Pacadu Hintergrundpapier
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Pacadu Hintergrundpapier
Hintergrundinformation Parallel statt seriell: Revolution für Energiespeicher Vorwort ................................................................................................................ 2 Energiespeicher: Bisheriger Stand der Technik ................................................... 3 Die Probleme beim Betrieb und Design von Speichern.................................... 3 Schwache/defekte Zellen beeinträchtigen Leistung des Gesamtsystems unverhältnismäßig stark................................................................................... 3 Auslegung in engen Grenzen .......................................................................... 4 Zusammenfassung der Nachteile herkömmlicher, in Reihe geschalteter Energiespeicher............................................................................................... 4 Konsequenzen daraus ..................................................................................... 4 Paradigmenwechsel: Was unterscheidet den Pacadu von anderen Stromspeichersteuerungen?................................................................................ 4 Der Pacadu in aller Kürze ................................................................................ 5 Arbeit oder Leistung? Pacadu-Energiespeicher können beides ....................... 5 Hoher Wirkungsgrad........................................................................................ 5 Alt vs. neu – oder: Second Life vs. Pacadu Selected Cells .............................. 6 Die Geburtsstunde des Pacadu ........................................................................... 6 Über ASD ............................................................................................................ 7 Kontakt und Hinweise .......................................................................................... 7 Stand: Juni 2016 1 Hintergrundinformation Parallel statt seriell: Revolution für Energiespeicher Vorwort Dafür, dass Stromspeicher aktuell an Bedeutung gewinnen, und dafür, dass sich dies fortsetzen wird, gibt es viele Gründe: Die Stromnetze sind in den letzten Jahren immer störanfälliger und weniger harmonisch geworden. Um – nicht nur für produzierende Betriebe, sondern auch für Privathaushalte – dennoch die Versorgung sicherzustellen, sind Energiespeicher die Lösung. Dabei bietet die Möglichkeit Energie zu speichern gleichzeitig mannigfaltige Vorteile. So lässt sich die selbst erzeugte Energie zu einem anderen Zeitpunkt nutzen, wodurch Unternehmen und Privatpersonen weniger Strom fremd einkaufen müssen. Ein weiterer Vorteil liegt im sogenannten Peak Shaving: Die Leistungspreise (Netznutzungsentgelte) werden nach Lastspitzen bezahlt. Heißt: Selbst wenn nur eine einzige höhere Leistungsspitze innerhalb eines 15-MinutenZeitraums erzeugt wird, muss der Abnehmer für die gesamte Abrechnungsperiode, meist das Kalenderjahr, mehr bezahlen – mit einem Energiespeicher lässt sich dies vermeiden. Insbesondere für die Industrie ist bedeutend, dass sich die unterbrechungsfreie Stromversorgung, abgekürzt USV, mit einem Stromspeicher nicht nur überhaupt erst herstellen, sondern auch von den notwendigen auf die wirtschaftlich sinnvollen Geräte und Maschinen ausdehnen lässt. Das ist insbesondere dann wichtig, wenn durch einen Ausfall wertvolle Zeit verloren geht, Produktions- oder Umsatzeinbußen entstehen oder wenn durch den Ausfall darüber hinaus noch Kosten und Aufwand erzeugt werden, bspw. für die Wiederinbetriebnahme von Maschinen. Zudem lässt sich der Energieüberschuss immer öfter auch als Regelenergie verkaufen, wenn der Speicher voll ist und der Strom gerade nicht für den