Einleitung
In diesem Post möchte ich den Bau unseres Batteriespeichers beschreiben.
Wir wohnen ca. 25 km südlich von Ulm in einem Einfamilienhaus. Seit 2018 haben wir eine Photovoltaikanlage auf dem Dach. Diese besteht aus 31 Modulen (Sonnenstromfabrik 300 Wp Glas/Glas) vorwiegend mit direkter Südausrichtung und einem SolarEdge SE8K-Wechselrichter. Der Ertrag liegt bei ca. 8,3 bis 9,3 MWh pro Jahr.
Aufgrund der gestiegenen Energiepreise und aus Gründen der Nachhaltigkeit haben wir uns entschlossen, einen Batteriespeicher zu installieren. Da kommerzielle Geräte meiner Meinung nach unverhältnismäßig teuer sind, sollte es ein DIY Speicher werden.
Für den Bau kann ich auf Grundkenntnisse in Metall- und Holzbearbeitung sowie Elektronik zurückgreifen.
Gleich am Anfang möchte ich mich bei den vielen Leuten bedanken, die im Internet Informationen teilen. Ohne ihr Engagement wäre ich vermutlich überhaupt nicht auf die Idee gekommen einen Batteriespeicher selbst zu bauen. Ganz zu schweigen von den vielen Fragen bei der Umsetzung, auf die ich im Netz Antworten gefunden habe. Vieles in meiner Baubeschreibung ist nicht auf meinen Mist gewachsen, sondern basiert auf den klugen Ideen anderer.
Vorüberlegungen
Größe des Speichers
Der Speicher soll so bemessen sein, dass der Haushalt über Nacht komplett aus dem Speicher versorgt werden kann. Je nach Jahreszeit brauchen wir in der Zeit, in der die PV-Anlage nicht arbeitet ca. 3 bis 6 kWh. Außerdem planen wir die Lüftungsanlage von unserem Haus und die Warmwasseraufbereitung zwischen Frühjahr und Herbst ebenfalls aus dem Akku zu speisen. Grob geschätzt benötigen wir für alles zusammen eine Gesamtkapazität von mindestens ca. 10 kWh um auf der sicheren Seite zu sein. Ein wesentlich größerer Speicher ist nicht sinnvoll, da er an vielen Tagen im Herbst, Winter und Frühjahr nicht mehr komplett geladen werden kann und außerdem unnötig hohe Anschaffungskosten verursacht.
Auswahl der Komponenten
Nach meiner Recherche im Internet sind Wechselrichter von Victron Energy zuverlässig und haben ein gutes Preis-Leistungsverhältnis. Für meinen Zweck geeignete Geräte sind der Multiplus II 3000 und der Multiplus II 5000.
Die LiFePo4 Zellen werden, soweit ich es sehe, praktisch alle in China hergestellt. Gängig und sinnvoll ist ein Verbund von 16 Zellen. Da ich einen Akku mit min. 10 kWh Kapazität benötige, habe ich mich für Zellen mit 280 Ah entschieden. Damit ergibt sich eine Gesamtkapazität von ca. 14,5 kWh. Zu diesem Akku passt der Multiplus II 5000 besser als der 3000, was den Ausschlag für den MP II 5000 gegeben hat.
Noch ein Gedanke zum Thema einphasige Einspeisung: Wenn man nur einen Wechselrichter installiert kann mann nur einphasig Strom einspeisen. Aus Sicht des Netzes erzeugt man damit eine Asymmetrie. Dies ist der Grund, warum die Energieversorger einphasige Geräte in der Leistung begrenzen. Aus Sicht der Stromrechnung spielt es aber keine Rolle, ob man einphasig oder dreiphasig arbeitet, weil der Stromzähler dreiphasig ist und über alle Phasen mittelt.
Das Einsparpotential von meinen 14,5 kWh Speicher liegt schätzungsweise bei 10 kWh pro Tag also 3600 kWh pro Jahr (genau deswegen ist der Speicher ja auch auf 10 kWh oder etwas größer bemessen). Zufrieden wäre ich, wenn 2500 kWh pro Jahr erreicht werden. Mal sehen, wie die Zahlen nach einem Jahr Betrieb tatsächlich aussehen.
Batterie Management Systeme (BMS) aus China mit FET (Feldeffekttransistoren) sind sehr verbreitet. Allerdings stört mich an diesen BMS-Design, dass im Falle eines defekten FET der Akku evtl. nicht mehr abgeschaltet wird, weil durchgebrannte FETs oft permanent leitend werden. Ein Relais ist hier eindeutig besser, wenn auch (viel) teurer.
Mein BMS der Wahl ist das BMS von 123 Electric aus den Niederlanden. Die Gründe die für dieses BMS sprechen sind, es hat ein Relais für die Notabschaltung, es ist aktuell gut lieferbar und es lässt sich in das Victron-System integrieren.
