Das „Visualisierungs- und Beratungstool“ ist ein Internet-Werkzeug zur Demonstration von fachlichen und ökonomischen Sachverhalten bei der Systemintegration von erneuerbaren Energien in dezentrale Energieversorgungs- sowie Energiemanagementstrukturen zur Nutzung für die Elektromobilität. Es wurde speziell für Schulungszecke entworfen. Es ist beabsichtigt, mit diesem Werkzeug Beratungskompetenzen und Handlungskompetenzen zu entwickeln.

Zur Laufzeit des Projektes „smartAdvisor“ (bis Ende 2015) ist die freie Nutzung dieses Tools im Internet gewährleistet.

4 Hinweise zur Nutzung des Tools

4.1 Zugang zum „Visualisierungs- und Beratungstool“

Die Entwicklungsarbeiten am „Visualisierungs- und Beratungstools“ sind noch nicht abgeschlossen. Somit muss man sich gegenwärtig darauf einstellen, dass der Zugang und Inhalt entsprechend der unterschiedlichen Bearbeitungsständen variieren. Außerdem werden Redundanzen im Internet eingerichtet, um Störungen im Internet zu begegnen. Das heißt, auch die Adresse kann sich während der Entwicklungsphase ändern. Aktuell ist der Zugang über folgende Adresse erreichbar:

http://visit.ebz.de/vistool/ Cloud Standort EBZ Dresden, lokale Adresse: http://visit.ebz.intern/vistool/

oder das Double

http://visit-ingenieurbuero.de.ddns.kos-online.de/ebz/vistool/ Cloud Standort VISIT Dresden

4.2 Voraussetzungen zur ordnungsgemäßen Funktionalität

Folgende Bedingungen müssen zum ordnungsgemäßen Arbeit am „Visualisierungs- und Beratungstools“ erfüllt sein:

· Webbrowser vorzugsweise Internet Explorer, mindestens auf Niveau IE 9, aktuell ist IE11.

· Alternative aktuelle Browser (z.B. Firefox) sind einsetzbar, aber ggf. nicht voll kompatibel bzw. getestet

· Erlaubnis von JavaScript.

· Cookies dürfen nicht grundsätzlich verboten sein, können aber nach der Übung gelöscht werden.

· Die Internetverbindung sollte nicht schlechter sein als DSL 6000.

· Die Performance des Rechners sollte besser oder gleich Dualpentium sein.

· Der Arbeitsspeicher der Teilnehmerrechner sollte größer oder gleich 4 GB sein.

4.3 Architektur des „Visualisierungs- und Beratungstools“

Das äußere Erscheinungsbild der grafischen Objekte orientiert sich an Merkmalen des bekannten Visualisierungsprogramms „Microsoft Visio“. Mithin gibt es:

· Shapes, d.h. kleine graphische Sinnbilder der Objekte

· Connector Points, d.h. Anschlussstellen für Verknüpfungen an den Shapes

· Connections, d.h. Verbinder von Shapes

· Properties, d.h. Eigenschaften der Objekte und

· Values, d.h. Werte der Eigenschaften.

Im Sinne innovativer Erweiterungen gegenüber den Ansätzen von „Microsoft Visio“ ist die Arbeit mit Zeitverläufen implementiert.

Die Nutzung erfolgt in einer webbasierten Client-Server-Architektur auf der Oberfläche üblicher Browser (Internetexplorer, Firefox u.a.). Die Softwarebereitstellung und -wartung erfolgt in Form von „Software-as-a-Service (SaaS)“ in einem vom EBZ bzw. als Double von VISIT organisierten Cloude.

Die Bedienung der grafischen Benutzeroberflächen des „Visualisierungs- und Beratungs-Tools“ folgt den Prinzipien des „Drag & Drop“, d.h. des Bewegens (Ziehens und Ablegens) grafischer Objekte (z.B. elektrischer Speicher) mittels Maus. Den grafischen Objekten können Eigenschaften (z.B. Kapazität) zugeordnet werden. Den Eigenschaften lassen sich Werte (z.B. Amperestunden [Ah]) geben.

