Operation Hausspeicher – Wirkungsgrad meines AC-seitig eingebundenen ESS

Loxone im Einsatz? Dann schau dir unseren LoxKurs an und profitiere von unserem Wissen!

Getreu dem Motto: Wer viel misst, misst viel Mist, habe ich einmal alle relevanten Messwerte in eine Influx-DB geschrieben und per Grafana (geiles Tool) visualisiert. So lÀsst sich recht genau bestimmen, wie hoch der Wirkungsgrad beim hier vorgestellten AC-seitig eingebundenen Energiespeichersystem tatsÀchlich ist.

Wirklich spannend fand ich dabei insbesondere die Leistungskurven der zwei parallel eingebundenen Batterie-Packs, deren LiFePo4-Zellen zwar grundsÀtzlich die gleiche KapazitÀt besitzen, jedoch verschiedene interne WiderstÀnde aufweisen.

Theoretisches VorgeplÀnkel

Um die Erzeugung der PV-Anlage mit dem tatsĂ€chlichen Verbrauch zu synchronisieren, muss die ĂŒberschĂŒssige Energie zwischengelagert werden. Jetzt ist es leider so, dass diese Energie nicht 1:1 in den Speicher geschoben und spĂ€ter wieder entnommen werden kann. Das liegt insbesondere daran, dass die Netzseite – an dem auch der PV-Inverter hĂ€ngt – mit 230V Wechselspannung arbeitet, der Akku jedoch mit nur knapp 50V Gleichspannung.

Zu diesem Zweck wird der Batterieinverter in Form des Victron Multiplus II 48-5000 (Affiliate-Link) benötigt, der hier gewissermaßen eine BrĂŒcke zwischen den beiden Welten schlĂ€gt. Die im Batteriewechselricher arbeitende Leistungselektronik muss dabei – vorallem bei hohen Lasten – schon einige Elektronen „schubsen“, damit das Spannungsniveau und die Frequenz (auf der AC-Seite – Sichtwort: Sinuskurve) passt. Durch interne WiderstĂ€nde treten hierbei Verluste auf, wodurch ein Teil der elektrischen Energie in thermische Energie umgewandelt wird. Sprich: Der Inverter heizt sich auf und „verbrĂ€t“ quasi einen Teil des Stroms.

Nun gibt es mehrere AnsĂ€tze, um diese Umwandlungsverluste einzudampfen, wobei – kurzgefasst – alles seine Vor- und Nachteile hat. Ich habe mich jedenfalls – aus mehreren GrĂŒnden – fĂŒr einen AC-seitig eingebundenen Batteriespeicher entscheiden, der auch als „Stand-Alone-Lösung“ angesehen werden kann. Schalte ich den Batterieinverter ein, kann ich die ESS-Funktion nutzen. Schalte ich ihn aus, funktioniert alles wie vorher auch, dann eben Speicher (nur einer der GrĂŒnde).

Und diese Form des AC-seitig eingebundenen Batteriespeichers hat – platt gesagt – schlicht den schlechtesten Wirkungsgrad. Besonders spannend ist deshalb die Frage, was der Victron Multiplus aus dieser semioptimalen Ausgangssituation macht. Sprich, wie hoch der Wirkungsgrad am Ende tatsĂ€chlich ist – auch in Bezug auf bspw. eine DC-seitig eingebundene Lösung (z.B. durch einen Hybridwechselrichter).

Praktische Messwerte – Batterieladung

Der Victron Multiplus II 48-5000 (Affiliate-Link) ist laut Datenblatt dafĂŒr ausgelegt, den angebundenen 48V-Niedervoltspeicher mit bis zu 70A zu laden, was bei einer realen Batteriespannung von etwas ĂŒber 50V dann knapp 3,8kW entspricht . Unter realen Bedingungen schafft das verbaute LadegerĂ€t kurzzeitig sogar bis knapp 4kW, im Dauerbetrieb drosselt das LadegerĂ€t jedoch durch stetige ErwĂ€rmung – und trotz dann aktivem LĂŒfter – langsam runter bis 3,3kW (Raumtemperatur ca. 25 Grad).

