Mercedes-Benz Energy stellt sich dem Vergleich

Vier Tage hatte das Speichersystem Zeit, sich im Labor zu beweisen. In dieser Zeit lässt Hauke Loges die Batterie mehrfach laden und entladen und misst ein halbes Dutzend Wirkungsgradkurven. Daraus bestimmt der wissenschaftliche Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe Energiesysteme an der TU Braunschweig die Daten, die nach dem Effizienzleitfaden für ein Datenblatt gefordert werden. Sein Thema ist die Speichereffizienz.

Der Batteriespeicher wird im Labor der TU Braunschweig vermessen.

Fotos: Jonas Vogel/TU Braunschweig

Auf dem Teststand steht ein Speicher von Mercedes-Benz Energy, der aus zwei Modulen mit einer nutzbaren Kapazität von jeweils 2,3 Kilowattstunden besteht. Loges zeigt rechts davon auf den Batteriewechselrichter SMA Sunny Island 4.4M, mit dem die Batterie hier kombiniert wird.

Die Mercedes-Batterie wurde im März 2016 erstmalig vorgestellt. Grundsätzlich ist es möglich, sie auch mit anderen Wechselrichtern zu betreiben, wobei es bisher noch keine Freigabe für andere Hersteller gibt. Das System ist modular aufgebaut und kann in Blöcken von 2,3 Kilowattstunden nutzbarer Kapazität erweitert werden. Damit ein funktionierendes Solar-Heimspeichersystem daraus wird, muss man es noch um einen Solarwechselrichter ergänzen. Für den Test wurde ein SMA Sunny Boy 5.0 mit 4,6 Kilowatt Ausgangsleistung gewählt. Er hängt links von der Batterie.

Der Vergleich

Hauke Loges misst für den ersten Test im Rahmen des Speichervergleichs, den pv magazine zusammen mit Mercedes-Benz Energy gestartet hat. Wir wollen eine Einschätzung ermöglichen, wie gut die Systeme arbeiten, und nutzen dafür den System-Performance-Index SPI. Dieser erlaubt eine neutrale und unabhängige Bewertung. Ein idealer Speicher, der überhaupt keine Verluste hat, ermöglicht 100 Prozent der theoretisch möglichen Ersparnisse und Einnahmen. Der SPI beschreibt den Prozentsatz dessen, was praktisch unter Berücksichtigung der Verluste eines spezifischen Systems möglich ist. Er wurde von Johannes Weniger und Tjarko Tjaden an der HTW Berlin entwickelt (Seite 38). In der ersten Runde wird der Vergleich von Mercedes-Benz Energy unterstützt.

Hier verkabeln Hauke Loges und sein Mitarbeiter die zwei Module des Batteriespeichers.

Foto: Jonas Vogel/TU Braunschweig

Der SPI ist so konstruiert, dass er möglichst wenig davon abhängt, welche Größe der Batteriespeicher hat. Die Entscheidung, ob man sich statt für ein kleines einphasiges eher für ein großes System entscheidet, das zu mehr Autarkie führt, und vielleicht dreiphasig arbeitet, damit es bei der Notstromversorgung alle Geräte versorgen kann und eventuell besser für die Netzintegration ist, muss der Kunde zuerst treffen. Wenn er diese Entscheidung getroffen hat, kann er sich am Index orientieren, um in dieser Klasse ein effizientes System zu wählen.

Tendenziell haben es Systeme mit kleiner Ausgangsleistung leichter, einen hohen Index zu erreichen, da weniger Verluste bei Schwachlast auftreten. Das ist aber kein grundsätzliches Argument für die kleinen und gegen die großen Systeme, da Systeme mit hoher Ausgangsleistung unter Umständen Lastspitzen besser bedienen können.

Über solche Mess- und Versorgungsschränke schließt Hauke Loges die Geräte an.