Energie-Bereitsteller und Energie-Verbraucher können durch Vorgabe von Erzeuger- bzw. Lastgängen konfiguriert werden. Standardlastgänge und typischer Erzeuger kurven lassen sich individuell

Nach Bestimmung des Verhaltes der ausgewählten Objektanordnung kann der Berechnungsalgorithmus gestartet werden (Run), welcher im Ergebnis Aussagen über Energie-Überschüsse oder Energie-Defizite entlang einer Zeitachse (Tag, Woche, Monat, Jahr) darstellt. Im Ergebnis werden wirtschaftliche Aspekte, wie z.B. Break-Even und Cash-Flow angezeigt.

4.4 Hinweise zur Bedienung

Das „Visualisierungs- und Beratungstool“ enthält auf der linken Arbeitsfläche eine Reihe von Objekten, welche mit typischen Eigenschaften und Werten (Parametern) vorkonfiguriert sind.

Mittels „Ziehen und Ablegen durch die Maus“ (Drag & Drop) kann man sich die benötigten Objekte in das mittlere Arbeitsfeld holen. Man beachte, dass die Ablage der Objekte nur in den lindgrün hinterlegten Bereiches des mittleren Arbeitsfeldes möglich ist, um die Zuordnung zu Verbraucher / Erzeuger / Speicher zu gewährleisten.

Der Energiefluss kann durch Verbinden der an den Objekten befindlichen Anschlussstellen (rosa eingefärbte Connectoren) dargestellt werden. Hierbei ist mit der Maus zuerst die Quelle der Energie und dann die Senken anzuklicken. Das heißt, die mit Pfeilen auf den Verbindungen symbolisierten Energieflüsse verlaufen in der Regel von links nach rechts.

Nach dem Markieren der Objekte können im linken Teilfenster die Eigenschaften und deren Werte (Parameter) eingesehen und ggf. geändert werden.

4.5 Wichtige Parameter der Energiebereitsteller

4.5.1 Energieerzeugung mittels Photovoltaik und Windenergie

Abbildung 1: Symbolbilder Photovoltaik und Windenergie

Das tageszeitliche PV-Energieangebot ist in einer typischen Kurve für den Fall unverschatteter und nicht bewölkter Situation im rechten Arbeitsfeld hinterlegt.

Verschattungen und wetterbedingte Situationen können in der Erzeugerkurve durch Verschiebung einzelner Kurvenpunkte berücksichtigt werden.

Die Kosten sind in Investitionskosten und laufende (regelmäßige) Kosten unterteilt. Es können sowohl absolute Anteile (z.B. pauschale Erfahrungswerte) als auch relative Anteile (z.B. Reinigung nach Anlagengröße) eingegeben werden.

Für die Windenergie gelten o.g. Aussagen in analoger Weise.

4.5.2 Energiebezug über den Energieversorger

Abbildung 2: Symbolbild Netzbezug

Die Kostenaufstellung des Netzbezuges erfasst Investitionskosten (z.B. Erschließung), laufende (regelmäßige) Kosten (z.B. Grundgebühr) und tarifbasierte Kosten (z.B. Preis pro kWh).

4.6 Wichtige Parameter von Elektroenergiespeichern

Abbildung 3: Symbolbild Elektroenergiespeicher

Spannung [V]
Kapazität [Ah]
Selbstentladung [%/Monat]
Max. Ladestrom [C]
Max. Entladestrom [C]
Zulässige Entladetiefe [%]
Ladebeginn bei Überschuss [W]

Außerdem lassen sich fixe und variable Kosten erfassen.