Eigenbedarf benötigt wird. Der Nutzen von Stromspeichern liegt demnach auf der Hand – allerdings gibt es hinsichtlich ihrer technischen Funktionsweise große Unterschiede: Parallel-Automatic-Charge-And-Discharge-Unit – oder kurz: Pacadu – heißt die intelligente Stromspeicher-Steuerung der ASD Automatic Storage Device GmbH mit Sitz in Umkirch bei Freiburg. Das Besondere: Der Pacadu schaltet die Zellen im Speicher durchgängig parallel. Nur mit dieser Steuerung lassen sich in Stromspeichern völlig unterschiedliche Zellentypen, -kapazitäten und -technologien kombinieren. Das innovative Unternehmen hat für den Pacadu schon mehrere Auszeichnungen erhalten: im Jahr 2013 den German Renewables Award, im Jahr 2015 den Umwelttechnikpreis Baden-Württemberg und 2016 den 2. Platz des Zukunftspreises der Privaten Stiftung Ewald Marquardt. „Das Speicherkonzept von ASD ist ein technischer Durchbruch, weil es viele der Probleme elektrischer Speicher auf einmal löst.“ Franz Untersteller, Minister für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft des Landes Baden-Württemberg und Juryvorsitzender, anlässlich der Verleihung des Umwelttechnikpreises 2015 Die Funktionsweise von herkömmlichen Speichern ist grundsätzlich anders als bei Pacadugesteuerten Stromspeichern. Deshalb wird auf ihren technischen Stand: Juni 2016 2 Hintergrundinformation Hintergrund im Folgenden zunächst ausführlicher eingegangen, bevor die neuartige Funktionsweise des Pacadu beschrieben wird. Energiespeicher: Bisheriger Stand der Technik Die Probleme beim Betrieb und Design von Speichern Grundsätzlich sind Batteriespeicher bisher in Reihe geschaltet. So konfiguriert und designt, funktionieren sie nur unter folgenden Bedingungen: Alle verwendeten Batteriezellen müssen vom gleichen Hersteller stammen müssen vom gleichen Typ sein müssen aus der gleichen Produktionscharge stammen müssen einen identischen Innenwiderstand haben müssen einen identischen Ladezustand haben müssen über einen identischen Gesundheitszustand verfügen Bestückt mit Zellen, die all dies erfüllen, funktioniert ein in Reihe geschaltetes Speichersystem zunächst reibungslos. Allerdings unterliegt jede im Speicher verwendete Zelle einem eigenen individuellen Alterungsprozess, sodass die Zellen nach und nach unterschiedliche Lade- und Gesundheitszustände erreichen. Die Folge: Der Speicher entfernt sich bei jedem einzelnen Lade- und Entladevorgang vom oben beschriebenen Idealzustand. Das Ergebnis: Die Nutzkapazität des Gesamtsystems nimmt ständig und signifikant ab. Schwache/defekte Zellen beeinträchtigen Leistung des Gesamtsystems unverhältnismäßig stark Bei in Reihe geschalteten Speichern beeinträchtigt die schwächste Zelle des Systems die Gesamtperformance überproportional. Verfügt bspw. eine einzige Zelle im System nur noch über 60 Prozent seiner Anfangskapazität, sinkt die Kapazität des gesamten in Reihe geschalteten Zellenverbundes dadurch ebenfalls auf 60 Prozent – völlig unabhängig vom Zustand des Gesamtsystems. Diejenige Batteriezelle, die zuerst ihren 100-Prozent-Füllstand erreicht hat, wird dafür sorgen, dass der Ladevorgang des gesamten Systems abbricht, da diese Zelle sonst zerstört würde. Gleiches gilt für diejenige Zelle, die zuerst ihre Entladeschlussspannung erreicht. Der gesamte Block kann dann nicht weiter entladen werden, da sonst diese schwächste Zelle zerstört würde. Je mehr Ladezyklen ein Block hinter sich hat, umso mehr gerät er in Schieflage, weil die Zellen nach und nach unterschiedliche Lade- und Gesundheitszustände erreichen. Die nutzbare Kapazität des Systems nimmt also ständig weiter ab. Wenn nach einer bestimmten Anzahl von Ladezyklen eine Zelle soweit in der Kapazität abgefallen ist, dass sie das System signifikant bremst, ist es aufgrund