Foto: Jonas Vogel/TU Braunschweig

Zurück nach Braunschweig. Hauke Loges verbindet die Geräte  über einen sogenannten Mess- und Versorgungsschrank. Dieser stellt einerseits die notwendige Spannung für die angeschlossenen Geräte zur Verfügung, andererseits können in Verbindung mit dem externen Messsystem alle relevanten Spannungen und Ströme gemessen werden. Dazu dienen die 19 Stromwandler, die die bis zu 100 Ampere großen Ströme bestimmen. Unter dem Solarwechselrichter steht eine Gleichstromquelle, die die Solaranlage simuliert. Unter dem Batteriespeicher wird die Energie mit elektronischen Lasten verbraucht, die einen Haushalt vortäuschen. Stromquelle und Verbraucher steuert Loges mittels eines Computers. Wenn das System installiert ist, verlaufen die Tests mehr oder weniger automatisch, indem der Computer Lade- und Entladezyklen durchführt. Besonders langwierig ist der Niedrig-Leistungs-Test, bei dem die Batterie mit 25 Prozent der Nennleistung geladen und entladen wird. Bei den fünf Kilowattstunden dauert allein dieser Zyklus etwa 16 Stunden.

Daten des untersuchten Systems und Ergebnisse.

Das Ergebnis

Die Messung verlief nach den Vorgaben des Effizienzleitfadens (Seite 42). Heraus kommt ein DIN-A4-Formular mit vielen Zahlen und einigen Kurven, darunter sind Wirkungsgradwerte für die verschiedenen Wandlungspfade und bei verschiedenen Leistungen. Relativ einfach ist die Beschreibung der reinen Batterieperformance. Der Batteriewirkungsgrad liegt bei niedriger Lade- und Entladeleistung bei 94,3 Prozent, bei mittleren Leistungen bei 95 Prozent und bei hohen Leistungen bei 94,1 Prozent. Die Werte liegen unter den Datenblattangaben, was vermutlich daran liegt, dass dort die Werte ohne den Eigenverbrauch des BMS angegeben sind. Dass der Wert bei niedriger Leistung abfällt, liegt vermutlich am Eigenverbrauch des Batteriemanagementsystems, der dann mehr ins Gewicht fällt als bei höheren Leistungen. Dieser Eigenverbrauch beträgt nach Herstellerangaben sechs Watt. Aus den nachgemessenen Wirkungsgradkurven kann die HTW die Größenordnung auf rund zehn Watt genau abschätzen und kommt zu dem Schluss, dass die sechs Watt plausibel sind.

19 sogenannte Stromwandler generieren die Messwerte für die zu bestimmenden Stromstärken.

Foto: Jonas Vogel/TU Braunschweig

Die HTW Berlin hat aus den Daten auf Grundlage von computergestützten Systemsimulationen einen System-Performance-Index von 88,9 Prozent bestimmt. Abschätzungen lassen vermuten, dass der Wert gut ist. Es gibt jedoch noch keine Vergleichswerte für aktuelle Systeme. Was das Ergebnis genau bedeutet, wird man daher erst wissen, wenn bis zur pv magazine Septemberausgabe die nächsten zwei Systeme vermessen sind. Welche das sein werden, bestimmen die Leser
(siehe Kasten).

Auch wenn es noch keine Vergleichswerte gibt, lassen sich Aussagen treffen, was dieser SPI-Wert bedeutet. Ein Referenzhaushalt mit 5.000 Kilowattstunden Jahresstromverbrauch ohne Solaranlage und ohne Batteriespeicher gibt 1.403 Euro im Jahr für Strom aus (siehe Grafik). Mit Solaranlage und idealem verlustfreien Batteriespeicher spart er Strombezugskosten, da er einen Teil seines Verbrauchs aus Solaranlage und Speicher deckt. Gleichzeitig speist er weniger Solarstrom ein, da er den Strom ja selbst verbraucht hat. In der Bilanz hat er nur noch 324 Euro Ausgaben pro Jahr für Strom, also eine Einsparung von 1.079 Euro. Ein reales System hat immer Verluste, die die Autarkie und die Einspeisung verringern. Bei einem SPI von 88,9 Prozent kann der Haushalt mit dem getesteten Speichersystem 88,9 Prozent der Einsparung dessen realisieren, was mit einem idealen verlustfreien Speichersystem möglich wäre.

