geschützten Außenbereich geringer ist als zum Beispiel auf einem Dachboden kann eine Outdoor-Installation vorteilhaft sein.

Warum wurde die Lade-Entladeleistung bei Sunny Boy Storage auf 2,5 Kilowatt festgelegt und nicht auf 3,3 Kilowatt wie bei der Teslabatterie?

Die Batteriewechselrichterleistung sollte nur bei 30 bis 50 Prozent der Photovoltaik-Wechselrichterleistung liegen. Dies reicht völlig um den überschüssigen PV-Strom zu 99 Prozent in der Batterie zwischen zu speichern, auch bei einer Einspeisebegrenzung auf 50 Prozent. Da die typischen Photovoltaik-Anlagengrößen in Europa zwischen 5 und 10 Kilowattpeak liegen mit einem deutlichen Schwerpunkt bei 6 bis 8 Kilowattpeak, sind 2,5 Kilowattpeak Batteriewechselrichter für mehr als 90 Prozent der Hausspeichersysteme ideal. Auf der anderen Seite muss der Wechselrichter vor allem auch zum typischen Verbrauchsverhalten im Haushalt passen. Hier liegen circa 80 Prozent der Haushalte zwischen 3.000 und 7.000 Kilowattstunden. Damit liegt die mittlere Verbrauchsleistung zwischen 350 und 800 Watt. In den Abend und Nachtstunden, in denen die Batterie vornehmlich entladen wird, sogar noch deutlich darunter. Das bedeutet, der Wechselrichter muss vor allem in dem Leistungsbereich von 250 bis 750 Kilowatt einen sehr guten Wirkungsgrad aufweisen. Ein zu groß dimensionierter Batteriewechselrichter hat durch einen hiermit immer verbundenen höheren Leerlaufverbrauch auch immer einer schlechteren Wirkungsgrad bei sehr kleinen Leistungen. Gerade hier spielt aber der Sunny Boy Storage 2.5 seine Vorteile aus mit einem Wirkungsgrad von etwa 95 Prozent bereits bei 250 Watt.

Mein Großhandel hat gesagt, dass derzeit nicht mehrere Sunny Boy smart energy parallel installiert werden können. Das liege am Sunny Home Manager. Stimmt das?

Es kann nicht mehr als ein Sunny Boy Smart Energy parallelgeschaltet werden. Beim Sunny Boy Storage hingegen wird diese Möglichkeit über die Nutzung eines Sunny Home Managers zukünftig möglich sein.

Wird es den Sunny Boy Storage auch mit Notstromfunktion geben?

Ja, diese Funktion ist für Q2/2017 geplant. Bestehende Sunny Boy Storage Systeme sind auch nachträglich erweiterbar.

Im Webinar wurden die Wirkungsgradkurven des Fronius Symo-Hybrid mit denen des SMA Sunny Boy Storage verglichen. Das halte ich so nicht für sinnvoll, da das SMA-Gerät für nur eine Batterie optimiert wurde und nicht die Flexibilität des Fronius-Geräts hat. Besser wäre es, die Systeme SMA-Leistungselektronik mit Tesla-Batterie und Fronius-Leistungselektronik mit Tesla-Batterie zu vergleichen. Dann würde der Wirkungsgrad beim Laden mehr zu Buche schlagen und der Vergleich sähe vielleicht anders aus.

Es handelt sich hier in der Tat um einen Vergleich der Leistungselektronik und nicht der Batterie, wobei angenommen wurde, dass am Sunny Boy Storage eine Tesla Batterie angeschlossen ist und bei Fronius eine Sony Batterie vergleichbarer Kapazität. Derzeit sind dies die einzigen kaufbaren und direkt vergleichbaren Systemvarianten. Es ist aber auch richtig, dass wenn am Fronius Symo-Hybrid eine Tesla Batterie angeschlossen wäre der Wirkungsgrad etwas höher liegen würde, und bei der Nutzung der Sony-Batterie mit dem SMA Sunny Boy Storage der Wirkungsgrad auch eine stärkere Abhängigkeit von der Spannung hätte als im dargestellten Fall und leicht um circa ein Prozent niedriger wäre. Fakt ist aber auch, dass selbst wenn ich den Wirkungsgradverlust in diesem Vergleich für den DC/DC Steller der Tesla Batterie zum Beispiel nur 96,5 Prozent bei 500 Watt mit einrechne, das System Tesla/SMA mit circa 93 Prozent immer noch 4 Prozentpunkte besser ist als das Fronius/Sony-System. Wenn ich SMA/Sony mit Fronius/Sony bei 500 Watt Entladung vergleiche bleibt sogar ein Vorteil von mehr als 6 Prozent. Die SMA/Sony-Lösung wird voraussichtlich Im Oktober 2016 verfügbar sein.

