PRAMAC Storage Systems Die Energiewende als Treiber intelligenter Speichersysteme

Mit der integrierten Soft- und Hardware-Lösung des EMS ist PRAMAC Storage Systems in der Lage, Geräte und Anlagen zur Erzeugung oder Speicherung von Energie, aber auch Smart Meter und Energieverbraucher, unabhängig von Herstellern und Kommunikationsstandards miteinander zu vernetzen, überwachen und intelligent zu steuern. Als konkreten Anwendungsfall nutzt das Unternehmen die Ladestationen seiner Elektrofahrzeugflotte. Am Firmensitz setzt das Unternehmen auf einen intelligenten, leistungsfähigen Energiespeicher, die „EV-Boost Box“, als kostengünstige Lösung zur Bereitstellung der benötigten Ladeleistung seiner Elektrofahrzeuge. Die Vernetzung der Komponenten sowie die intelligente Steuerung übernimmt dabei das Energie-Management-System. Es sorgt dafür, dass die zum Laden von Elektrofahrzeugen erforderliche Energie zum richtigen Zeitpunkt in ausreichender Menge bereitgestellt werden kann.

Die Energiewende ist kein Projekt der Zukunft – sie ist bereits in vollem Gange und schon heute gehören Sonne, Wind und Wasser zu den wichtigsten Stromquellen. Allein in Deutschland ist der Anteil erneuerbarer Energien von rund sechs Prozent im Jahr 2000 auf über 46 Prozent im Jahr 2020 angestiegen – und der Anteil grünen Stroms am Gesamtenergieverbrauch wächst ständig weiter. Dafür sorgen nicht nur das Erneuerbare-Energien-Gesetz (kurz EEG), sondern auch die immer schärfer ausgelegten ESG-Kriterien, die international operierende Unternehmen an die Auswahl ihrer Lieferanten und Geschäftspartner stellen.

Die rasante Zunahme regenerativer Energien schafft jedoch auch neue Herausforderungen, denn Sonne und Wind stehen nicht immer konstant zur Verfügung. Aufgrund der Fluktuation dieser Energieträger werden Lösungen benötigt, die den grünen Strom speichern und diesen bei Bedarf zeitversetzt wieder ins Stromnetz einspeisen können. Aber nicht nur die Energiewende, sondern auch der starke Anstieg der E-Mobilität oder professionelle Anwendungen aus Gewerbe und Industrie wie Lastspitzenkappung, Ersatzstrom oder Lastmanagement treiben die Entwicklung intelligenter Stromspeicher-Systeme massiv voran. Mit seinen „Regelbaren Elektronischen Frequenz Umrichtern“ zählt das Unternehmen REFU als Teil der Prettl Gruppe zu den Pionieren und Technologieführern im Bereich der Photovoltaik und setzt mit seinen PV-Wechselrichtern seit vielen Jahren Standards. Um diese Rolle auch im Markt von Batterie-Wechselrichtern und Speichersystemen optimal besetzen zu können, wurde eigens die REFU Storage Systems GmbH (REFUstor) gegründet, die sich auf dieses neue Marktsegment fokussiert. 2023 erfolgte schließlich die Übernahme von REFUstor durch PRAMAC und die Weiterführung des Unternehmens unter PRAMAC Storage Systems.

Da auch im Energiemarkt die Digitalisierung eine zentrale Rolle spielt, zählen neben der Entwicklung innovativer Leistungselektronik auch die Entwicklung von Software, Hardware und Cloud-Lösungen für das professionelle Energie-Management zu den Schwerpunkten der PRAMAC Storage Systems. In enger Zusammenarbeit mit der inovex GmbH aus Karlsruhe wurde daher ein Energie-Management-System (EMS) entwickelt und am REFU Hauptsitz in Pfullingen in Betrieb genommen. Hierbei handelt es sich um eine integrierte Soft- und Hardware-Lösung, über die sich Geräte und Anlagen zur Erzeugung oder Speicherung von Energie aber auch Smart Meter oder Energieverbraucher unabhängig von Hersteller und Kommunikationsstandard miteinander vernetzen, überwachen oder intelligent steuern lassen.