Bei einer praxisnahen Ladeleistung von – im Schnitt – 1,1kW, habe ich dabei einen Wirkungsgrad von 94,8% ermittelt:

Der Wirkungsgrad ergibt sich dabei durch den Quotienten aus der vom BMS gemessene Leistung (DC-seitig) und der vom Inverter gemessenen Leistung (AC-seitig).

Wird die Ladeleistung auf 1,7kW erhöht, sinkt der Wirkungsgrad erwartungsgemĂ€ĂŸ etwas – auf knapp 94,4%:

Nach diesen „aus dem realen Betrieb“ stammenden Kennzahlen habe ich den leeren Akku mit konstant 3kW einmal komplett vollgeladen. Durch die recht hohe Last sinkt der Wirkungsgrad dabei sogar auf 93,9%:

Nachfolgend kann man dabei auch gut sehen, wie sich die Temperatur in den Batterie-GehĂ€usen ĂŒber die Stunden hinweg stetig erhöht:

Extrem spannend fand ich dabei insbesondere, wie sich die Ladeleistung auf die beiden parallel geschaltenen Speicher-Packs aufteilt:

Dieses „Hoch-und-Runter-Schwingen“ kann ich mir spontan – und ohne weiteres Hintergrundwissen – nur durch die unterschiedlichen InnenwiderstĂ€nde der Zellen erklĂ€ren. Die Zellen aus Batterie 1 besitzen jeweils 0,16 Milliohm Innenwiderstand (laut Label und auch von mir gemessen), die Zellen aus Batterie 2 „wesentlich“ höhere 0,21 Milliohm.

Auch sieht man schön anhand der Kurven, dass das BMS von Batterie 2 am Ende den Strom kappt, da eine Zelle bereits den definierten Schwellwert von 3,45V (könnte man auch etwas höher stellen) ĂŒberschreitet – was dann eben auch fĂŒr das BMS bedeutet, dass der SoC von 100% erreicht ist.

Dadurch und auch durch die steigende Gesamtspannung der Batterie-Packs regelt der Inverter auch direkt die Ladeleistung herunter und schaltet in den „Absorption“-Modus.

Nachfolgend sieht man auch die fĂŒr LiFePo4-Zellen charakteristische Spannungskurve, die bis auf die unteren und oberen Grenzen recht flach und linear verlĂ€uft:

Bei meinem 0-100% Vollladetest wurden auf der 230V AC-Seite insgesamt 32,3kWh entnommen und in Richtung Akkus gesendet.

Betrachtet man die SpannungsverlĂ€ufe der beiden Batterie-Packs, sieht man auch sofort, dass diese absolut identisch verlaufen – eben so, wie man es erwartet. Und was natĂŒrlich auch ein Zeichen dafĂŒr ist, dass die QualitĂ€t der Messwerte in Ordnung ist.

Praktische Messwerte – Batterieentladung

Der Wechselrichter des 5000er Victron Multiplus kann laut Datenblatt bei 25Grad bis zu 4kW bereitstellen. Je höher die Temperatur, desto weiter wird dieser Wert gedrĂŒckt – bei 65Grad sind es bspw. nur noch 3000W.

Aufgrund eigener Tests kann ich jedoch sagen, dass in der Spitze auch bis zu 4,5kW möglich sind, was nicht ganz 20A (bei 230V) entspricht – was sich wiederum knapp unterhalb der in Deutschland erlaubten „Schieflastgrenze“ einpendelt.