der Vorbedingungen auch nicht möglich, sie gegen eine neue Zelle auszutauschen. Denn weder Kapazität, noch Innenwiderstand oder Gesundheitszustand dieser Zelle werden zu den bereits gealterten Zellen, die im System verblieben sind, passen. Ein derart repariertes System wird nie wieder sauber funktionieren. Schlimmstenfalls legt der Ausfall einer Zelle in diesem Zusammenhang das komplette System lahm. Stand: Juni 2016 3 Hintergrundinformation Auslegung in engen Grenzen Um nachgeschaltete Systeme aus einem stationären Batteriespeicher zu betreiben, muss der Gleichstrom aus den Batteriezellen in Wechselstrom bzw. Wechselspannung transformiert werden. Die hierfür eingesetzten Wechselrichter benötigen auf der Batterieseite eine festgelegte Spannung, die typischerweise zwischen 24 und 60 Volt liegt. Je nach verwendeter Zellchemie und dem Wechselrichter-Typ lässt sich diese Spannung mit einer Verkettung von ca. 14 bis 20 Zellen erreichen. Das schränkt die Kapazitätsauslegung von Speichern – sowohl grundsätzlich als auch nachträglich – stark ein. Sind solche Speicher also einmal ausgelegt, lassen sie sich praktisch nicht mehr anpassen oder nachträglich skalieren, weil die definierte Eingangsspannung des Wechselrichters auch die minimale bzw. maximale Anzahl der Zellen bestimmt. Zusammenfassung der Nachteile herkömmlicher, in Reihe geschalteter Energiespeicher Es sind zwillingsgleiche, also praktisch identische Zellen für den Verbund notwendig Schwache/defekte Zellen beeinträchtigen die Gesamtperformance des Speichers überproportional Der Austausch schwacher/defekter Zellen löst das Problem nicht bzw. nicht nachhaltig Nach ca. drei bis fünf Jahren ist durch den individuellen Alterungsprozess der Zellen fast jedes System so weit aus dem Gleichgewicht, dass die Gesamtkapazität signifikant abnimmt Begrenzte Auslegung und Skalierbarkeit Konsequenzen daraus Die Produktion von zwillingsgleichen Zellen ist teuer und aufwendig Das Risiko für Käufer und Investoren ist erheblich, weil Energiespeicher … nicht dauerhaft stabil und leistungsfähig sind … sich nicht nachträglich skalieren lassen Energiespeicher verbreiten sich nur sehr langsam Paradigmenwechsel: Was unterscheidet den Pacadu von anderen Stromspeichersteuerungen? Die von ASD entwickelte „Selbst mit der elektronischen Basisinfrastruktur Speichersteuerung Pacadu, die Zellen des Pacadu sind Kapazitäten von 3 kWh bis zu erstmals durchgängig parallel schaltet, 120 kWh möglich. Diese Flexibilität erleichtert macht den Unterschied: Denn mit ihr die Entscheidung über die erste Auslegung und entstehen hohe Freiheitsgrade in der sorgt für Investitionssicherheit.“ Wahl der Zellen und der Zusammenstellung der Batterien. So Matthias Ruh, Geschäftsführer von ASD ist es beispielsweise im Vergleich zu anderen Speichern nicht mehr nötig, zwillingsgleiche Zellen mit identischem Lade- und Gesundheitszustand zu verbauen – im Gegenteil: Es lassen sich nahezu xbeliebige einbinden. Denn der Pacadu ist als Platine auf eine oder mehrere parallel-verschaltete Zellen montiert, lässt sich jeweils separat ansteuern und Stand: Juni 2016 4 Hintergrundinformation durch die Eingabe weniger Parameter auf die angeschlossene Zelle(n) anpassen. Die Steuerung trägt so auch dazu bei, dass sich mit dem Pacadu ausgestattete Systeme schneller amortisieren. Der zweite bedeutende Vorteil, den der Pacadu bringt, ist die Skalierbarkeit: Das System lässt sich jederzeit und praktisch beliebig aufrüsten oder auch reduzieren – das schafft in dieser Flexibilität sonst keine Speicherlösung. Der Pacadu in aller Kürze Die intelligente Stromspeicher-Steuerung Pacadu schaltet Zellen in Energiespeichern durchgängig parallel. Sämtliche durch die bisher gebräuchliche Reihenschaltung bedingten