Speicher Highlights: Eine Kaskade für effizientere Batteriesysteme von m-Bee

Die Geschichte der Firma m-Bee begann mit einem Zufall. Im Jahr 2007 hat Nam Truong sein Studium an der Technischen Universität München begonnen. Zwei Tage nach Semesterbeginn fand er sich auf einem Platz neben Arthur Singer wieder. Jetzt arbeiten die beiden nach Beendigung ihrer Promotion an dem neuen Start-up, das sie zusammen mit zwei weiteren ehemaligen Studenten gegründet haben. Sie wollen nicht weniger als eine völlig andere Technologie für Batteriewechselrichter entwickeln, was der Jury einen Platz unter den Megawatt-Gewinnern der diesjährigen pv magazine energy storage highlights wert war.

„Wir heben die strikte Trennung zwischen Batterien und Leistungselektronik auf“, erklärt Nam Truong, der auch als Geschäftsführer fungiert. Sie schalten die Batterien stattdessen so raffiniert zu einem Schwarm zusammen, dass am Ende eine Wechselspannung mit der richtigen Spannung entsteht.

Solch ein „Multi-Level-Ansatz“ kann mehrere Vorteile bringen, sagt Truong. Am Ende kann zum Beispiel eine größere Flexibilität stehen, wenn man verschiedene Batterietypen oder Second-Life-Batterien zusammenschalten will, oder man könne einen höheren Wirkungsgrad über einen breiten Leistungsbereich bei ähnlichen Kosten erreichen, so dass die Gesamtkosten sinken. Das würden die Erfahrungen aus der Hochspannungs-Gleichspannungs-Übertragung lehren. „Dort ist diese Technologie für die Umrichter Standard“.

In herkömmlichen Batteriesystemen werden Batterieblöcke mit zum Beispiel 48 Volt in Reihe hintereinandergeschaltet, so dass Wechselrichter mit hohen Eingangsspannungen von teilweise über 700 Volt betrieben werden können. Die elektronischen Bauelemente schalten den Stromfluss bei dieser Spannung mit hoher Frequenz ein und aus. Nachgeschaltete Filter glätten die Kurve, bis am Ende die gewünschte sinusförmige Wechselspannung bei 220 Volt beziehungsweise 380 Volt für Drehstromsysteme entsteht.

In dem neuartigen System von m-Bee mit dem Produktnamen “Stabl“ werden die einzelnen Batterien stattdessen direkt mit elektronischen Schaltern verbunden. Diese bestimmen, welche Batterien zu einem bestimmten Zeitpunkt parallel, und zu einem anderen Zeitpunkt vielleicht in Reihe geschaltet werden. Dadurch lässt sich die Sinuskurve der Wechselspannung direkt erzeugen. Die Bauteile arbeiten somit bei Batteriespannung statt bei der höheren Systemspannung, außerdem auch bei niedrigerer Frequenz. Man benötige zwar mehr Bauteile, so Truong, diese seien aber günstiger. Und die Feldeffektransistoren hätten bei den niedrigeren Spannungen auch geringere Verluste, als die bei herkömmlichen Wechselrichtern eingesetzten IGBTs.

Das Balancing der Batterien übernimmt dabei die Software-Steuerung der Schalter. Der Begriff bezeichnet den Ausgleich verschiedener Batterieeigenschaften, wenn Komponenten unterschiedlich altern oder unterschiedlicher Bauart sind. Selbst der Ausfall einzelner Module lasse sich bei dem Konzept auffangen. Bei Wartungsarbeiten hat man im Übrigen den Vorteil, dass nur die niedrige Batteriespannung anliegt und nicht wie bei Batterie-Serienschaltungen herkömmlicher Systeme die hohe Systemspannung.

Dass das Konzept im Prinzip funktioniert, habe Artur Singer bereits in seiner Doktorarbeit an der Bundeswehr Universität in München gezeigt. Dort wurde die Technologie zusammen mit dem Speicher EPC Smartpower entwickelt. Im Labor des Start-ups steht nun ebenfalls ein, nach Aussage von Truong, arbeitsfähiges System. Daran messen und optimieren die Unternehmensgründer derzeit die Schaltung und den Wirkungsgrad. Die ersten Messergebnisse seien vielversprechend, so Truong. Herkömmliche Systeme hätten oft schlechte Wirkungsgrade bei niedrigen Lasten. Das sei bei ihrem Prototypen anders.

