Stromerzeugung

Photovoltaik-Anlage Drei Brunnen

Die Photovoltaik-Anlage auf zwei Dächern der Riehener Alterssiedlung Drei Brunnen hat eine Peak-Leistung von 265 kW und produziert im Jahr rund 220000 kWh Strom. (Bild: Emil Landsrath AG)

Monitoring des Second-Life-Batteriespeichers

Verschiedene Parameter des Second-Life-Batteriespeichers in Riehen an einem zufällig ausgewählten Tag im August 2019. (Screenshot: B. Vogel)

Forschungsprojekt für Second-Life-Batterien "Drei Brunnen"

Gebrauchtbatterien brechen Lastspitzen

Vor einigen Jahren waren Stromspeicher aus Second-Life-Batterien noch eine Vision, heute kommen sie landesweit an etlichen Gebäuden zum Einsatz. Gebrauchtbatterien übernehmen heute die gleichen Aufgaben wie Neubatterien, wie ein aktuelles Projekt in einer Alterssiedlung zeigt.

Elektromobilität ist heute allgegenwärtig: Die Zahl der Elektroautos nimmt stetig zu. E-Bikes sind beliebte Pendler- und Freizeitfahrzeuge. E-Scooter sorgen für urbanen Fahrspass. Die Wurzeln der Elektromobilität reichen ins letzte Jahrhundert zurück. Eine Traditionslinie sind die Twikes. Die überdachten Liegeräder mit Elektrounterstützung waren in den 1990er-Jahren von einer Gruppe Solarpionieren ersonnen worden. Gegenwärtig sind über 1000 Exemplare im In- und Ausland unterwegs. Betreut werden sie bis heute von der Firma dreifels AG in Gelterkinden (BL)

Die Schöpfer der Twikes sind nicht nur Pioniere der Elektromobilität. Pioniere sind sie auch bei der Wiederverwertung alter Elektrobatterien: Die dreifels-Ingenieure kamen als erste in der Schweiz auf die Idee, systematisch gebrauchte Twike-Batterien für stationäre Stromspeicher zu nutzen. Batterien verlieren im Laufe der Zeit einen Teil ihrer Ladekapazität, damit schrumpft in mobilen Anwendungen die Reichweite. Bei Twike-Batterien ist dieser Punkt nach rund sieben Jahren erreicht. Statt die Gebrauchtbatterien zu entsorgen, nutzen die dreifels-Techniker sie zum Bau von stationären Stromspeichern: Sie helfen dann Betreibern von Photovoltaik-Anlagen, den selbst produzierten Strom zwischenzuspeichern, um einen möglichst grossen Anteil selber verbrauchen zu können. In dieser Form erleben die Gebrauchtbatterien quasi ihr zweites Leben (‹second life›).

Basel-Stadt leistet Pionierarbeit

Den Anstoss zur Entwicklung von Second-Life-Batterien gab vor einigen Jahren das Projekt «2000-Watt-Gesellschaft – Pilotregion Basel» des Amts für Umwelt und Energie (AUE) Basel Stadt. In einem Einfamilienhaus in Riehen wurde im Juli 2015 ein kleiner Speicher aus Second-Life-Batterien (2,5 kWh Kapazität) eingebaut, um den Solarstrom einer privaten PV-Anlage (4,2 kWp) zwischenzuspeichern. Im Herbst desselben Jahres ging im Basler Gundeldinger-Quartier in einem umgebauten Industriegebäude (ehemaliges Kohlesilo) ein Second-Life-Speicher mit 40 kWh in Betrieb. Noch mehr Kapazität (60 kWh) hat nun ein Speicher, der seit Oktober 2018 in der Alterssiedlung «Drei Brunnen» in Riehen zum Einsatz kommt. Er ergänzt dort eine grosse PV-Anlage, die auf den beiden Dächern der Alterssiedlung installiert ist (256 kWp).

Speicher mit Second-Life-Batterien werden – genau wie Speicher aus Neubatterien – dazu verwendet, den Eigenverbrauch des lokal produzierten Solarstroms zu maximieren. In Einfamilienhäusern mit PV-Anlage lässt sich auf diesem Weg die Eigenverbrauchsquote typischerweise von 30 auf 70% erhöhen. Auch in der Liegenschaft ‹Drei Brunnen› in Riehen lässt sich der Eigenverbrauch steigern, dies allerdings nur in relativ geringem Mass, weil die Liegenschaft Heizung und Warmwasser über Fernwärme deckt und daher nur einen relativ geringen Teil des eigenen Solarstroms selber verbrauchen kann. Der «Überschussstrom», der nicht von den 57 Alterswohnungen verbracht wird, wird in erheblichem Mass ins Stromnetz der IWB (Industrielle Werke Basel) eingespeist.

Batterie vermindert Bezug und Einspeisung

Und hier kommt nun der Second-Life-Speicher ins Spiel. Er soll dafür genutzt werden, Bezugsspitzen der Liegenschaft aus dem IWB-Netz zu vermeiden – und Einspeisespitzen von der PV-Anlage ins IWB-Netz abzumildern. Das Brechen von Bezugs- und Einspeisespitzen wird gegenwärtig breit diskutiert, denn es hat – über das konkrete Objekt in Riehen hinaus – im Prinzip Vorteile für alle Beteiligten: Die Stromkonsumenten können unter gewissen Umständen Geld sparen, und die Netzbetreiber müssen nicht ihr Netz für dezentrale Solaranlagen verstärken. Vor diesem Hintergrund will ein Forscherteam der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) in Riehen untersuchen, ob bzw. in welchem Ausmass der Batteriespeicher in der Lage ist, Spitzen bei Strombezug und -einspeisung zu verringern. Um dieses Ziel bestmöglich zu erreichen, wird der Speicher temporär gezielt entladen, um den Strombezug aus dem IWB-Netz zu verringern – und er nimmt dann Strom auf, wenn die Solaranlage einen grossen «Überschuss» produziert.

Seit November 2018 messen die FHNW-Forscher während eines Jahres die Stromflüsse rund um den Batteriespeicher. Abschliessende Ergebnisse liegen bisher nicht vor, doch FHNW-Projektleiterin Monika Hall zieht eine positive Zwischenbilanz: «Der Batteriespeicher funktioniert: Immer wenn der Bezug aus dem IWB-Netz z.B. 8 kW übersteigt, wird der Batteriespeicher entladen; damit lassen sich Bezugsspitzen zwar nicht zum Verschwinden bringen, aber doch vermindern», sagt die Forscherin vom FHNW-Standort Muttenz. Ohne Einsatz der Batterie würde die maximale monatliche Bezugsleistung bei 40.1 kW liegen, mit Batterie liegt sie gemäss den Messungen seit November 2018 bei 33.4 kW. Die Batterie reduziert die Bezugsspitze somit um knapp 17%. «Mehr liegt nicht drin, da die Bezugsspitzen im Dezember und Januar auftreten, wenn wenig Solarstrahlung vorhanden ist und somit die Batterie kaum geladen wird», sagt Monika Hall und ergänzt: «Immerhin beobachten wir, dass mit der Batterie die hohen Bezüge insgesamt deutlich seltener auftreten. Wir variieren die Bezugslimite einerseits, um den Bezug in der Nacht möglichst konstant zu halten, was für das Netz positiv ist, und sorgen andererseits dafür, dass die Batterie am nächsten Morgen leer ist, um wieder die volle Ladekapazität zur Verfügung zu haben. Im Winter ist die Bezugslimite höher (weniger Einstrahlung, höherer Verbrauch), im Sommer kann sie niedriger sein (hohe Einstrahlung, etwas tieferer Verbrauch).»

