Operation Hausspeicher – Wirkungsgrad meines AC-seitig eingebundenen ESS

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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 lässt sich recht genau bestimmen, wie hoch der Wirkungsgrad beim hier vorgestellten AC-seitig eingebundenen Energiespeichersystem tatsächlich ist.

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

Theoretisches Vorgeplänkel

Um die Erzeugung der PV-Anlage mit dem tatsächlichen Verbrauch zu synchronisieren, muss die überschüssige Energie zwischengelagert werden. Jetzt ist es leider so, dass diese Energie nicht 1:1 in den Speicher geschoben und später wieder entnommen werden kann. Das liegt insbesondere daran, dass die Netzseite – an dem auch der PV-Inverter hängt – 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 Brücke zwischen den beiden Welten schlägt. 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 Widerstände treten hierbei Verluste auf, wodurch ein Teil der elektrischen Energie in thermische Energie umgewandelt wird. Sprich: Der Inverter heizt sich auf und “verbrät” quasi einen Teil des Stroms.

Nun gibt es mehrere Ansätze, um diese Umwandlungsverluste einzudampfen, wobei – kurzgefasst – alles seine Vor- und Nachteile hat. Ich habe mich jedenfalls – aus mehreren Gründen – für 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 Gründe).

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 tatsächlich 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 dafür ausgelegt, den angebundenen 48V-Niedervoltspeicher mit bis zu 70A zu laden, was bei einer realen Batteriespannung von etwas über 50V dann knapp 3,8kW entspricht . Unter realen Bedingungen schafft das verbaute Ladegerät kurzzeitig sogar bis knapp 4kW, im Dauerbetrieb drosselt das Ladegerät jedoch durch stetige Erwärmung – und trotz dann aktivem Lüfter – 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 erwartungsgemäß 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-Gehäusen über 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 Innenwiderstände der Zellen erklären. 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) überschreitet – was dann eben auch für 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 für LiFePo4-Zellen charakteristische Spannungskurve, die bis auf die unteren und oberen Grenzen recht flach und linear verläuft:

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

Betrachtet man die Spannungsverläufe der beiden Batterie-Packs, sieht man auch sofort, dass diese absolut identisch verlaufen – eben so, wie man es erwartet. Und was natürlich auch ein Zeichen dafür ist, dass die Qualität 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 gedrückt – 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 nächtlichen 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 über den Zeitverlauf einer kompletten Entladung mit 3kW schon mehrere Grad nach oben:

Und auch auf der Entladeseite erkennt man das stetige “Auseinanderlaufen” und “Zurücksynchronisieren” 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-Gesamtkapazität in Höhe von 28,67kWh (3,2V Nennspannung x 16 Zellen x 280Ah Kapazität 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 lässt 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%) zusätzlichem 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) durchführt und nochmal ca. 2% Verlust durch die gerade erläuterte DC-Seite (nach dem BMS) addiert.

Kann mir eigentlich noch jemand folgen? 😀

Und was bedeutet das jetzt?

Lange Rede, kurzer Sinn:

Der Gesamtwirkungsgrad ist stark abhängig 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 übrigens 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 über 90% Wirkungsgrad. Die Anlage eines Freundes kommt dabei bspw. auf knapp 92%, wenn man einen längeren 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 zusätzlich kleinere Verluste, da durch die höhere Spannung geringere Stromstärken 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 günstigen 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 Einspeisevergütung von 9Ct / 0,8).

14 Kommentare
  1. Da hilft nur einen Teil der Solarpanele oder der nächsten Erweiterung direkt mit DC-DC zu laden, via Victron MPPT.
    Danke für 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 tatsächlich gerade auch überlegt. 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 würden sich perfekt anbieten, über ein Victron MPPT eingebunden zu werden, um damit direkt den Akku zu laden.

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

      Viele Grüße
      Jörg

  2. Hallo Jörg,

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

    Grafana ist für uns Nerds natürlich 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 🤔

    Viele Grüße
    Maik

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

      Da der MPPT ja ein etwas höherer DC-Spannungsniveau besitzen muss als die Batteriepacks gerade haben (sonst würde die Batterie ja nicht geladen werden können), wird primär erstmal die vom MPPT zur Verfügung 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 Rückspeisung verweigere – ob das aber überhaupt sinnvoll ist, weiss ich gerade auch nicht ganz…

      Viele Grüße
      Jörg

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

    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 späteren Blogposts sicher noch ausführlicher erklären.

      Viele Grüße
      Jörg

  4. Hi Jörg,
    danke für den Beitrag, gefällt mir gut. Bin auch schon einige Zeit am überlegen, 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 verträglich sind und ich wahrscheinlich erstmal einen Victron-WR einsetzen werde. Die Alternative mit Hybrid-WR kann ich mir ja mal überlegen.
    Aus Erfahrung weiß ich, dass sich im Moment zumindest, altes Equipment gut verkaufen lässt. Das lässt Freiraum zum Ausprobieren und wieder verkaufen, auch mit Wandlungsverlusten :).
    Schöne Grüße

  5. Guten Morgen,
    ich bin erstaunt über den recht hohen Wirkungsgrad von 82-88%. Ich selber betriebe den MP II 48-3000 und komme auf einen Gesamtwirkungsgrad von 76,7% über ein komplettes Jahr gemessen. Natürlich würde der WG noch etwas steigen, wenn ich ihn immer in einer höheren Leistung betreiben würde, wie das in ihrem Test der Fall war. Im Realbetrieb erreicht man diese Leistung aber nicht und der Eigenverbrauch des Systems erreicht einen höheren Anteil am GesamtWG.