Mit intelligenten IT-Lösungen den Energiemarkt gestalten

Technologische Entwicklungen rund um Industrie 4.0, Smart Home oder Smart City sowie das Internet of Things (IoT) haben in den letzten Jahren einen massiven Digitalisierungsschub ausgelöst – dieser Effekt ist jetzt auch im Energiemarkt angekommen. Bestehende, analoge Geräte und Anlagen werden zunehmend durch digitale und smarte Nachfolger ersetzt, die miteinander vernetzt sind und Daten mit leistungsfähigen Cloud-Anwendungen austauschen. Dadurch lässt sich nicht nur der Energiebedarf optimieren und Energiekosten dramatisch senken, es entstehen auch völlig neue Geschäftsmodelle und Ökosysteme. Um an dieser Entwicklung des Energiemarkts teilnehmen oder sie sogar aktiv mitgestalten zu können, verfolgt die PRAMAC Storage Systems eine umfassende Digital-Strategie. Im Mittelpunkt davon steht die „Energy Management Platform“. Ziel ist es, ein umfassendes digitales Ökosystems zu entwickeln, das alle Anforderungen an das Energiemanagement der Zukunft auf einer zentralen Plattform vereint: Angefangen von der Steuerung und Überwachung lokaler Geräte und Anlagen über die standortübergreifende Bereitstellung von datenbasierten Cloud-Services bis hin zu einem nahtlos integrierten Marktplatz für den einfachen Zugriff auf 3rd-Party Services wie z. B. individuelle Stromtarife oder die Teilnahme am Regelenergiemarkt. Mit der Entwicklung eines eigenen Energie-Management-Systems hat PRAMAC Storage Systems unterstützt von inovex den Grundstein für die Umsetzung seiner Vision des Enterprise Energy Managements gelegt.

Ein Booster für die Elektromobilität

Die besten Lösungen und Produkte entstehen meist aus konkreten Anforderungen in der Praxis. So war es auch bei der Entstehung des PRAMAC EMS. Obwohl die Idee für eine digitale Energieplattform schon lange geboren war und aktiv daran gearbeitet wurde, haben der eigene Bedarf und ein konkreter Use Case wie ein Katalysator gewirkt und die Systementwicklung massiv beschleunigt.

Im Rahmen der 2020 gestarteten GoZero-Initiative strebt die Prettl Gruppe und somit auch die damals noch unter REFUstor laufende PRAMAC Storage Systems GmbH an, schon in den nächsten Jahren an allen Produktionsstandorten weltweit CO2-neutral zu produzieren. Zu den Maßnahmen dieser CO2-Reduktion zählte auch die Umstellung der kompletten Firmenflotte auf vollelektrische Fahrzeuge. Die Herausforderung hierbei war, die Bereitstellung der erforderlichen Ladeinfrastruktur. So war am Hauptsitz in Pfullingen bereits eine Ladesäule vorhanden, der Ausbau auf zunächst vier schnellladefähige Ladepunkte, mit Option auf weitere, war aber aufgrund der begrenzten Netzanschlussleistung nicht möglich. Um dieses Problem zu beheben, wäre die Verlegung neuer Versorgungsleitungen erforderlich gewesen, was unter Berücksichtigung aller Genehmigungen und Erdarbeiten sehr lange gedauert und hohe Kosten verursacht hätte.

So entstand die Idee der „EV-Boost Box“, einer kostengünstigen Lösung zur Bereitstellung der benötigten Ladeleistung für Elektrofahrzeuge, ohne aufwändige und teure Baumaßnahmen.

Bei der EV-Boost Box handelt es sich um einen intelligenten und sehr leistungsfähigen Batteriespeicher, der während der Stoßzeiten zusätzlichen Strom zur Verfügung stellt, um alle Ladepunkte mit der benötigten Ladeleistung versorgen zu können. Saubere Energie von vorhandenen Photovoltaik-Anlagen kann ebenfalls gespeichert werden, was die Ladeleistung erhöht und die Kosten für Elektromobilität weiter reduziert.