Das staatliche Existenzgründer und -Forschungstransferprogramm „Exist“ erlaubte den jungen Wissenschaftlern die ersten Schritte. Derzeit sind sie mit möglichen Investoren für eine Seed-Finanzierung im Gespräch. Das gestaltet sich deutlich schwieriger als bei etwa einer App-Entwicklung. „Wenn man Hardware entwickelt, benötigt man größere Summen und Fehler schlagen stärker zu Buche“, so Truong. Er ist trotzdem zuversichtlich, dass sie diese Hürde bald nehmen.

Kürzlich erfolgte der nächste große Schritt. „Wir haben gerade ein Pilotsystem bei Smartpower, das 115 Kilowattstunden Second Life Batterien enthält, mit einem 50 Kilovoltampere Wechselrichter ausgestattet“, sagt Truong. Als nächstes steht es an, die notwendigen Zertifikate zu bekommen. Ende des Jahres sollen die Komponenten auf den Markt kommen, mit denen Speichersysteme nach dem neuen Konzept aufgebaut werden können. Die Gründer zielen dabei auf Systeme größer 60 Kilowatt.

Die pv magazine storage highlight Jury:

Nina Munzke arbeitet seit 2012 am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und ist dort Teamleiterin des Bereichs „Systemsteuerung und Analyse“. Am Elektrotechnischen Institut des KIT legte sie ihren Schwerpunkt auf Energiespeichersystemen. Munzke hat umfangreiche Erfahrung auf dem Gebiet der Dimensionierung und Simulation, zusätzlich zur Entwicklung von intelligente Systemsteuerung für die stationäre Speichersysteme. Sie ist außerdem Expertin für die Bewertung der Leistung stationärer Speichersysteme.

Xavier Daval ist ein internationaler Photovoltaik- und Speicherexperte, und der CEO der französischen solartechnischen Beratungsfirma Kilowattsol SAS, die die er 2007 gegründet hat. Daval ist Ingenieur und der ehemalige EMEA-Direktor eines börsennotierten Herstellers in der Elektronikbranche. Er ist auch Vizepräsident der französischen Verband für erneuerbare Energien Syndicat des Energien Renouvelables (SER), der Vorsitzende der Solarkommission SER-SOLER, und der Direktor des Global Solar Council.

Julian Jansen leitet bei IHS Markit Technology die weltweite Forschung der Gruppe zu stationären Energiespeichern. Er bietet Einblicke zu den Triebkräften am Markt und zu neu aufkommenden Geschäftsmodellen, , die zu einem beschleunigen Zubau in ganz Europa und Nordamerika führen. Jansen liefert auch strategische Beratung für Projekte mit neuen Energietechnologien.

James Frith führt das Energiespeicher-Team bei BloombergNEF. Er leitet die Berichterstattung über Energiespeichertechnologien und die Lithiumbatterie-Versorgungskette, die Erkenntnisse über Technologie, Märkte, Politik und Regulierung liefert. Er nutzt seinen Hintergrund in Batterieforschung, um wichtige Fakten zu den chemischen Zusammensetzungen, Anwendungen und Märkte für Lithium-Ionen-Batterien zu analysieren.

Florian Mayr ist Partner bei Apricum und Experte für Energiespeicher, erneuerbare Energien und Elektromobilität. Mayr unterstützt Unternehmen auf der ganzen Welt, um im Bereich Cleantech zu wachsen, indem zu Strategie und zu Transaktionen in diesem Sektor berät. Vor seinem Eintritt bei Apricum war Mayr acht Jahre in leitender Position bei McKinsey & Company und dem Energiekonzern RWE tätig.

Mark Higgins ist der COO von Strategen. Das Unternehmen fokussiert sich auf professionelle Dienstleistungen für die Marktentwicklung im Bereich Dekarbonisierung der Netze. Higgins ist auch im Vorstand der Vehicle-Grid-Integration Council, einer gemeinnützigen Organisation, die sich für die Förderung des intelligenten Ladens von Elektrofahrzeugen verschrieben hat. In der Vergangenheit war er als Netzbereich West bei SunEdison bei Sunedison tätig, als Vizepräsident für Finanzen bei Hu Honua Bioenergy und als Leiter für die Bereiche Politik, Zusammenschaltung und Übertragungsplanung bei Pazifik Gas & Elektric.