Photovoltaikanlagen für den häuslichen Gebrauch sind gefragt wie nie. Besitzer und Planer solcher Anlagen setzen immer häufiger auf das Komplettpaket aus Solarpanel zur Energieerzeugung, Solarinverter zur Energieumwandlung und einem heimischen Stromspeicher. Der generierte Strom muss so nicht unmittelbar ins Netz eingespeist werden, sondern kann für den Eigenverbrauch zwischengespeichert werden. Damit kann der erzeugte Strom aus Photovoltaikanlagen effizient und wirtschaftlich genutzt werden. Seit 2018 hat sich die Zahl der in Deutschland installierten Solarstromspeicher nach Angaben des Bundesverbandes Solarwirtschaft auf 200.000 Kleinanlagen verdoppelt und die Prognosen zeigen einen weiteren Aufwärtstrend.

Die RCT Power GmbH aus Konstanz war diesem Trend voraus und startete schon 2015 mit der Entwicklung einer stationären Speicherlösung für private Wohngebäude und kleinere Industrieanlagen, passgenau zu den hauseigenen Solarwechselrichtern. Geschäftsführer Thomas Hauser berichtet: „Unser Ziel war es, ein neues Geschäftsfeld zu erschließen und ein Gesamtsystem aus Solarinverter und Batteriesystem auf dem Markt anzubieten. Solche Systemlösungen, die kompatibel zu beliebigen Solarpanels sind, arbeiten besonders sicher und zuverlässig.“ Das Institut für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik (IPE) am KIT hat maßgeblich zur Entwicklung dieser Heimspeicher beigetragen. Dr. Thomas Blank, Leiter der Arbeitsgruppe Aufbau- und Verbindungstechnik, erläutert: „Ein Forschungsschwerpunkt am IPE sind batteriebetriebene, leistungselektronische Systeme sowie Technologien zu deren Herstellung und Aufbau. Zusammen mit RCT Power haben wir innerhalb von drei Jahren ein maßgeschneidertes Batterie-Management-System aufgebaut, das wirtschaftlich in stationären Heimspeichern für hohe Spannungslagen eingesetzt und betrieben werden kann.“

Heimische Stromspeicher ermöglichen die Zwischenspeicherung der erzeugten Solarenergie bis zum Zeitpunkt des Verbrauchs. Das Batterie-Management-System (BMS) übernimmt dabei die Überwachung und Steuerung des gesamten Energiesystems und kommuniziert mit dem Solarinverter zur Speicherung oder Abgabe der elektrischen Energie in den Haushalt oder das Stromnetz. Die kritischen Zustände werden frühzeitig durch ein Batterie-Management erkannt und verhindert. Als Kommandozentrale garantiert das BMS, dass jede einzelne Batteriezelle kontinuierlich überwacht und in einem definierten Betriebsbereich (Spannung, Strom, Temperatur) gehalten wird. Verlässt eine Zelle das zulässige Betriebsfenster, so muss das BMS den Energiespeicher durch entsprechende Regelungsmechanismen zurück in einen sicheren Zustand überführen. Damit ist es eine wesentliche Schlüsselkomponente zur Vermeidung von Schäden am gesamten Energiesystem, etwa durch Überladung, Tiefentladung, Überströmen oder Temperaturextreme.

Während RCT Power auf die Herstellung von Solarinvertern spezialisiert war, brachte das Forscherteam des IPE seine Expertise zu Leistungselektronik und Batteriesystemen in die Produktentwicklung ein. Ein bereits am Institut konzipiertes Batterie-Management-System, das die Forscher für den Bereich E-Mobilität entwickelt hatten, bot eine gute Ausgangsbasis für die Adaption an die individuellen Bedürfnisse von RCT Power. Die Sicherheit eines Batteriespeichers hängt neben den Überwachungsfunktionen der BMS-Elektronik auch stark von der verwendeten Zellchemie ab. Lithium-Eisenphosphat-Zellen mit niedrigem Brandrisiko stellten sich bei der initialen Charakterisierung als besonders geeignet heraus. Für die Überwachung der einzelnen Zellen wurde am KIT ein zellorientiertes Batterie-Monitoring-System entwickelt. Die optimal zugeschnittenen Elektronikmodule für die neuen Heimspeicher wurden vom IPE aufgebaut und an RCT Power zur Überführung in ein produktoptimiertes Aufbaukonzept übergeben. Seit dem Produktlaunch steigen die Verkaufszahlen der unabhängig geprüften RCT Power Heimspeicher stetig. „Wir haben uns auf Photovoltaik-Stromspeicher für den Eigenbedarf fokussiert und bieten unseren Kunden modulare Heimspeicher für Neuanlagen aber auch als Nachrüstoption“, sagt Unternehmer Hauser.

Dr. Blank schätzt den Lerneffekt solcher Industriekooperationen: „Aus wissenschaftlicher Sicht ist es für das Institut wichtig, Systementwicklungen näher in den Bereich der kommerziellen, industriellen Nutzung zu bringen. Aus dem besseren Verständnis der Anforderungen der Kooperationspartner werden schließlich in ganz allgemeiner Form Entwicklungsmethoden abgeleitet, die eine zielgerechtere Forschung im Institut nach sich ziehen.“

„Das Grundgerüst bis zur Serienreife in den Heimspeichern von RCT Power weiterzuentwickeln, war eine gute Erfahrung, wie Wissenschaft und Wirtschaft Synergien nutzen können.“

„Unsere Idee eines modularen, effizienten und sicheren Heimspeichers für Photovoltaik wurde mithilfe des maßgeschneiderten Batterie-Managements vom KIT Realität.“

Weiterführende Links

• Institut für Prozess­daten­verarbeitung und Elektronik (IPE)

Bilder: Markus Breig / KIT