Doch das „Boostern“ von Versorgungsleitungen ist kein PRAMAC-Storage-Systems-spezifischer Anwendungsfall – ganz im Gegenteil! Aufgrund neuer, regulatorischer und baurechtlicher Vorgaben stehen immer mehr Unternehmen, Kommunen und Immobilienbesitzer:innen vor der Herausforderung, trotz eingeschränkter Versorgungsleitungen Ladepunkte für Elektrofahrzeuge bereitstellen zu müssen. Mit der Entwicklung eines Energie-Management-Systems für die EV-Boost Box adressieren PRAMAC Storage Systems und inovex daher ein akutes Problem beim Ausbau der Ladeinfrastruktur für die Elektromobilität.

Ein Container voll Strom

Eine EV-Boost Box besteht aus drei wesentlichen Systemkomponenten: Einem geeigneten, hinreichend großen Batteriespeicher, um die benötigte Energie zu puffern; einem speziellen Wechselrichter, um die in der Batterie gespeicherte Energie wieder in Wechselstrom (AC) für die Ladesäulen umzuwandeln; und einem Energiemanagementsystem, das alle Komponenten miteinander vernetzt und steuert. Die Batterien, in der EV-Boost Box am Standort Pfullingen haben eine Speicherkapazität von 130 kWh, bei einem Gewicht von etwa 1,5t, verfügen über ein integriertes Batterie-Management-System (BMS) und sind in einem
20 Fuß langen Überseecontainer untergebracht. Als bidirektionaler Hochstrom-Batteriewechselrichter kommt ein Produkt der PRAMAC Storage Systems zum Einsatz, das eine Maximalleistung von 88 kVA liefert und optimal auf diesen speziellen Anwendungsfall abgestimmt ist. Das Aufladen des Batteriespeichers wird durch einen PV-Tracker mit ca. 6 kWp unterstützt, der über einen PV-Wechselrichter – ebenfalls aus dem Hause REFU – mit dem Gesamtsystem verbunden ist. Als „Abnehmer“ der gespeicherten Energie wurden 2 Ladesäulen mit 4 Ladepunkten und jeweils 22 kW AC maximaler Ladeleistung installiert und mit der EV-Boost Box verbunden.

Energie-Intelligenz aus Baden-Württemberg

Mit dem Aufstellen eines Speichersystems allein lässt sich die Lücke zwischen dem Bedarf an Ladeleistung und der verfügbaren Leitungskapazität nicht schließen. Die Herausforderung liegt vielmehr darin, alle Komponenten miteinander zu vernetzen, intelligent zu steuern und dafür zu sorgen, dass die zum Laden von Elektrofahrzeugen erforderliche Energie zum richtigen Zeitpunkt in ausreichender Menge bereitgestellt werden kann. Das ist die typische Aufgabe eines Energie-Management-Systems (EMS).

Entsprechende Systeme sind zwar schon seit einigen Jahren am Markt verfügbar, allerdings handelt es sich hierbei meist um Spezialsysteme, die ohne Unterstützung des Herstellers nicht oder nur in geringem Umfang angepasst werden können – oder sie erfüllen nicht alle Anforderungen für den speziellen Anwendungsfall einer EV-Boost Box. Darüber hinaus sollte die EV-Boost Box nahtlos in die Energy Management Platform integriert werden und auch für Anwendende ohne Energietechnik-Know-how einfach zu bedienen sein. Nach ausführlicher Marktrecherche hat sich die PRAMAC Storage Systems deshalb entschlossen, die Entwicklung einer eigenen Lösung, bestehend aus Software, Hardware und Cloud-Anbindung auf den Weg zu bringen.

Neben der Wechselrichtertechnologie gehört auch die Entwicklung von dedizierter Soft- und Hardware für die Energietechnik zu den Kompetenzfeldern der PRAMAC Storage Systems GmbH. Die Umsetzung dieses Pilotprojekts sollte aber auf Basis aktueller Cloud- und Edge-Technologie und innerhalb eines sehr engen Zeitfensters erfolgen. Daher hat sich die PRAMAC Storage Systems mit inovex einen starken und kompetenten Technologie-Partner als Unterstützung ins Boot geholt. Die besondere Herausforderung bei der EMS-Entwicklung war, möglichst schnell eine Lösung für den konkreten Use Case verfügbar zu haben und dennoch eine generische Anwendung zu erstellen, die auch für andere Anwendungsfälle als die EV-Boost Box einsetzbar ist. Gemeinsam mit inovex wurde eine modulare Systemarchitektur entwickelt, die es erlaubt, einzelne Funktionen und Logiken aber auch Gerätetreiber und externe Schnittstellen flexibel miteinander zu kombinieren und somit den Funktionsumfang optimal auf den jeweiligen Bedarf abstimmen zu können.