    Viele Grüße

    1. Hi Christoph,
      teile mittlerweile deine Einschätzung.

      Über 80% wird schwierig, insbesondere mit mehr als einem Multiplus (Standbyverluste) und auch bei höherer “Load” wird es im Normalbetrieb kaum möglich sein. Hatte das damals etwas zu optimistisch gesehen, habe ich langsam den Eindruck.

      Viele Grüße
      Jörg

  6. Hallo Jörg,
    danke für die vertrauenswürdigen Messwerte… und ja ich kann dir durchaus folgen…
    Ich habe als Einsteiger mir im Januar eine Multiplus2 24/3000 mit CerboGX und 24V Akku (7,12kWh) von LiFePo gekauft. Dazu fünf Glas-Glas 160W Module für erste Tests. Die Entscheidung für ein 24V System habe ich getroffen, da ich wegen Dachfenstern und Gauben nur eine einzige Fläche habe die 6 (evt.8) 400W Module aufnehmen kann. Ich muss eher kleinere kWp in das Gebäude integrieren. Das war möglicherweise ein Fehler, und ich war jetzt auf der Suche nach Wirkungsgraden von 48V Systemen, bevor ich weiter ausbaue.
    Grund: Ein entäuschender Wirkungsgrad. Eine auf 28,8V geladene Batterie hat meinen Tesla Akku gerade mal um 4kWh angehoben (Vend= 23V). Natürlich gibts hier brutale Rundungsfehler, aber es waren sicher keine 5kWh… Ohne Rechnung bewege ich mich da wohl eher unter 70%. Geladen habe ich den Wagen zunächst mit 2kW PWR begrenzt, dann mit 1,5 da der Lüfter schon ganz schön geblasen hat.
    Auf ACout-1 habe ich mein Privat-Grid, da wollte ich in der nächsten Ausbaustufe AC-Kopplung mit Hoymiles 1500 betreiben (Ahoy-DTU) um auch direkt Sonne in den Tesla tanken zu können. Aber 1:1 Regel lässt da auch nur einen 1500er zu.
    Jetzt stellt sich mir die Frage, ob ich lieber gleich auf 48V gehen sollte. Meine 5x160W Module schaffen sogar bei Regen im März 50V mit 20W (an Smartsolar 150/35). Hätte ich nie gedacht. Würdest du mir raten den 24V Multi gleich abzustoßen und auf 48/5000 zu gehen? Die Alternative wäre ein weiterer 24/3000 parallel um die Wechselrichter nicht so stark zu belasten, aber ich fürchte, wenn “Eta” da nicht wesentlich steigt, setze ich noch mehr Geld in den Sand.

    Gruß Reinhard

  7. Hi Jörg,
    ich finde die Darstellung des Updates vom 10.02.2022 sehr schön. Kannst Du kurz beschreiben welche Werte Du genau angezapft hast um die Darstellung zu machen? Welche AC Werte (MQTT/dbus topics) vom Multiplus werden verwendet und wie rechnest Du Watt in kWh um? Wird das in Grafana pro Tag aufsummiert/integriert und dann ins Verhältnis gesetzt? Oder ist irgendwo in Deiner Installation ein Zähler eingebaut der tatsächlich kWh aufsummiert?

    Auf jeden Fall ist Dein Blog sehr inspirierend, ich finde es alles sehr toll umgesetzt und beschrieben 🙂

    Viele Grüße
    Julius

    1. @Jörg: Toller Beitrag!

      @Julius, hattest du eine Rückmeldung bekommen, welche Information aus dem Venus ausgelesen wird für AC Seitiges Laden / Entladen?

      Ich sehe hier mehrere Möglichkeiten, wenn die PV VOR dem Victron höngt:
      Laden: Energy AcIn1 to Inverter
      Entladen: Energy Inverter to AcIn1
      Diese Werte “Nullen” sich aber leider immer, wenn der CerboGX neustartet.

      Dann gäbe es noch “VE.Bus charge Power” und “Battery Power”.

      Wäre interessant zu wissen, welche Werte Jörg hier herangezogen hat. Bei mir hängen “fertige” Pylontechs dran.

      Gruß
      Maze

  8. Ich stelle mir auch gerade die Frage, wo ich die Werte für die in den Akku geladene Energiemenge (kWh) und die wieder aus dem Akku eingespeiste Energiemenge her erhalte. Wie mein “Vorschreiber” anspricht überlege ich einfach einen bidirektionalen Stromzähler in die AC-Seite des Multiplus einzubauen, damit würde ich ja erfassen, was insgesamt rein und was rausgeht. Damit hätte ich zwar keine Auswertung über bestimmte Zeiträume aber zumindest den Gesamtwirkungsgrad über die Betriebszeit.
    Hat jemand das so gelöst? Oder eine Empfehlung welchen bidirektionalen Stromzähler man nehmen kann; evtl auch Zwecks weiterer Datenaufnahme und – auswertung.

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