Tasten wir uns erst einmal mit lockeren 0,5kW Entladeleistung und einem geschmeidigen Wirkungsgrad von 95,1% vor, was in meinem Fall am ehesten dem nÀchtlichen Grundverbrauch entspricht:

Wird die Entnahmeleistung auf satte 3kW angehoben, sieht es mit 90,3% Wirkungsgrad schon maßgeblich schlechter aus:

Auch die Temperaturen der Batterie-Packs geht ĂŒber den Zeitverlauf einer kompletten Entladung mit 3kW schon mehrere Grad nach oben:

Und auch auf der Entladeseite erkennt man das stetige „Auseinanderlaufen“ und „ZurĂŒcksynchronisieren“ der Leistungswerte beider Batterie-Packs:

Hier hat Batterie 2 wieder kurz vor Batterie 1 „schlappt gemacht“ – sprich das Relais von BMS 2 hat die Verbindung gekappt, da eine Zelle die untere Spannungsgrenze erreicht hat.

Zum Abschluss dann noch die charakteristische Entladekurve:

Effektiv konnten dabei 26,4kWh aus dem Akku heraus auf der AC-Seite bereitgestellt werden. Das entspricht realen 92% bezogen auf die rechnerische Zellen-GesamtkapazitÀt in Höhe von 28,67kWh (3,2V Nennspannung x 16 Zellen x 280Ah KapazitÀt x 2 Batterie-Packs), wobei ich ja durch die eher konservativen Unter- und Obergrenzen im BMS bereits etwas Puffer lasse.

Berechnung des Gesamtwirkungsgrades – Ladung & Entladung

Wie in oben aufgezeigten Szenarien erkennbar, variiert der Wirkungsgrad je nach Ein- und Ausspeiseleistung schon ganz ordentlich. Das war im Grunde auch zu erwarten.

Bei einem „Vollzyklus“ mit konstant 2,5kW Ladeleistung und anschließender 3kW Entladeleistung landet das ESS-System bei einem Wirkungsgrad von knapp 82%. Also der Quotient aus rausgezogener Energiemenge (26,4kWh) und reingesteckter Energiemenge (32,3kWh) – beides real gemessen auf der AC-Seite.

Betrachtet man die reinen protokollierten Leistungswerte, kommt man hingegen auf den leicht abweichenden Wert von knapp 85%: Der errechnete Wirkungsgrad bei der Ladung ist hierbei 93,9% und der errechnete Wirkungsgrad bei der Entladung 90,3% – beide werden dann multipliziert, um auf den Gesamtwirkungsgrad zu kommen.

Die Differenz zu den „realen“ 82% Gesamtwirkungsgrad lĂ€sst sich dann im Grund auch recht schnell zuordnen. Denn diese errechneten Werte beziehen sich auf den Quotienten aus den vom BMS gemessenen Leistungswerten (DC-Seite) und den vom Inverter gemessenen Leistungswerten (AC-Seite). Diese Differenz von knapp 3% (85%-82%) zusĂ€tzlichem Wirkungsgradverlust ist dabei den Batteriezellen selbst und der DC-seitigen Verkabelung zwischen BMS und Batteriezellen zuzuschreiben.

Vor diesem Hintergrund kommt man dann bspw. auf einen realen Gesamtwirkungsgrad von 88%, sofern man die Ladung mit 1,1kW (94,8% Wirkungsgrad) und die Entladung mit 0,5kW (95,1% Wirkungsgrad) durchfĂŒhrt und nochmal ca. 2% Verlust durch die gerade erlĂ€uterte DC-Seite (nach dem BMS) addiert.

Kann mir eigentlich noch jemand folgen? :D

Und was bedeutet das jetzt?

Lange Rede, kurzer Sinn:

Der Gesamtwirkungsgrad ist stark abhÀngig von der Lade- und Entladeleistung und bewegt sich im realen Betrieb im Range 80-90%.

Ist das jetzt gut oder schlecht – oder wie ist das jetzt insgesamt zu bewerten?