Erwarten Sie, dass Hochvolt-Batterien ohne Wasserkühlung am Ende einen höheren Gesamtwirkungsgrad haben als Batterien mit Wasserkühlung? Wenn nein, warum nicht?

Vermutlich wird der Wirkungsgrad von nicht wassergekühlten Batterien übers Jahr etwas höher sein, als von Batterien mit Wasserkühlung. Die Wasserkühlung dient auch nicht zur Verbesserung des Wirkungsgrades, sondern zur Erhöhung der Lebensdauer. Nur mittels eines sehr guten Temperaturmanagements ist ein erweiterter Temperaturbereich und hierdurch eine Outdoor-Installation möglich. Die Unterschiede im Wirkungsgrad werden aber nicht sehr hoch sein.

Wie wirkt sich der Einsatz einer Wärmepumpe im Einfamilienhaus auf die optimale Batterieleistung aus?

Durch eine Wärmepumpe steigt mein Strombedarf übers Jahr an und somit steigt auch die ideale Welchselrichterleistung und Batteriekapazität an. Beim Sunny Boy Storage kann dies in Zukunft sehr einfach berücksichtigt werden, indem ich dann 2 oder bis zu 3 Geräte mit 2 oder 3 Batterien auf 2 oder 3 unterschiedliche Phasen installiere.

Wenn ich Photovoltaik und Batteriespeicher hauptsächlich für die direkte Beladung von Elektroautos nutzen will, was ist dann die beste Lösung und Auslegung? Ist es dann immer noch sinnvoll, AC-Systeme zu installieren?

Ja, da die Ladegeräte in den Elektroautos alle aus dem AC-Netz laden und auch die Wallboxen immer ausschließlich einen AC Anschluss haben. Theoretisch wäre natürlich auch eine direkte Ladung der Autobatterie mittels DC/DC Steller möglich und hätte auch einen etwas höheren Wirkungsgrad. Problematisch ist, dass weder die PV-Spannungen noch die Batteriespannungen und auch nicht die Kommunikation zwischen Ladegerät und Autobatterie in den Automobilen genormt sind. Auch den AC-Lader im Auto kann ich nicht einsparen, da ich ja nicht sicherstellen kann, dass ich nie über eine normale Steckdose mal das Auto nachladen will. Somit ist auch hier die AC-Kopplung die derzeit einzig sinnvolle Möglichkeit.

Wenn eine Lithium-Ionen-Batterie an einer Stelle stark geschädigt wird, kann dort eine Reaktion eintreten, bei der viel Energie frei wird. Durch diese Energie setzt sich diese Entwicklung in einer Kettenreaktion durch die gesamte Batterie fort. Ist die Schadensauswirkung bei Lithium-Eisenphosphat-Batterien bei diesem thermal Runaway nicht gleich groß wie bei anderen Lithium-Ionenbatterien? Muss man als Kunde Sorge wegen eines möglichen thermal Runaways haben?

Zunächst muss durch das Design des Systems alles getan werden, dass es zu keiner Schädigung kommen kann – alle Risiken im System müssen betrachtet werden und durch die Wahl der Zelle beziehungsweise durch das Design des Systems behoben beziehungsweise minimiert werden. Eine kritische Situation kann unter Umständen bei einem internen Kurzschluss der Zelle entstehen (das Risiko wird minimiert durch die Verwendung von hochqualitativen Zellen und der Verwendung von keramischen Separatoren). Rein von der Zusammensetzung der positiven Elektrode, hat Eisenphosphat einige Vorteile gegenüber anderen Materialien – aber nur wenn wir hochqualitative Zellen betrachten!

Für die Kunden ist es das wichtigste auf die Zertifizierung des Systems zu achten – die Systeme, die nach Sicherheitsleitfaden geprüft sind, werden auf verschiedenen System-Ebenen (Zelle, Module, System) getestet.

Wie hoch sind die Recyclingkosten, wenn Batterien später ausrangiert werden?

Im Batteriegesetz ist die Rücknahme der Batterien bereits geregelt. Der Hersteller muss die Batterie unentgeltlich auch wieder zurücknehmen. Man sollte dabei darauf achten, dass der Batteriehersteller sich hier einem gemeinsamen Rücknahmesystem angeschlossen hat und hierfür auch die entsprechenden Gebühren schon beim Inverkehrbringen entrichtet. Nur damit ist sichergestellt, dass auch bei einer Insolvenz des Batterieherstellers die Rücknahme der Batterie kostenfrei möglich ist.