Im Rahmen des Pilotprojekts wurden so zunächst die für die EV-Boost Box benötigten Funktionen wie Time-of-Use, Battery Balancing, Peak Shaving, Active Power Reduction (Solar & Battery), Condition Monitoring, Charge Pole Management und Zero Feed-In sowie eine Anbindung an die PRAMAC Storage Systems Cloud implementiert. Neben der technischen Implementierung wurde zusammen mit den UX-Expert:innen von inovex ein durchgängiges Usability-Konzept entwickelt, das es ermöglicht, das EMS-System auch ohne weitreichende technologische Kenntnisse aufsetzen und konfigurieren zu können.

Kooperation: In Time – In Budget – In Quality

Sowohl PRAMAC Storage Systems als auch inovex sind Experten in ihrem jeweiligen Geschäftsfeld und verfügen über jahrzehntelange Erfahrung in der Systementwicklung. Dennoch war die vollständige Neuentwicklung eines komplexen Energie-Management-Systems inkl. Edge Controller und Cloud-Anbindung für alle Beteiligten Neuland und eine echte Herausforderung. Zumal für die Umsetzung des Pilotprojekts nur ein Zeitfenster von etwa drei Monaten zur Verfügung stand. Erschwerend kam hinzu, dass für das Testen der Software, insbesondere bei der Treiberentwicklung, oft der physische Zugriff auf die Hardware erforderlich war. Diese stand aber aufgrund der notwendigen, technischen Infrastruktur nur bei PRAMAC Storage Systems in Pfullingen zur Verfügung oder wurde wegen der COVID-19-Pandemie in Teilen erst gegen Ende der Projektlaufzeit geliefert. Durch den professionellen Einsatz agiler Methoden, die hervorragende Abstimmung und das verzahnte Arbeiten der internen und externen Entwicklungsteams ist es dennoch gelungen, die EV-Boost Box exakt zum geplanten Termin in Betrieb nehmen zu können. „Damit, dass wir eine Punktlandung hinlegen, hätte aufgrund der äußeren Rahmenbedingen keiner der Projektbeteiligten gerechnet. Dass dann alles auf Anhieb und bis heute fehlerfrei läuft oder dass am Ende sogar noch ein kleiner Rest des Budgets übrig ist, hat daher alle umso mehr überrascht“, kommentiert Ralf Ziegler, Head of Digital Business und Projektverantwortlicher bei PRAMAC Storage Systems, die Kooperation mit inovex.

Die Zusammenarbeit mit inovex fand dabei hauptsächlich remote und in verteilten Teams statt, wobei die inovex-Expert:innen jedoch immer auf Abruf waren, um bei Bedarf direkt vor Ort aktiv zu werden.

EV-Boost Box und Energie-Management in der Praxis:

Zeitsteuerung (Time-of-Use) – Einsatzszenario 1

Der Standard Use Case für den Einsatz einer EV- Boost Box ist, dass eine höhere Ladeleistung für Elektromobilität benötigt wird als der Netzanschluss des Gebäudes oder Areals technisch bereitstellen kann. In diesem Fall wird der Batteriespeicher zeitgesteuert, z. B. nachts, mit vorgegebenen Ladeparametern über das Netz aufgeladen und kann somit tagsüber zusätzliche Ladeleistung für Ladesäulen o. ä. zur Verfügung stellen. Auch andere Funktionen wie z. B. das gezielte Entladen des Speichers (Balancing) oder das „Sperren“ von Ladesäulen kann abhängig von Uhrzeit oder technischen Parametern (z. B. State-of-Charge) erfolgen.

Ladesäulenverwaltung (Charge Pole Management) – Einsatzszenario 2

Vor allem bei Ladeparks mit vielen Ladepunkten ist es erforderlich, die aktuell verfügbare Ladeleistung optimal zu verteilen. Hierzu können alle verbundenen Ladesäulen zentral über das EMS gesteuert und kontextbezogen mit Ladeleistung versorgt werden. Dazu gehört die Priorisierung einzelner Ladepunkte sowie die Festlegung der minimalen und maximalen Ladeleistung pro Ladepunkt. Außerdem kann die Gesamtladeleistung über alle Ladesäulen generell oder in Abhängigkeit vom Ladezustand (SoC) des Speichers limitiert werden. Auch die Nutzung der Ladesäulen kann auf bestimmte Zeitfenster oder bestimmte Nutzende eingeschränkt werden.