Die Akkus habe ich nicht direkt in China bestellt sondern in den Niederlanden, weil ich im Falle einer Reklamation hoffe, dass der Umtausch so schnell und unkompliziert abläuft. Glücklicherweise waren aber alle Zellen einwandfrei.
Eine Übersicht über alle benötigten Komponenten und Werkzeuge sowie die Lieferanten und die Preise enthält folgende Tabelle:
Hier noch eine kurze Übersicht über weitere Werkzeuge, die ich verwendet habe:
Zwingend erforderlich
Ladegerät (in meinem Fall von Statron mit 2 x 35 V / 5 A und Kiprim DC605 S, 60 V / 5 A)
Vielfachmessgerät
Autoglühlampe (zum Entladen einzelner Zellen)
Schraubenschlüssel (mit Isolierband umwickelt)
Bohrmaschine, Seitenschneider, Abisolierzange, etc.
Optional
Laborvielfachmessgerät (um die vom BMS ausgegebenen Spannungen zu überprüfen, z.B. Rohde & Schwarz HMC8012))
Messgerät zur Bestimmung des Innenwiderstands der Zellen
Monitor mit HDMI-Anschluß (für das Einrichten des Cerbo GX, die Einrichtung geht auch über das LAN/WLAN mittels, PC, MAC, iPAD, etc.)
Tastatur mit USB-Anschluß (für das Einrichten des Cerbo GX)
IR-Thermometer mit Laserpeilung
Aufbau des Speichers
Beim Aufbau muß man unbedingt konzentriert vorgehen - also nicht mal eben nebenbei schnell was anschließen, weil im Falle eines Fehler die Auswirkungen absolut katastrophal sein können. Ich habe folgende Sicherheitsmaßnahmen eingehalten
die Akkus immer abdecken, so dass nichts, insbesondere nichts aus blanken Metall, auf die Akkus fallen kann
Schraubenschlüssel mit Isolierband umwickeln, so dass er, wenn er doch mal aus der Hand rutscht, keinen Kurzschluss verursachen kann
jeden Arbeitsschritt vor der Ausführung nochmals durchdenken bevor man zur Tat schreitet
Testen und Initialisieren der Zellen:
Eindeutiges Kennzeichen, d.h. Nummerieren aller Zellen - am besten gleich beim Auspacken
Spannung jeder Zelle messen
Innenwiderstand messen (meiner Meinung nach ein optionaler Schritt, hilft aber evtl. defekte Zellen möglichst früh zu erkennen und ohne, dass es Gebrauchsspuren an den Zellen entstehen)
In diesem Schritt habe ich jeweils 8 Zellen mechanisch zu einer Bank zusammengefügt. Vom Hersteller ist angegeben, dass die Zellen im Betrieb mit einem Druck von 280 bis 320 kg zusammengepresst werden müssen. Tut man dies nicht sinkt die Zahl der Zyklen von nominal 6000 rapide ab. Jede Bank hat an den Enden eine 12 mm starke Siebdruckplatte. Zwischen den Akkus befinden sich 3 mm dicke Moosgummimatten. Der Druck wird mit 2 Spanngurten aufgebaut.
Serielles Initialisieren der Zellen / top balancing. Die genaue Vorgehensweise ist bei „Der Akku Doktor“ https://www.akkudoktor.net/forum/anleitungen-tutorials/seriell-initialisieren-von-akkus-howto/ beschrieben (vielen Dank!). Mein Labornetzteil hat zwei Ausgänge bis 35 V und 5A. Weil die Spannung nur für 8 Zellen reicht habe ich die Zellen in 2 Bänke aufgeteilt und beide Bänke nacheinander initialisiert. Zuerst habe ich die Zellen mit 4 A bis 3,35 V (26,8 V) geladen, wobei die Spannungskontrolle am Labornetzteil aktiviert war. Bei einem Strom von 4 A und einer Kapazität von 280 Ah ist klar, dass dieser Schritt sehr lange dauert. Anschließend habe ich das BMS angeschlossen und weiter bis 3,6 V geladen. Ab 3,4 V hat das BMS mit dem Balancing begonnen. Zellen, deren Spannung schneller ansteigt als die der anderen, habe ich zusätzlich zum BMS mit einer Glühlampe entladen, während der Rest der Zellen weiter geladen wurde. Dafür muß man sich etwas Zeit nehmen, z.B. etwa einen Abend pro Bank. Wer ein Netzteil mit höherer Ausgangsspannung (bis 60 V) hat, kann alles in einem Durchgang initialisieren. Es ist normal, dass die Spannung nach dem Abschalten des Ladegerätes im 10 mV-Bereich abfällt und sich auch danach noch langsam ändert bis die Zellen im elektrochemischen Gleichgewicht sind.