Umgekehrt nimmt der Batteriespeicher Strom auf, wenn sehr viel «überschüssiger» (also nicht innerhalb der Alterssiedlung verbrauchter) Solarstrom anfällt. Damit lässt sich die Einspeisung ins IWB-Netz reduzieren. Im Sommer ist der Speicher um die Mittagszeit voll. «Da ein Peak-shaving mit der verwendeten Steuerung nicht möglich ist, lassen sich die Einspeisespitzen jedoch nicht vermeiden», sagt Hall.

2560 Gebrauchtzellen

Das Forschungsprojekt in Riehen könnte auch mit einem Speicher aus neuen Batteriezellen durchgeführt werden. Der Einsatz von Second-Life-Batterien hat aber einen zusätzlichen Reiz. Mit ihnen kann die graue Energie, die für ihre Herstellung gebraucht wurde, auf eine längere Lebensdauer verteilt werden, woraus ein ökologischer Vorteil resultiert. Der Second-Life-Speicher in der Riehener Alterssiedlung enthält 2560 Batteriezellen, so viel wie in rund 21 Twike-Batterien. Die Zellen stammen aus Gebrauchtbatterien von Twikes und anderen Anwendungen. Weitere Zellen wurden Neubatterien entnommen, die mehrere Jahre ungebraucht gelagert worden waren und durch Korrosion einen Teil ihrer Leistung eingebüsst haben.

Für die Herstellung des Second-Life-Speichers hat die dreifels AG nur Batteriezellen verwendet, die noch mindestens 70% Ladekapazität hatten. Für den Bau eines leistungsfähigen Speichers war es auch wichtig, dass sich die einzelnen Batteriezellen beim Laden/Entladen möglichst gleich verhalten. «Der Speicher in Riehen läuft sehr gut, bisher mussten wir noch keine Zellen austauschen», sagt dreifels-Geschäftsführer Ralph Schnyder. In einem Wartungsvertrag bietet dreifels die Option, schwache oder defekte Batteriezellen periodisch zu ersetzen, so dass die Kapazität des Second-Life-Speichers auch langfristig auf gleichem Niveau bleibt und die Alterung kompensiert wird.

Landesweite Projekte

Die dreifels AG betreibt unterdessen 15 Second-Life-Speicher. Die meisten sind Kleinspeicher für Einfamilienhäuser mit typischerweise 12 kWh Kapazität. Der grösste Speicher der dreifels AG läuft mit 100 kWh Kapazität bei der Eniwa AG, der Energieversorgerin der Region Aarau. Weitere Second-Life-Speicher wurden seit 2017 durch das Ökozentrum im Rahmen eines BFE-Projekts in der Umwelt Arena Schweiz in Spreitenbach und in einem Post-Gebäude in Neuenburg in Betrieb genommen. Sie enthalten Gebrauchtbatterien von ausgemusterten Elektrorollern der Schweizerischen Post.

«Second-Life-Batterien sind eine ökologisch interessante Variante zur Wiederverwendung von Gebrauchtbatterien aus Mobilitätsanwendungen, allerdings sind diese Batterien in der Regel nicht günstiger als Neubatterien, da für die Nutzung der Gebrauchtbatterien ein massgeschneidertes Batteriemanagementsystem mit geeigneter Zellverschaltung und -paketierung erforderlich ist», sagt Michael Sattler vom Ökozentrum in Langenbruck (BL). Sattler hat die Second-Life-Batterien in einem Ende 2018 abgeschlossenen Projekt im BFE-Auftrag untersucht. Die spätere Second-Life-Verwendung von Batterien müsse Teil eines umfassenden Anwendungskonzepts sein, lautet ein Fazit des Schlussberichts: «Die spätere Nutzung als Second-Life Stromspeicher muss bereits bei der Konzeption des Akkus für den Ersteinsatz berücksichtigt werden. Nur so können Second-Life-Speicher in Zukunft günstig realisiert werden. Zumindest in grossen öffentlichen Ausschreibungen sollte diese Second-Life-Tauglichkeit verlangt werden.»