4.7 Wichtige Parameter der Elektroautos

4.7.1 Elektroautos mit uni- und bidirektionalem Laden

Abbildung 4: Symbolbilder VW E-Up und Mitsubishi Outlander PHEV

Das Nutzungsprofil kann im tageszeitlichen Verlauf vorgegeben werden. Typisch sind Fahrten zur Arbeit und zurück sowie Standzeiten. Die Simulation erlaubt z.B. ein Szenario des Ladens beim Arbeitgeber. Eine Eigennutzung im Haus könnte zusätzlich in den Abendstunden vorgesehen werden.

Tageszeit von/bis	Vorgang	Strecke	Beschreibung	+
: - : Uhr		km		-
: - : Uhr		km		-
: - : Uhr		km		-
: - : Uhr		km		-
: - : Uhr		km		-

Hersteller
Name
Konzept
Akku
Akkukapazität [kWh]
Systemleistung [PS]
Verbrauch [kWh/100km]
Reichweite [km]
Max. Ladestrom [C]
Max. Entladestrom [C]
Selbstentladung [%/Monat]
Zulässige Entladetiefe [%]
Ladebeginn bei Überschuss [W]

4.8 Wichtige Parameter der Verbraucher

4.8.1 Standardlastprofil H0

Das Standardlastprofil H0 repräsentiert den Verbrauch eines typischen Haushaltes entsprechend statistischen Erhebungen des Bundesverbandes der Energie- und Wasserwirtschaft. Standardlastprofile werden auf 1.000.000 kWh Jahresverbrauch normiert.

Je nach beabsichtigter Simulation kann mit Angabe des Jahresverbrauches eine Anpassung an konkrete Fälle vorgenommen werden.

Die Lebens- und Verbrauchsgewohnheiten lassen sich durch Variation des Lastgangprofils berücksichtigen.

Abbildung 5: Symbolbild des Standardlastprofils H0

4.8.2 Netzeinspeisung und Blockheizkraftwerk (BHKW)

Für die Netzeinspeisung lassen sich tarifbasierte Einnahmen berücksichtigen. Diese Einnahmen können für unterschiedliche Tageszeiten unterschiedliche Tarife beinhalten. Damit lassen sich volkswirtschaftliche Effekte visualisieren, welche die Unterschiede zwischen Erzeugerkurven und Lastgangkurven bewirken, selbst wenn die Energieversorger gegenwärtig mit Mehrtarifzählern zurückhaltend sind.

Abbildung 6: Symbolbild der Netzeinspeisung und Blockheizkraftwerk (BHKW)

Für Blockheizkraftwerke gelten die Aussagen in analoger Weise.

5 Hinweise zu dem Parametern der Stromspeicher

5.1 Bei Stromspeichern übliche Maßeinheiten

5.1.1 Amperestunden [Ah]

Die Angabe der Kapazität eines Akkumulators in der Maßeinheit [Ah] ist in der Elektrotechnik allgemein üblich (Ausnahme Elektromobilität). Insbesondere wird die Maßeinheit [Ah] für Starter-Akkumulatoren und für Akkumulatoren im Modellbau angewandt.

5.1.2 Kilowattstunden [kWh]

Die entnehmbare Kapazität eines Akkumulators hängt vom Entladeverlauf ab, also vom Entladestrom, von der Entladeschlussspannung der Batterie und vom Ladezustand. Je nach Entladeverlauf besitzt der Akkumulator eine andere Kapazität. Für die Angabe der Nennkapazität bei Elektromobilen ist die Angabe in kWh aussagekräftiger als in der Maßeinheit Ah, weil der Bezug auf die Leistung [kW] weniger von der exakten Einhaltung eines konstanten Entladestrom und der Ladeschlussspannung abhängt, als bei einer Angabe in [Ah].

5.1.3 Der C-Faktor [C] [1]

Der C-Faktor (englisch C factor) ist eine umgangssprachliche Quantifizierung von Akkumulatoren, um die maximal zulässigen Lade- und Entladeströme I_max unter bestimmten Randbedingungen anzugeben. Er ist definiert als der Quotient aus diesem Strom und der Kapazität C_N des Akkumulators:

$C = \frac{I_\text{max}}{C_\text{N}},$

da dieser Quotient für einen gegebenen Akkumulatortyp und eine gegebene Bauform über weite Bereiche der absoluten Kapazität konstant ist.

