Wie soll eine Heimspeicherbatterie sein?

Ganz einfach, sie soll langlebig, sicher und leistbar sein, dann macht es Sinn mit einer PV-Heim-Batterie die selbst gewonnen Photovoltaik-Energie auch selbst zu verbrauchen.
Einige am Markt erhältliche PV-Batterien erfüllen nicht einmal eine dieser Forderungen. Dabei gibt es schon längere Zeit Batteriezellen auf Lithium Titanat (LTO) Basis. Ihr Hauptnachteil war ein relativ hoher Preis, der sich aber mittlerweile auf ein leistbares Niveau gesenkt hat. Ebenfalls als ein Nachteil bei LTO-Zellen wird der geringere Energieinhalt genannt, der sich in einer niedigeren Nennspannung von 2,3V bis 2,4V zeigt (andere Lithiumzellen haben 3,2V bis 3,7V). Es muss aber auch Vorteile geben!
Ja, und die liegen bei einer extrem hohen Lebensdauer (Faktor 10x länger), so wie es bei einem Heimspeicher sein sollte. Zusätzlich sind die LTO-Zellen die sichersten Lithiumzellen am Markt. Dann wäre noch die Temperaturunempfindlichkeit und die sehr hohe Belastungsfähigkeit beim Laden und Entladen zu erwähnen, was aber für eine PV-Storage-Battery eher nicht wichtig ist.

48V-PV-Storage Battery TITAN one

Anfang des Jahres 2018 wurde im Verein ZWV begonnen eine PV-Heim-Speicher-Batterie zu entwickeln. Sie soll ohne die Nachteile anderer PV-Batterien auskommen, dafür aber ein sehr nachhaltiges Produkt durch ihre sehr hohe Lebensdauer werden. Blei-Akkumulatoren, verschiedene Lithium Batterien und auch vereinzelt Nickel-Eisen-Akkus bestimmen den Markt der PV-Speichersysteme.
Eine umweltfreundliche Lithium Titanat Batterie sollte es eigentlich auch geben, aber mit einem so nachhaltigem Produkt lässt sich offenbar zu wenig Profit machen (alles muss ein Ablaufdatum haben!!).
Das Ergebnis unserer intensiven Arbeit ist die LTO-PV-Batterie für 48V PV-Systeme, die wir "TITAN one" nennen. Diese LTO-Batterie ist für 4 verschiedene LTO-Zellen entworfen worden.

Wir haben bei einer Spezialfirma ein eigenes Batterie-Management-System (hier ein BMS-PCM, PCM steht für Protection Circuit Module) entwickeln und bauen lassen, dass genau auf diese verwendeten LTO-Zellen zugeschnitten ist, genauso wie die Zellhalterungen (Holz) und auch die Zellverbinder (Alu). Wir haben ein Gehäuse aus Stahl und eines aus Holz (für den Wohnbereich) entworfen. Die Batterie kann nur als Bausatz über den Verein ZWV erworben werden. Außerdem bieten wir auch die Einzelteile inklusive aller Kabelsätze (48V und BMS) an.

Anmerkung: Mehr Infos über die TITAN one PV-Batterie und wie man sie erwerben kann

ist unter --> Produkte zu finden.

Die technischen Eigenschaften der TITAN one Batterie für 48V Systeme:

Nennspannung: 48V

Nennkapazität: 6kWh, 7kWh, 8kWh und 11kWh je nach verwendeter Zelle

Die Kapazität kann durch parallel schalten von TITAN one Batterien mit den gleichen Zellen verdoppelt, verdreifacht, usw. werden.

Anforderungen an den PV Elektronik (Inverter/Charger)

Max. Dauerstrombelastung Entladen/Laden: 150A (ideal <100A)
Max. Spitzenstrombelastung Entladen/Laden: 200A (für 5 Sek.)
Ladeschlussspannung: 55V
Entladeschlussspannung: 44V
Abschaltspannung: 42V (wenn kein Netz und kein PV-Strom)

 Hier ein kleiner Lithium-Zellen-Vergleich:

Anmerkung: Diese Werte gelten unter Laborbedingungen für Einzelzellen und somit kann man einzelne Zelltypen gut miteinander vergleichen. Allerdings sind im Heim-PV-Speicherbereich auch Batterien sinnvoll im Einsatz, die weit unter 80% ihrer ursprünglichen Nennkapazität liegen. So werden beispielsweise auch ältere Lithiumzellen aus Elektroautos noch weiter als kostengünstige Home-Storage-Battery eingesetzt.
Weitere Anmerkung: Es gibt Heim-Batterie-Speicher-Anbieter die für eine LiFePo4 Batterie 10.000 Zyklen angeben ohne Angabe der Restkapazität. Diese Zyklenzahl wird wohl erreicht, wenn die Kapazität unter 50% liegt und sieht in der technischen Beschreibung der Batterie sehr gut aus, ist aber kein realistisch vergleichbarer Wert.

Die PV-Testanlage des Vereins ZWV

Was war das Ziel dieser PV-Anlage mit Speicherbatterie?

Wir wollen den selbst produzierten Strom zu 100% selbst verbrauchen und keinen Strom in das öffentliche Netz einspeisen. Warum?