BMS überprüfen. Dazu habe ich die vom BMS angezeigten Spannung mit einem Labormessgerät von Rohde und Schwarz verglichen. Außerdem habe ich die Funktion des Notaus-Relais getestet. Das geht ganz einfach, indem man die Schwellwerte des BMS einfach herabsetzt. Ich finde, die Spannungswerte passen im Rahmen der spezifizierten Genauigkeit gut zusammen. Schlußendlich habe ich auch den Stromsensor des BMS mit einem Zangenmeßgerät überprüft.
Leider sind die mit den Akkus mitgelieferten M6 Schraubbolzen zu kurz um die Platinen des BMS an den Pluspolen anzuschließen bzw. darauf festzuschrauben. Aus einer M6 Gewindestange vom Baumarkt habe ich mir ausreichend lange Stück abgesägt und die Enden plangedreht (Schleifen, Feilen, etc. geht natürlich auch). Die Terminals der Akkus haben Durchgangsbohrungen. Beim Zusammenschrauben muß man sorgfältig darauf achten, dass die Gewindebolzen unten nicht zu weit herausschauen und beim Festziehen die Terminals nach oben biegen.
Den Anschluß des Victron Multiplus II und des EM24 hat ein Elektromeisterbetrieb durchgeführt. Hier gibt es eigentlich nichts weiter zu sagen, außer dass es mich ziemlich viel Zeit gekostet hat einen Betrieb zu finden der die Installation übernommen hat.
Bemerkungen zu den Tabellen:
Alle Zellen waren laut QR-Code bei Lieferung ein gutes Vierteljahr alt. Das halte ich für völlig ok.
Bei der Lieferung war die Spannung oberhalb 3V, d.h. die Zellen waren größtenteils entladen. Interessanterweise ist der unter Last mit einer Glühbirne gemessene Innenwiderstand größer als der mit dem Spazialmessgerät ermittelte Wert. Da das Spezialgerät einen Vierleiteranschluß hat hoffe ich, dass ich bei meiner Messung nicht primär den Widerstand der Kabel ermittelt habe (was eigentlich nicht der Fall sein sollte). In jedem Fall stimmen die mit dem Spezialgerät gemessenen Werte gut mit den im Internet publizierten Werten überein.
Weiterhin stimmen die mit dem Innenwiderstandsmessgerät gemessenen Spannungen gut mit den des R&S Geräts überein. Dass BMS misst nur auf 2 Nachkommastellen genau und zeigt geringfügige Abweichungen zu dem R&S Gerät. Allerdings sind die Abweichungen bei der Bestimmung des Ladezustand der Zellen nicht relevant.
Inbetriebnahme
Vor der eigentlichen Inbetriebnahme waren noch alle Komponenten final miteinander zu verkabeln. Konkret mußten die beiden Bänke miteinander verbunden werden, die Sicherung, das Notaus-Relais und der manuelle Notschalter eingebaut und die Verbindung zum MP II hergestellt werden. Da alle Kabel relativ kurz sind, habe ich erstmal alle Verbindungen nur einfach mit 35 mm2 Kabel ausgeführt. Grundsätzlich sollen aber am Ende alle Verbindungen doppelt ausgeführt werden, so wie es im Bild auch schon zwischen den beiden Bänken der Fall ist. Bei langen Ladephasen mit 60 A erwärmen sich alle Kabel nur unmerklich bis auf die Verbindung zwischen dem Relais und dem manuellen Ausschalter. Bei dem kurzen Kabel steigt die Temperatur auf ca. 35 °C. Ich muß noch klären, ob es am Schraubterminal des Schalters liegt oder an der Verpressung der Kabelschuhe.
Bild Schaltplan
Für die Inbetriebnahme habe ich den den Multiplus und dem Cerbo GX incl. BMS mit dem Akku verbunden, d.h. die Speisung des MP II während der Programmierung erfolgt aus dem Akku. Außerdem habe ich den PC, auf dem schon die notwendige Software installiert war, über das RS 485/USB Interface mit dem Multiplus verbunden.
Die Einstellungen die in meinen MP II programmiert sind können den oben stehenden Screenshots entnommen werden.
Achtung: In welchen Stromnetz der MP II betrieben wird kann vom Endanwender nur einmal eingestellt werden. Daher bitte auf den korrekten Eintrag achten. Ansonsten wird der Support benötigt, wenn eine Änderung nötig ist.
Testen des Speichers
Das ESS (Energy Storage System) habe ich zunächst mit reduziertem Ladestrom d.h. 20 A, konservativ eingestellter Ladeschlußspannung von 3.5 V und 1500 Watt als max. Abgabeleistung in Betrieb genommen. So konnte ich testen ob alle Verbindungen einen niedrigen Übergangswiderstand haben. Das habe ich sowohl durch Temperaturmessung mit einem einfachen IR-Thermometer gemacht und auch indem ich die über den Leitungen abfallende Spannung gemessen habe. Wie oben beschrieben war eine Verbindung bei mir auffällig. In insgesamt 2 Schritten habe ich die Werte in die Nähe der Maximalwerte (60 A Ladestrom und 3500 W Abgabeleistung) gebracht.