Update vom 10.02.2022: Die Auswertung der letzten 30 Tage zeigt ĂŒbrigens einen realen Wirkungsgrad von 86,4% – errechnet aus dem Quotienten der effektiv entnommenen Energiemenge aus dem Akku und der vorher geladenen Energiemenge, jeweils gemessen vom Victron Multiplus II auf der AC-Seite:

Bei Hybrid-Systemen, also Systeme, bei denen der PV-Inverter „direkt“ ohne DC-AC-DC-Wandlung den angeschlossenen Niedervolt-Akku laden kann, kommt man im Mittel auf etwas ĂŒber 90% Wirkungsgrad. Die Anlage eines Freundes kommt dabei bspw. auf knapp 92%, wenn man einen lĂ€ngeren Zeitraum betrachtet. Ein höherer Wert ist auch schwierig, da quasi nur knapp 50% der Verluste (Ladeseite) im direkten Vergleich zur komplett AC-gekoppelten ESS-Lösung wegfallen. Denn sobald der Akku die Energie ins Hausnetz abgeben soll, kommt man auf die DC-AC-Umwandlung einfach nicht rum.

Langsam etablieren sich aber auch Hochvolt-Hybrid-Systeme. Hierbei werden eine Vielzahl von Batteriezellen in Reihe geschaltet (wie bei E-Autos), um das Spannungsniveau maßgeblich zu erhöhen. Dadurch ist die Spannungsdifferenz zu den PV-Panels (Ladevorgang) und dem Umrichten zum Hausnetz (Entladevorgang) kleiner und entsprechend auch der Gesamtwirkungsgrad höher, da fast nur Verluste auf der Entladeseite DC->AC anfallen. Außerdem entfallen technikbedingt zusĂ€tzlich kleinere Verluste, da durch die höhere Spannung geringere StromstĂ€rken fließen.

Im DIY-Umfeld werden aber vermutlich auch weiterhin AC-gekoppelte ESS-Lösungen – wie das im erste Artikel zur ESS-Reihe vorgestellte – anzutreffen sein. Schon alleine aufgrund der unschlagbar gĂŒnstigen Anschaffungskosten der LiFePo4-Zellen, wie den von mir genutzten EVE-Zellen von ShenzenBasenTechnology (280Ah) (Affiliate-Link). Und setzt man die Wirkungsgradverluste einmal in Relation, sieht es auch gleich nochmal besser aus. Denn auch wenn der Wirkungsgrad im schlimmsten Fall bei „lausigen“ 80% liegt, kostet mich die aus dem Batteriespeicher zwischengepufferte kWh auch nur effektiv 11Ct (entgangene EinspeisevergĂŒtung von 9Ct / 0,8).

Loxone im Einsatz? Dann schau dir unseren LoxKurs an und profitiere von unserem Wissen!

Verpasse keine Inhalte mehr! Trage dich in den Newsletter ein und folge uns auf Facebook.

Was ist ein Affiliate-Link? Wenn du auf einen Affiliate-Link klickst und ĂŒber diesen Link einkaufst, bekomme ich vom betreffenden Online-Shop oder Anbieter eine Provision, was mich u.A. bei den laufenden Kosten den Blogs unterstĂŒtzt. FĂŒr dich verĂ€ndert sich der Preis nicht.

Jörg

hat meintechblog.de ins Leben gerufen, um seine Technikbegeisterung und Erkenntnisse zu teilen. Er veröffentlicht regelmĂ€ĂŸig Howtos in den Bereichen Smart Home und Home Entertainment. Mehr Infos

8 Gedanken zu „Operation Hausspeicher – Wirkungsgrad meines AC-seitig eingebundenen ESS“

  1. Da hilft nur einen Teil der Solarpanele oder der nÀchsten Erweiterung direkt mit DC-DC zu laden, via Victron MPPT.
    Danke fĂŒr die interessante Dokumentation

    1. Victron MPPT kann derzeit leider nur maximal 450V Stringspannung
      Das sind dann typisch max 12 Panels pro String – und dann knapperst im Winter an der Grenze…

    2. Hi Hardy,
      das habe ich mir tatsĂ€chlich gerade auch ĂŒberlegt. Ich habe einige Panels (8x190W) installiert, die ich vom Winkel her neigen kann (werde ich hoffentlich auch bald mal Zeit haben das vorzustellen) und diese wĂŒrden sich perfekt anbieten, ĂŒber ein Victron MPPT eingebunden zu werden, um damit direkt den Akku zu laden.