Bezugskosten und Einsparung (Balken nach oben) sowie Einspeiseerlöse (Balken nach unten) für einen Haushalt ohne Solaranlage und ohne Batteriespeicher (links), den gleichen Haushalt mit Solaranlage und mit idealem verlustfreien Batteriespeicher und Wechselrichter (Mitte) und mit dem realen getesteten Batteriesystem und Wechselrichter (rechts). Mit dem idealen System reduzieren sich die jährlichen Ausgaben von 1.403 Euro auf 324 Euro. Mit dem realen System jedoch nur auf 443 Euro, sodass sich damit 88,9 Prozent der möglichen Kosteneinsparung realisieren lassen. Daher ist der SPI des Systems 88,9 Prozent. Grafik: pv magazine/Harald Schütt

Hier finden Sie eine Diskussion des SPI und eine genauere Erklärung, wie man ihn interpretieren muss.

Hier finden Sie unsere Internetseite zum Speichervergleich

 

Für die Energiewende und den Kundennutzen

Gordon Gaßmann, Chief Technology Officer bei Mercedes-Benz Energy, erläutert, warum das Unternehmen den pv magazine Effizienzvergleich unterstützt.

Gordon Gaßmann, Chief Technology Officer bei Mercedes-Benz Energy, in der Produktsionshalle in Kamenz.

pv magazine/Michael Fuhs

Warum ist Ihnen Effizienz bei Batteriespeichersystemen wichtig?

Gaßmann: Erstens sind Batteriespeicher eine Technologie, die die Energiewende unterstützen soll. Da ist das Vermeiden von Ineffizienzen einfach aus sich heraus geboten. Zweitens bedeutet schlechte Effizienz, dass sich eine Wärmequelle im System befindet. Eine Wärmequelle führt immer zu einer schnelleren Alterung des Systems, wenn man nicht in eine zusätzliche Kühlung investiert. Das wollen wir auch nicht. Der dritte Punkt ist für uns vielleicht am charakteristischsten. Wir kommen aus der Automobilindustrie, und da ist Effizienz keine abstrakte Größe. Sie ist für den Kunden in Form der Reichweite eines Elektroautos direkt erlebbar. Somit ergibt sich aus hoher Effizienz ein großer Kundennutzen. Das ist für uns ein großer Antrieb.

Vermuten Sie deutliche Unterschiede bei den erhältlichen Systemen bezüglich der Effizienz?

Es gibt deutliche Unterschiede zum Beispiel durch die Systemtopologie. Wie die Zellen aufgebaut sind oder wie verschiedene Komponenten wie Schütze und Sicherungen benutzt werden, hat einen großen Einfluss.

Was waren die entscheidenden Stellen in der Entwicklung, wo Sie etwas für eine hohe Effizienz getan haben?

In Batterie gibt es drei Stellhebel. Einmal ist es der Eigenverbrauch der aktiven Komponenten des Batteriemanagementsystems. Über eine gute Auswahl der Komponenten und eine gute Auslegung lässt sich der Eigen- oder Stand-by-Verbrauch weit nach unten bringen. Das Zweite ist die Auswahl von Zellen mit einem geringen Innenwiderstand. Der dritte Punkt ist, wie man die Zellen verschaltet. Wir setzen auf Schweißverbindungen zwischen den Zellen. Das hat nicht nur in der Anfangsphase einen geringen Übergangswiderstand zur Folge, sondern auch nach zehn Jahren. Diese Eigenschaft bleibt dauerhaft erhalten. Auch in dieser Hinsicht gibt es Unterschiede zu anderen Systemen.

Warum lassen Sie sich auf den Vergleich des Mercedes-Speichers mit anderen Systemen ein und beauftragen sogar die Messungen an zwei Wettbewerbsgeräten?

Ich freue mich auf den Vergleich. Das ist eine gute Sache. Der Verbraucher braucht Orientierung. Von daher stellen wir uns gerne dem Wettbewerb. Damit bringen wir schließlich auch die Branche nach vorne.

Das Gespräch führte Michael Fuhs.