Wie hoch sind die eigentlichen Kosten der Speicher-Zellen pro Kilowattstunde und was sagt das dazu aus, wie tief die Kosten für Speichersysteme überhaupt fallen können?

Eine Bewertung der Kosten für Speichersysteme ist Anhand der Kosten auf der Zellebene nicht sinnvoll, da diese nur ein Teil von Speichersystemkosten sind. Es gibt einige Studien, die sich mit der Kostenprognose auf Zell- beziehungsweise Packebene beschäftigen. Das Ziel für die Elektromobilität sind 150 US-Dollar pro Kilowattstunde auf der Packebene. Wann diese erreicht werden können, hängt auch von der EV-Entwicklung ab und den Produktionskapazitäten (wahrscheinlich werden sie erst 2025 erreicht).

Bei den Hausspeichern werden auf der Systemebene die Kosten im Vergleich zum Elektromobilität höher bleiben. In einigen Jahren sind aber auch hier 250 US-Dollar pro Kilowattstunde für die reine Batterie möglich.

Gibt es für Hochvoltbatterien höhere Zertifikatanforderungen als bei Niedervoltbatterien?

Nein!

Frage eines Bauelemente-Lieferanten: Gibt es bei Hochvoltsystemen andere Anforderungen an magnetische Komponenten im Vergleich zu denen von Solar-Wechselrichtern?

Prinzipiell nein! Es muss im Detail aber immer noch mal geprüft werden, ob sich durch den bidirektionalen Stromfluss die Anforderungen ändern.

Gibt es bei der Zellüberwachung und dem Zellbalancing einen Qualitätsunterschied zwischen den Batterien und wenn ja, worin besteht er?

Ja es gibt hier Unterschiede. Beim Zellbalancing wird vor allem zwischen einem aktiven und einem passiven Zellballancing unterschieden. Beim passiven Zellbalancing wird bei einer zu hohen Ladespannung ein Teil des Ladestroms in einem Widerstand in Wärme gewandelt. Bei einem aktiven Balancing wird er in eine noch nicht vollständig aufgeladene Zelle geschoben. Allerdings gibt es bislang wenig neutrale Studien, die untersucht haben, ob sich ein aktives Balancing wirklich rechnet. Dies hängt vor allem auch davon ab, wie gering die Streuung zwischen den Zellen ist. Habe ich Zellen mit sehr geringer Streuung, wird sich ein aktives Balacing kaum lohnen. Setze ich günstigere Zellen mit höherer Fertigungsstreuung ein, macht ein aktives Balancing sicher Sinn.

Funktioniert das Balancing bei der Teslabatterie aktiv oder passiv? Sprich wird Energie im Balancing-Fall von einer Zelle zur anderen Zelle verschoben oder nur in Wärme umgewandelt?

Passiv.

Warum sind Tesla-Batteriezellen für den Heimspeicherbereich genauso geeignet wie für den Einsatz im Auto? Ein Tesla mit einer Reichweite von 500 Kilometer wird vermutlich lediglich 250 – 300 Zyklen benötigen, während der Heimspeicher das 20-fache benötigt.

Zum einen werden in der Tesla Powerwall andere Zellen als in den Autos eingesetzt. Zum anderen ist die Zyklenfestigkeit nicht nur von der Zelle und den verwendeten Elektrodenmaterialien abhängig, sondern vor allem auch von dem in der Applikation genutzten Betriebsfenster. Hier ist die Temperaturbelastung, die Strombelastung aber vor allem auch der genutzte Ladezustandsbereich entscheidend. Vor allem durch die Einschränkung des genutzten Ladezustandsbereichs kann ich auch eine Zelle die bei 100 Prozent Kapazitätsnutzung zum Beispiel nur 500 Zyklen kann auf über 6000 Zyklen bringen, wenn nur die 60 Prozent der Nennkapazität genutzt werden. Dies entspricht er 12-fachen Zyklenfestigkeit und dem 7-fachen Energiedurchsatz. (Quelle:Kompendium Li-Batterien Seite 15)

Bei der Teslabatterie werden 48 Volt auf 400 Volt hochgesetzt. Wie hoch sind dabei die Verluste?

Genaue Daten hat Tesla hierzu noch nicht veröffentlicht. Wenn man aber von 92,5 Prozent Gesamtwirkungsgrad ausgeht und der Zelle und BMS eine Wirkungsgrad von 97 Prozent unterstellt, dann hat der DC/DC-Steller einen Wirkungsgrad von 97,6 Prozent beim Laden und Entladen.

Erfüllt die Powerwall die Kriterien für die KFW-Förderung?

Ja!