      @GĂŒnter: Hast natĂŒrlich total Recht, aber evtl. ist – insb. auch bei mir – eine Mischform sinnvoll. Den Großteil der Panels weiterhin AC-angebunden und die wenigen „neigbaren“ Panels ĂŒber den Victron MPPT, der dann sogar bei Stromausfall den Akku ohne zusĂ€tzlichen Aufwand laden kann (im Winter dann natĂŒrlich kaum, keine Frage).

      Viele GrĂŒĂŸe
      Jörg

  2. Hallo Jörg,

    vielen Dank fĂŒr deine Artikel.
    Ich motze ja nur ungern, aber 230V sind immer noch Wechsel*spannung* und die 50V eben Gleich*spannung* 😁

    Grafana ist fĂŒr uns Nerds natĂŒrlich ein Traum.

    Ich frage mich gerade, was passiert wenn der Akku per MPPT „geladen“ wird und gleichzeitig durch den WR entladen wird. Ob das den MPPT stört đŸ€”

    Viele GrĂŒĂŸe
    Maik

    1. Hi Maik,
      danke fĂŒr deine Anmerkung! Hab ich direkt ĂŒberall berichtigt (Wechselstrom -> Wechselspannung etc.). Vermutlich nicht ganz so gravierend wie kW und kWh durcheinanderzuwĂŒrfeln, dennoch werde ich kĂŒnftig darauf achten.

      Da der MPPT ja ein etwas höherer DC-Spannungsniveau besitzen muss als die Batteriepacks gerade haben (sonst wĂŒrde die Batterie ja nicht geladen werden können), wird primĂ€r erstmal die vom MPPT zur VerfĂŒgung gestellte Leistung vom Victron Multiplus zur etwaigen Bedarfsdeckung des Hausnetzes genutzt. Es sei denn ich steuere softwareseitig dagegen, indem ich dem Victron Multiplus in diesem konkreten Fall eine RĂŒckspeisung verweigere – ob das aber ĂŒberhaupt sinnvoll ist, weiss ich gerade auch nicht ganz…

      Viele GrĂŒĂŸe
      Jörg

  3. Guten Abend ich nutze von der Hardware ein identisches Setup allerdings mit iobroker und dem VolkszÀhler.
    Ich habe Mal ne Frage woher kommen die Energie Werte fĂŒr den Akku her ich habe lediglich Bezug und Einspeisung und den PV Wechselrichter als kWh zur VerfĂŒgung.

    1. Hi Nils,
      die Messwerte der Batteriepacks stammen von deren BMS, die ihre Daten an das Victron-System senden. Diese Messwerte kann man dann per MQTT abgreifen und entsprechend auswerten. Werde ich in spĂ€teren Blogposts sicher noch ausfĂŒhrlicher erklĂ€ren.

      Viele GrĂŒĂŸe
      Jörg

  4. Hi Jörg,
    danke fĂŒr den Beitrag, gefĂ€llt mir gut. Bin auch schon einige Zeit am ĂŒberlegen, ob ich meine 1.5kw mit einem Speicher erweitern soll. Nachdem ich deinen Beitrag gelesen habe, bin ich zu dem Schluss gekommen, dass die Wirkungsgrad-Verluste vertrĂ€glich sind und ich wahrscheinlich erstmal einen Victron-WR einsetzen werde. Die Alternative mit Hybrid-WR kann ich mir ja mal ĂŒberlegen.
    Aus Erfahrung weiß ich, dass sich im Moment zumindest, altes Equipment gut verkaufen lĂ€sst. Das lĂ€sst Freiraum zum Ausprobieren und wieder verkaufen, auch mit Wandlungsverlusten :).
    Schöne GrĂŒĂŸe

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert