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
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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
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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.
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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
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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
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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
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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.
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