Die Dimension des C-Faktors ist:

$[C] = \mathrm{\frac{Strom}{Ladung} = \frac{1}{Zeit}}$ .

Die zugehörige SI-Einheit ist demnach s−1. In der Praxis wird jedoch fast ausschließlich in

$\tfrac{\mathrm{A}}{\mathrm{Ah}} = \mathrm{h}^{-1}$

angegeben

5.2 Definition des Begriffs „Ladezyklus“

Bezüglich des Begriffs „Ladezyklus“ gibt es selbst in Fachkreisen weit verbreitet Unklarheiten. Und in der Tat, gibt es hierzu noch keine allgemein verbindlichen Normen [2] .

Anlass zur Fragestellung nach der Definition des Begriffs „Ladezyklus“ ist „die Tatsache, dass beim Betrieb eines Verbrauchers in einer Inselanlage, tagsüber bei kurzfristiger Bewölkung etc., der Ertrag unter die Verbrauchsmenge geht und der Akku einspringen muss.“ Hierbei meinen Viele: „Wenn die Wolkendecke wieder auf geht, würde dies ja Theoretisch einen neuen Ladezyklus bedeuten.“ [3]

Bezüglich Lithium -Ionen-Akkumulatoren hat sich folgende Auffassung durchgesetzt: [4]

Ein Ladezyklus entspricht rechnerisch einer vollständigen Ladung und Entladung des Akkus. Auf Grund der Vermeidung von Tiefentladungen darf die Entladung aber niemals am Stück erfolgen.

Das heißt, Lade ich meinen Akku bei einem Ladezustand von 50 Prozent auf, entspricht das sozusagen einem halben Ladezyklus . Wird dann der Akku noch mal bei einem Ladezustand von 50 Prozent aufgeladen, ist der Ladezyklus vollständig. Folgerichtig wurde der Begriff „Vollladezyklen“ eingeführt.

Die Firma Apple erläutert diesen Sachverhalt mit Abbildung 7.

Abbildung 7: Erläuterung zur Definition „Ladezyklus“ [5]

Definition des Begriffs „Depth of Discharge (DoD), dt. Entladungstiefe“

Im Online-IT-Lexikon wird der Begriff „Depth of Discharge (DoD)“ [6] als eine „alternative Methode zur Bewertung des Ladezustandes (SoC). Depth of Discharge kennzeichnet die Energieentnahme, die aus einer Batterie entnommen wurde und damit ist sie das Gegenteil vom Ladezustand. Beide Werte stehen im umgekehrten Verhältnis zueinander und ergeben in der Summe 100 %: steigt der eine Wert, fällt der andere und umgekehrt. Der DoD-Wert bezieht sich auf die Vollaufladung. Bei diesem Zustand ist der DoD-Wert 0 %, der SoC-Wert 100 %, in total entladenem Zustand ist der DoD-Wert 100 %, der SoC-Wert 0 %. Der Depth of Discharge-Wert kann ebenso in Amperestunden angegeben werden. Da Akkus über ihre Nennkapazität hinaus aufgeladen werden können, kann der DoD-Wert auch Werte von über 100 % annehmen.

Die Batterielebensdauer ist abhängig von der Depth of Discharge. Zwischen beiden besteht ein logarithmischer Zusammenhang . Je höher der DoD-Wert wird, desto geringer wird die Batterielebensdauer. Durch Beschränkung der DoD in den Anwendungen, kann die Batterielebensdauer wesentlich verlängert werden.“

Kritik an dieser Definition:

Es ist nicht zulässig, ganz allgemein von einem (doppelt) logarithmischem Zusammenhang von Akkumulator-Lebensdauer und maximale Entladetiefen zu sprechen.