Eine unabhänige autarke Anlage (eine sogenannte "Off-Grid Anlage") benötigt
- kein Genehmigungsverfahren
- keine Kontrolle des Stromanbieters über die PV-Anlage (Abschaltmöglichkeit)
- Sicherheit bei Stromausfall (Anlage läuft im Batteriemodus)
- einfache Installation
- günstige Realisierung
- bei Bedarf kann Strom aus dem Netz bezogen werden (lang andauernder Hochnebel)
- ins Netz eingespeister PV-Strom bringt keinen wirklichen Kostenvorteil (Einfamilienhaus)
- eingespeister PV-Strom kann zu Spitzenstromzeiten das Netz überlasten

Die 48V-PV-Anlage des Vereins ZWV konnte sehr kostengünstig realisiert werden und besteht aus Solarzellen, einer Wechselrichter/Ladegerät-Einheit und einer 48V Speicherbatterie auf Lithium Titanat Basis. Es wurden keine Förderungen in Anspruch genommen!

Kann man diese PV-Heim-Speicher-Batterie kaufen?

Oder auch andere PV-Komponenten?

Da der Verein ZWV sich zum Ziel gesetzt hat, umweltfreundliche, alternative Mobilität und damit auch die Bereitstellung alternativer Energie zu fördern, wird man alle Komponenten (Batterie, Inverter/Charger, PV-Module,....) sehr günstig über den Verein erwerben können.
Großes Interesse hat die LTO-Batterie geweckt, die vom Verein ZWV entwickelt wurde. Wir bieten alle Teile der Batterie an, sowie die LTO-Zellen, das eigens für diese Batterie bei einer Spezialfirma entwickelte BMS, das Gehäuse (Holz oder Stahl), Kabel, Halterungen, Schalter, usw. Die Heim-Speicher-Batterie ist für den Selbstzusammenbau geeignet. Batteriegrößen: 6 bis 11 kWh bei 48V, Verdoppelung, Verdreifachung,... der Batteriekapazität durch parallelschalten von Batterien mit gleichen Zellen ist jederzeit möglich. Es gibt 4 verschiedene Zellgrößen, wobei die große LTO-Zelle (für 11 kWh) erst 2019 auf den Markt kommen wird.
Die Wechselrichter/Ladegerät-Einheiten sind "Off-Grid Inverter" (= Inselbetrieb Wechselrichter) die eine Leistungbreite von 1kW bis über 20kW haben und einphasig oder voll dreiphasig eingesetzt werden können. Sie haben ein hervorragendes Preis/Leistungsverhältnis.
Als Solarzellen haben wir nur Monokristalline PV-Module von höchstem Wirkungsgrad (ca.20%) im Einsatz. Diese Zellen sind ebenfalls von sehr guter Qualität und passen perfekt zum verwendeten Off Grid Inverter/Charger.

Anmerkung: Mehr Informationen zu allen Komponenten, die über den Verein bezogen werden können, finden sie auf der Seite --> Produkte

Aufbau der PV-Testanlage

Einfamilienhäuser sind dreiphasig an das öffentliche Stromnetz angeschlossen. Üblicherweise gibt es in solchen Häusern sehr wenige dreiphasige Verbraucher. Ein Beispiel ist der elektrische Herd mit Kochplatten, der ist dreiphasig (380V). Alle anderen einphasig betriebenen Verbraucher (230V), wie Licht, Kühlschrank, Waschmaschine, Geschirrspüler, usw. sind unter den drei Phasen L1, L2, L3 aufgeteilt.

In der ersten Ausbauphase, zum Testen aller PV-Komponenten, hat sich der Verein ZWV für den einphasigen Betrieb entschieden.

In den Grafiken wurde der Neutralleiter aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen.
Jede Phase L ist natürlich mit N verbunden.

Testphase 1

Die PV-Anlage wurde mit der Phase L1 verbunden, die die größen täglichen 230V-Verbraucher beinhaltet
Auf Phase L2 sind die restlichen 230V-Geräte, diese werden noch von Netz versorgt.
Phase L3 ist nur für die Warmwasserbereitung zuständig und ebenfalls netzbetrieben.
Der dreiphasige Herd ist klarerweise auch rein im Netzbetieb.
Aber schon in dieser Konstellation ist man vor Stromausfällen/Stromabschaltungen gut geschützt, nur zum Kochen wäre ein kleiner Gaskocher nötig und die Steuerung von Gas-, Öl- oder anderen Heizungen müsste mit Phase L1 verbunden sein und somit mit der PV-Anlage und der Batterie.



Die guten Erfahrungen mit dem einphasigem Betrieb, die gute Einstellmöglichkeit des Off-Grid Inverter/Chargers, der netzunabhänige Betrieb bei nur etwas Sonne, die Sicherheit durch das öffentliche Netz bei langanhaltendem Hochnebel bei dem die PV-Anlage nicht genug Strom liefert und das absolut wartungsfreie und unmerkliche Arbeiten der Anlage (Umschalten von PV-, Batterie- und Netzbetrieb), führt zu nächsten Testphase.

Testphase 2

In der zweiten Ausbauphase bekommt auch die Phase L2 einen eigenen Off-Grid Inverter mit einer eigenen (älteren) Batterie um diese mit der Lithium Titanat Batterie von Phase L1 zu vergleichen.

Testphase 3

In der dritten Ausbauphase wird das komplette Haus dreiphasig betrieben. Hierzu werden drei Off-Grid Inverter zusammengeschlossen und von den PV-Modulen und einer Batterie versorgt. Jetzt sind auch alle dreiphasigen Verbraucher im Inselbetrieb (Off-Grid).





Bericht: Gerald Harbusch (2018)