Nachteile, lassen sich damit auf einmal eliminieren: Keine Einschränkungen bei der Auswahl und Zusammenstellung der Zellen Die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der kompletten Batterie wird nicht länger durch die schwächste Zelle ausgebremst Ist eine Zelle defekt, lässt sie sich einfach austauschen Ein solcher Speicher lässt sich mit völlig unterschiedlichen Zellen ausrüsten; unterschiedliche Zelltypen, -kapazitäten und -technologien sind frei kombinierbar Bei Bedarf können Pacadu-gesteuerte Speicher einfach und fast beliebig vergrößert und vor allem: auch verkleinert werden Fazit: Mit dem Pacadu ausgestattete Speicher behalten eine hohe Leistung und Kapazität. Das erhöht die Lebensdauer des Gesamtsystems. Arbeit oder Leistung? Pacadu-Energiespeicher können beides Ein weiterer Vorteil ist die erstmals in einem Speicher mögliche Trennung zwischen den physikalischen Größen Arbeit und Leistung. Batteriezellen haben entweder eine hohe Kapazität oder sie sind für eine schnelle „Der Pacadu könnte auch der Leistungsabgabe entwickelt. Beides in einem Elektromobilität einen ungeahnten Auftrieb Speicher zu vereinen, war bisher nicht geben, denn damit ist es möglich, in ein möglich. In einem Energiespeicher, der auf und demselben Energiespeicher der Pacadu-Technologie basiert, lassen sich Hochstromzellen und Hochkapazitätszellen nun beide Zelltypen vereinen und je nach zu kombinieren. Das bedeutet sowohl eine Bedarf abrufen. So ist es möglich, dass bessere Beschleunigung als auch eine Teilbereiche des Speichers mit höhere Reichweite des Elektroautos als wir Leistungszellen bestückt sind, um kurzzeitige es bisher kennen.“ Leistungsspitzen abzudecken, während Wolfram Walter, Geschäftsführer von ASD und Erfinder andere Bereiche desselben Speichers mit der Pacadu-Technologie Kapazitätszellen ausgestattet sind, sodass sie für lange Zeit eine konstante Grundlast abdecken können. Ein derart aufgebauter Speicher ist für den Einsatz in beispielsweise Elektroautos prädestiniert und gleichzeitig deutlich günstiger als ein herkömmlicher Speicher, der diese beiden Aufgaben mit gleichartigen Zellen erfüllen muss. Hoher Wirkungsgrad Hinzu kommen die Wirkungsgrad-Vorteile von Pacadu-gesteuerten Speichern Stand: Juni 2016 5 Hintergrundinformation Es kommen immer nur so viele Pacadus samt der jeweils angeschlossenen Batteriezellen zum Einsatz, wie es für die abgerufene Leistung nötig ist Der einzelne Pacadu verfügt über mehrere Betriebsstufen, die auf die Belastung optimiert zum Einsatz kommen Dies trägt dazu bei, dass Pacadu-gesteuerte Systeme in nahezu jedem beliebigen Arbeitsbereich einen Wirkungsgrad von über 90% erreichen. Alt vs. neu – oder: Second Life vs. Pacadu Selected Cells Die Freiheitsgrade in der Auswahl der Zellen, die in Pacadu-gesteuerten Energiespeichern zum Einsatz kommen, lassen sich auf unterschiedliche Weise nutzen. Zum einen können Altbatterien zum Einsatz kommen, die hier einen zweites Leben erhalten, anstatt im Müll zu landen – der Fachbegriff, der sich dafür eingebürgert hat, lautet deshalb: Second Life. Solche „Altbatterien“ – egal ob sie aus Elektroautos stammen oder aus einem USV-Energiespeicher ausgemustert wurden – verfügen nach Ende ihrer Erstnutzung noch über einen Großteil ihrer ursprünglichen Leistung. Dies reicht zwar für ihren ursprünglichen Zweck nicht mehr aus, ist aber noch absolut genügend für den Einsatz in einem stationären Energiespeicher. Laut einer im April 2016 veröffentlichten Studie1 könnten – allein aus der Elektromobilität – bis zum Jahr 2025 bis zu 25 GWh Speicherkapazität als Second-Life-Batterien zur Verfügung stehen. Die einzelnen Zellen solcher Second-Life-Batterien müssen zwar überprüft und rekonditioniert werden, lassen sich aber dann problemlos an