Optimierung
Die Laderegelung kurz vor Erreichen der Ladeschlußspannung hat bei mir zunächst nicht gut funktioniert. Auch bei einer Zellspannung von 3,5 V hat der MP II mit hohen Strömen (z.B. 50 A) weiter geladenen, was dazu geführt hat, dass irgendeine Zelle immer die maximale Spannung überschritten hat und dann das BMS den Akku vom MP II getrennt hat. Nachdem das BMS mittels „Balancen“ die Spannung der betroffen Zelle reduziert hatte wurde der Akku wieder mit dem MP II verbunden. Teilweise ging das 10 mal oder noch öfter so hin und her.
Das BMS und den MP II habe ich getrennt voneinander in Betrieb genommen. Wenn die Möglichkeit vorhanden ist, ist aber wesentlich sinnvoller beide Komponenten direkt miteinander zu verbinden. Die Kopplung ist einfach mit dem Interface von 123 electric und der Software. Alles was man noch benötigt ist ein kleiner USB-Speicherstick.
Nach dem ich das Laden und Entladen über einige Tage bzw. Wochen beobachtet habe habe ich im BMS folgende Werte programmiert:
Vmin: 2,90 V (46,4 V)
Vmax: 3,60 V (57,6 V)
Vbalance: 3,50 V (56,0 V)
Zum Vergleich hier was der Hersteller sagt: Die Zellen haben eine Lebensdauer (bis zu 80% Kapazität) von 6000 Zyklen, wenn sie bei einem Druck von 280-320 kg verwendet werden und bei 0,5 C (0,05 C Abschlussstrom bis zu 3,65 V) geladen werden und 0,5 C (bis zu 2,5 V) entladen werden.
Ich bin mir nicht 100%-ig sicher, ob die im BMS programmierten Werte perfekt zu den Werten im MP II passen. Allerdings funktioniert das ESS einwandfrei.
Zusammenfassung und Ausblick
Der Aufbau des Batteriespeichers ist fast abgeschlossen. Nur noch das Gehäuse muß fertig gestellt werden (Die Seitenteile werden aus einfachen Kunststoffplatten bestehen die noch von einem anderen Projekt übrig sind. Für den Deckel werde ich eine Plexiglasplatte von einem Bilderrahmen verwenden, um die LEDs vom BMS zu sehen.).
Die Auswahl der Komponenten, d.h. die Recherchen im Internet haben Spaß gemacht aber auch viel Zeit in Anspruch genommen. Es hat einige Abende gedauert, bis ich das Zusammenspiel aller Komponenten verstanden habe und alle Lieferanten ausgewählt waren. Die Bestellung und Lieferung war problemlos. Alles andere als problemlos war es einen Meisterbetrieb zu finden, der bereit war den Victron MP II anzuschließen und den MP II anzumelden.
Der Aufbau der Speichers hat länger gedauert als gedacht. 3 bis 4 Abende waren dafür definitiv nicht ausreichend. Allerdings habe ich dabei viel gelernt und ich kann mit Freude sagen es hat Spaß gemacht. Finanziell hat sich das ganze ebenfalls gelohnt, was man ja beim selber machen nicht immer sagen kann. Klar ist natürlich, dass eine finanzielle Ersparnis nicht gleich tatsächlich eingesparter Energie ist. Vorrangiges Ziel bleibt es daher Energie einzusparen.
In die Zukunft gerichtet hoffe ich, dass alle Geräte über ihre geplante/erhoffte Lebensdauer (6000 Zyklen, d.h. >20 Jahre?) hinweg einwandfrei arbeiten und, dass das geschätzte Einsparpotential tatsächlich erreicht wird.
Bleibt noch die Frage nach der Wartung. Obwohl die Zellen und der MP II im Prinzip keiner Wartung bedürfen ist es naheliegend alle Kontakte regelmäßig zu prüfen z.B. indem man den Spannungsabfall mißt oder z.B. eine Wärmebildkamera verwendet.
Disclaimer
Alle Komponenten für meine Speicher habe ich zum regulären Preis ganz normal eingekauft. Ich bekomme von keiner der genannten Firmen finanzielle oder sonst irgendwelche Zuwendungen. Alle geäußerten Meinungen geben meine persönliche Sicht wieder. Bei der Beschreibung handelt es sich nicht um eine Bauanleitung. Jeder der mit LiFePO4-Zellen und hohen Strömen und Spannungen hantiert sollte sich der damit verbundenen Gefahren bewußt sein und handelt auf eigene Gefahr.