5.3 Was ist unter dem Begriff „Mikrozyklen“ zu verstehen?

Wie allgemein bekannt, ist die Anzahl der Ladezyklen eines Akkumulatortyps begrenzt. Wenn aber nun die Definition des Begriffs „Ladezyklen“ mehrere kleinere Ladungen zulässt, dann erhebt sich die Frage, wie oft kleinere Ladezyklen, sogenannte „Mikrozyklen“ ein Akkumulator ohne Schädigungen verträgt.

Nach gegenwärtigem Erkenntnisstand können Lithium-Akkumulatoren ohne signifikante Auswirkungen auf die Akkulebensdauer sehr oft nachgeladen werden. Die Zahl der zulässigen Mikrozyklen liegt um den Faktor 10 bis 100 höher als die der Vollladezyklen.

Für geschlossene Bleiakkumulatoren mit positiven Röhrchenplatten [7] liegen Ergebnisse wissenschaftlicher Untersuchungen vor (siehe Abbildung 8).

Für die Mehrzahl anderer Akkumulatortypen findet man gesicherte Ergebnisse selten. Insofern wird in der an sich sehr schönen, umfassenden Erörterung von anderen Einflussfaktoren auf die Akkumulator-Lebensdauer [8] (wie z.B. Temperatur, Ladeendspannung) nur ausgesagt, dass Kurven von Blei-Akkumulatoren denen von Lithium-Akkumulatoren ähnlich sind.

Abbildung 8: Lebensdauer und maximale Entladetiefen für geschlossene Bleiakkumulatoren [9]

Abbildung 9: Lebensdauer und maximale Entladetiefen skalierbar

Die Firma Kolibri Power Systems AG [10] erläutert das Wesen der Mikrozyklen:

Mindestens 5000 Vollladezyklen bedeuten konkret, dass Ihnen 97% der Nennkapazität 5000 Mal für eine Ladung und Entladung zur Verfügung stehen. Diese Zyklen können sowohl aus vollen Zyklen (d.h. 97% Ladung und 97% Entladung) als auch aus vielen kleinen sogenannten Mikrozyklen (1% Ladung und 1% Entladung) bestehen.

6 Lithium-Ionen-Akkus: Zehn Fakten, die man wissen sollte

Sven Kloevekorn hat in einprägsamer Weise Fakten zusammengestellt, welche man zum Abbau von Fehlinterpretationen durch überholte Wissensstände kennen sollte. [11]

„Darüber, wie man Lithium-Ionen-Akkus im Sinne einer möglichst langen Lebensdauer bei gleichbleibend hoher Kapazität am besten behandeln sollte, sind auch nach vielen Jahren immer noch zahllose ebenso hartnäckige wie unzutreffende Gerüchte im Umlauf, die noch aus den Zeiten der Nickel-Metallhydrid-Akkus stammen. Wir möchten damit an dieser Stelle einmal aufräumen und präsentieren euch daher zehn Fakten zu aktuellen Smartphone-Kraftwerken.

Lithium-Ionen-Akkus sind wegen ihrer hohen Energiedichte bei, im Vergleich mit anderen Akkuarten, relativ geringem Gewicht, ihrer Unempfindlichkeit gegenüber dem sogenannten Memory-Effekt und der geringen Selbstentladung schon seit bald zehn Jahren erste Wahl als Energiespeicher für mobile Geräte aller Art. Leider hat die Entwicklung der Akkutechnologie in den letzten Jahren nicht mit dem zunehmenden Energiehunger der Endgeräte, vor allem der aktuellen Flaggschiff-Smartphones, Schritt gehalten und alternative Akkutechnologien sind daher derzeit nicht in Sicht. Die Lithium-Ionen-Akkus werden uns also noch einige Zeit erhalten bleiben, sodass sich ein Blick darauf lohnt, wie man seinen Akku am besten pflegt und Fehler vermeidet:

1) Lithium-Ionen-Akkus nutzen durch Aufladen ab. Moderne Akkus sollten 700 bis 1.000 Ladevorgänge verkraften, bevor die maximale Kapazität auf unter 90 % des ursprünglichen Wertes sinkt. Gemessen werden hier die Ladezyklen .