einen Pacadu-gesteuerten Stromspeicher anschließen. Zum anderen gibt es große Mengen neuer Zellen, die zwar jede für sich betrachtet, voll funktionsfähig sind, sich seriell geschaltet aber nicht nutzen lassen, weil sie nicht zwillingsgleich sind. Für den Einsatz in einem in Reihe geschalteten Energiespeicher, weichen sie zu stark von anderen Zellen ab. In Pacadu-gesteuerten Geräten hingegen, lassen sich solche Zellen problemlos verwenden. ASD spricht deshalb an dieser Stelle von „Pacadu Selected Cells“, die außerhalb der Spezifikation, nicht reihenschaltungstauglich sind und deshalb bisher keine Verwendung in Energiespeichern fanden, obwohl sie eigentlich neuwertig und voll funktionstüchtig sind. Die Geburtsstunde des Pacadu Angefangen hatte alles mit einer Anfrage, die bei ASD-Geschäftsführer Wolfram Walter einging: Ob er wohl das Dach seines Flugzeughangars für den Aufbau und Betrieb einer Photovoltaik-Anlage zur Verfügung stellen würde? Walter recherchierte zum Thema und beschloss sich des gesamten Projekts selbst anzunehmen. Auf der Suche nach einem Stromspeicher musste er 2011 feststellen, dass es am Markt keine zufriedenstellende Lösung gab. Walter 1 Quelle: Second Life-Batteries As Flexible Storage For Renewables Energies. Kurzstudie im Auftrag des Bundesverbandes Erneuerbare Energie e. V. und der Hannover Messe. PDF abgerufen am 7.06.2016 unter http://www.bee-ev.de/home/publikationen/studien Stand: Juni 2016 6 Hintergrundinformation entwickelte daraufhin eine Stromspeicher-Lösung – das war die Geburtsstunde der Steuerung Pacadu. Über ASD Die ASD Automatic Storage Device GmbH hat ihren Sitz in Umkirch bei Freiburg. Das Unternehmen stellt intelligente Stromspeicher für die private Nutzung und für industrielle Anwendungen her. Für Industrieunternehmen sind die Speicher mit der selbst entwickelten, intelligenten Steuerungstechnik von besonderem Interesse, weil Leistung und Kapazität innerhalb eines Systems unabhängig voneinander ausleg- und skalierbar sind. Bei Bedarf lassen sich auch im Nachhinein jederzeit Anpassungen vornehmen, sodass ein langfristig wirtschaftlicher Betrieb sichergestellt ist. Sowohl die Heim- als auch die Großund Projektspeicher ermöglichen es, selbst erzeugten Grünstrom optimal auszunutzen. Das innovative Unternehmen hat schon mehrere Auszeichnungen erhalten: im Jahr 2013 den German Renewables Award, im Jahr 2015 den Umwelttechnikpreis Baden-Württemberg und 2016 den 2. Platz des Zukunftspreises der Privaten Stiftung Ewald Marquardt. Weitere Informationen unter www.asd-sonnenspeicher.de. Kontakt und Hinweise Die vorliegende Information erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, sondern dient der Vorabinformation von Redakteuren und ggf. Interessenten. Achtung: Bildmaterial nur in Bildschirmauflösung. Druckauflösung bei Bedarf anfordern unter: [email protected] Bildnachweis, falls nichts anderes vermerkt: ASD Automatic Storage Device GmbH. Bei Fragen stehen wir gern zur Verfügung. Falls Sie diese Informationen für Ihre Berichterstattung verwenden können, freuen wir uns über einen Hinweis und/oder ein Belegexemplar. Wenn Sie einen exklusiven Fachartikel zu Energiespeichern im Allgemeinen oder einem bestimmten Themenaspekt im Speziellen wünschen, sprechen Sie uns bitte an. ASD-Youtube-Kanal: https://www.youtube.com/user/stromspeicher Video zum Umwelttechnikpreis: https://www.youtube.com/watch?v=qRojVZxO0tQ Kontakt für die Redaktionen: Kontakt für die Leser: PR hoch drei GmbH Ramona Riesterer Esperantostraße 12 70197 Stuttgart ASD Automatic Storage Device GmbH Frederik Fuchs Im Brunnenfeld 6 79224 Umkirch Tel.: +49 711 820 86668 [email protected] www.pr-hoch-drei.de Tel.: +49 7665 9809-4442 [email protected] www.asd-sonnenspeicher.com Stand: Juni 2016 7