Lastspitzenkappung (Peak Shaving) – Einsatzszenario 3

Ist der Speicher der EV-Boost Box leer, soll in der Regel das Laden von Elektrofahrzeugen dennoch möglich sein. In diesem Fall sorgt das Peak Shaving des integrierten EMS dafür, dass die maximale Netzanschlussleistung nicht überschritten und die Ladeleistung an den Ladesäulen dynamisch reduziert wird. Ist die EV-Boost Box mit der übrigen elektrischen Infrastruktur des Areals vernetzt, kann die Peak-Shaving-Funktion auch außerhalb des reinen E-Mobility Use Cases von großem Nutzen sein. So kann sichergestellt werden, dass vereinzelt auftretende Lastspitzen weder die maximale Anschlussleistung am Netzübergabepunkt noch die mit dem Energieversorger vereinbarte Netzanschlussleistung überschreiten. Ersteres schützt das lokale Netz vor Überlastung und im zweiten Fall wird verhindert, dass der Energieversorger durch einen kurzfristig erhöhten Leistungsbedarf den entsprechend höheren und ggf. viel teureren Stromtarif abrechnet. In beiden Fällen sorgt das Peak-Shaving-Modul dafür, dass Lastspitzen durch kurzzeitige Bereitstellung zusätzlicher Energie aus der EV-Boost Box abgefangen werden.

Eigenverbrauchsoptimierung (Zero Feed-In) – Einsatzszenario 4

Bei Installationen, in denen eine Photovoltaik-Anlage eingebunden ist, entsteht die Zusatzanforderung, die selbsterzeugte Energie optimal einzusetzen. Da die Einspeisung ins öffentliche Netz kaum noch Erträge bringt, ist es vorteilhaft, keinen Strom einzuspeisen, sondern ihn wenn möglich selbst zu verbrauchen. Hierzu können über die „Zero Feed-In“-Funktion verschiedene Szenarien hinterlegt werden, wie der Eigenstrom verwendet werden soll. Üblicherweise würde primär der Speicher der EV-Boost Box geladen oder aktive Ladevorgänge von Elektrofahrzeugen direkt bedient werden. Ist dieser Leistungsbedarf gedeckt, können andere Verbraucher wie z. B. eine Klimaanlage oder ein Warmwasserspeicher gezielt zugeschaltet werden. In diesem Zusammenhang kommt auch die Wirkleistungsbegrenzung (Active Power Reduction) ins Spiel. Der Gesetzgeber schreibt vor, dass die Leistung von Invertern (PV und Batterie) unter bestimmten Umständen gedrosselt werden muss, um das öffentliche Netz vor Überlastung zu schützen. Statt jeden Inverter einzeln und ohne Berücksichtigung des Gesamtsystems zu drosseln, sorgt die Eigenverbrauchsoptimierung des EMS dafür, dass die Drosselung nur dann erfolgt, wenn die zulässige Einspeiseleistung überschritten wird und kein Eigenverbrauch mehr möglich ist.

Systemüberwachung & Auswertungen (Condition Monitoring) – Einsatzszenario 5

Alle Komponenten der EV-Boost Box aber auch die der vorhandenen Infrastruktur, wie z. B. dem PV-Tracker, das Smart Meter am Netzübergabepunkt oder andere Geräte und Anlagen, werden über das EMS miteinander vernetzt. Die Systemzustände der vernetzten Geräte werden regelmäßig ausgelesen und zusammen mit jeder Änderung der Bewegungsdaten auf dem lokalen EMS-Controller gespeichert. Das ermöglicht detaillierte (grafische) Auswertungen über einzelne Komponenten oder das Gesamtsystem und die lückenlose Überwachung des Status aller verbundenen Geräte und Anlagen. Beim Auftreten von Störungen oder Fehlern können so entsprechende Hinweise/Warnungen ausgegeben und der/die Systemadministrator:in informiert werden.