2) Das Aufladen von 0 % auf 100 % stellt einen Ladezyklus dar. Darüber, wie nicht vollständige Ladevorgänge etwa von 80 % auf 100 % zu zählen sind, besteht Uneinigkeit. Aktuelle Quellen gehen davon aus, dass ein Ladezyklus erst erreicht ist, wenn der Akku z.B. fünfmal von 80 % auf 100 % gebracht wurde.

3) Nachdem der Akku vollständig aufgeladen ist, sollte man ihn möglichst bald vom Ladegerät trennen, um eine vorzeitige Alterung zu verhindern. Bei neueren Geräten wird der Ladevorgang dann aber automatisch unterbrochen und erst wieder aufgenommen, wenn die Kapazität unter 95 % sinkt.

4) Lithium-Ionen-Akkus benötigen keinerlei Konditionierung, es ist also nicht erforderlich, die Akkus neuer Geräte nach dem Auspacken erst einmal vollständig aufzuladen und danach mehrmals vollständig zu entladen.

5) Die meisten Geräte werden mit einem für längere Lagerung optimalen Ladestand von 40 bis 50 % ausgeliefert. Andere Quellen berichten von 50 bis 80 %. Akkus sollten zudem stets außerhalb der Geräte und idealerweise im Kühlschrank gelagert werden, da hohe Temperaturen die Alterung beschleunigen.

6) Langsames Laden bedeutet schonendes Laden und verlängert die Lebensdauer des Akkus. Aus diesem Grunde ist Qualcomms Quick Charge-Technologie beim HTC One wohl auch deaktiviert. Ob sich die Nachteile schnellen Ladens innerhalb einer typischen Akkulebensdauer von zwei Jahren bemerkbar machen, ist allerdings fraglich.

7) Generell kann jeder moderne Lithium-Ionen-Akku mit jedem grundsätzlich für Mobilgeräte geeigneten Ladegerät aufgeladen werden, ohne dass man sich Gedanken über deren Leistung machen muss; die Ladeelektronik der Geräte zieht nämlich stets nur so viel Strom (0,8 bis 1,2 Ampere), wie das Gerät respektive der Akku vertragen kann. Die Kehrseite dieser Medaille ist freilich, dass das Aufladen mit stärkeren Ladegeräten in der Regel kaum schneller geht.

8) Lithium-Ionen-Akkus sollten möglichst nicht vollständig entladen werden, da das die Kapazität im Wiederholungsfall spürbar beeinträchtigen kann.

9) Den Akku von 0 % auf 100 % aufzuladen, wirkt sich nicht positiv auf die Kapazität aus. Bei Nickel-Cadmium-Akkus kann das sogenannte Pumpen die Kapazität wieder erhöhen, Lithium-Ionen-Akkus hingegen leiden eher unter besonders hohen oder niedrigen Ladeständen. Allerdings kann durch vollständiges Ent- und Aufladen der Akkus oft die Ladeelektronik neu justiert werden, was zu korrekteren Ladestandanzeigen führen kann.

10) Das Laden der letzten 5 % von 95 % auf 100 % dauert gewöhnlich übermäßig lange, weil der Ladestrom in diesem Bereich stark reduziert wird und es sich eigentlich nur noch um eine Erhaltungsladung handelt.

Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass Lithium-Akkumulatoren keinen nennenswerten Memory-Effekt kennen. Im Gegensatz zu der von Nickel-Cadmium-Akkumulatoren bekannten Größenordnung (bis 90 %) zeigen seriöse Veröffentlichungen bei Lithium-Akkumulatoren lediglich einige Prozent.

Abbildung 10: Memory-Effekt bei Lithium-Akkumulatoren [12]

1 Inhalt

2 Abbildungsverzeichnis

3 Einsatzgebiet des „Visualisierungs- und Beratungstools“