Photovoltaik für die Energiewende Research for a sunny future

Photovoltaik für die Energiewende
Research for a sunny future
20% efficiency
Modules for 50 ct/Wp
Electricity for 5–8 ct/kWh
Electricity
from renewables:
2015 > 25%
2030 > 50%
2050 > 80%
C02 reduction
20% regenerative
by 2020
Forschung
für die Energiewende
Photovoltaik, Deutschland, 2015
Photovoltaiktechnologie und -forschung in
Deutschland kommt nach einer über Aufschläge auf den Strompreis finanzierten
Startphase, inzwischen fast gänzlich ohne
finanzielle Unterstützung aus. Die Finanzierung der PV über das EEG beträgt heute
nur noch einen Bruchteil der Subventionierung, mit der beispielsweise Kernenergie
gefördert wird. Die Erzeugung von Sonnenstrom ist heute bereits billiger als die Erzeugung von Strom aus Kernspaltung.
Als positiver Effekt der kostengünstigen
Stromgestehungskosten haben mittlerweile
weltweit fast alle Länder große PV-Installationspläne. Zukunftsweisender Faktor für
die Weiterentwicklung heutiger PV-Technik
ist, dass in der PV-Wertschöpfungskette die
Zulieferer und Maschinenbauer bis heute
überwiegend aus Deutschland kommen –
und zu 80 Prozent aus Baden-Württemberg.
International Solar Energy Research Center (ISC) Konstanz e. V.,
wurde 2005 mit dem Ziel gegründet, als kommunikative Plattform
für Forschung und Industrie Photovoltaik (PV) noch leistungsfähiger
und kostengünstiger zu machen. Rund 50 Wissenschaftler aus ca.
20 Nationen entwickeln am Standort Konstanz Spitzentechnologie
im Bereich kristalliner Solarzellen, leistungsfähiger Module und zukunftsweisender Systeme für die ganze Welt. Wir sind permanent
im Kontakt mit Ländern, die über intensive Sonneneinstrahlung verfügen und dieses Potenzial nutzen wollen.
Deutsches Know-how
für den internationalen Markt
Im Zuge der Entwicklung und des Ausbaus von Photovoltaiksystemen für unterschiedlichste Nutzungsarten und Dimensionen wurde
durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) ab dem Jahr 2000
eine solide Basis geschaffen, von der wir heute profitieren. Stromerzeugung aus dieser einzigartig sauberen Energiequelle ist heute zu
einer der wirtschaftlich attraktivsten Formen der Stromerzeugung
geworden. In Deutschland ist es aktuell möglich, für 8 Cent eine Kilowattstunde Strom zu erzeugen.
Das Know-how für diese zukunftsweisende Spitzentechnologie
stammt aus Deutschland. Das ist bis heute so, auch wenn die Produktion der Solarzellen und Module inzwischen überwiegend in
anderen Ländern stattfindet. Mit der Konzentration auf deutsche
Ingenieurtechnik und Wissenschaft bauen wir diesen technischen
Know-how-Vorsprung weiter aus – für internationale Nutzung und
globale Projekte.
Installierte PV-Leistung
– Installed PV-capacity
Weltweit
Deutschland
Stromgestehungskosten
2
200 GWp (Gigawatt peak)
40 GWp
8 ct/kWh in Europe
5 ct/kWh e.g. in India
2015
worldwide
Germany
levelised costs of electricity
Installierte PV-Leistung – Installed PV-capacity
2020
Weltweit
Deutschland
Stromgestehungskosten
worldwide
Germany
levelised costs of electricity
500 GWp
50 GWp
5 ct/kWh in Europe
2 ct/kWh e.g. in India
International Solar Energy Research Center (ISC) Konstanz e.V., was
founded in 2005 as an international communication platform for
R&D and industry, with the goal of making photovoltaics (PV) more
powerful and cost effective. In Konstanz, about fifty scientists from
twenty nations develop leading-edge technologies: crystalline silicon solar cells, powerful modules and future systems for the entire
world. We stay in constant contact with countries that have excellent
conditions for PV and that want to use this potential.
ISC Konstanz – Solartechnologie aus Deutschland
Solartechnology from Germany
Research
for the Energy Transition
German Expertise
for the International Market
The implementation of the German Renewable Energy Act (EEG),
starting in the year 2000, has created a solid basis for the roll-out
of PV systems designed for a huge variety of uses and scales – a basis from which we now benefit. Today, using this exceptionally clean
energy source is one of the most economically attractive forms of
energy production, thanks to its cost effectiveness and simplicity. In
Germany, it is currently possible to generate electricity with PV systems for 8 euro cents per kilowatt-hour (8 ct/kWh).
The expertise for this forward-looking technology comes from Germany. This continues to be so to this day, even if solar cells and
modules are now mostly produced in other countries, such as those
in Asia. With our focus on German engineering technology and scientific development, we further expand this lead in technological expertise – in order to use it in international projects on a global scale.
Photovoltaics, Germany, 2015
After an initial period of “subsidisation”
through feed tariff in by increased electricity
prices, PV technology and R&D in Germany
have become extremely attractive and almost completely independent of additional
support. The financing of PV through EEG
nowadays amounts to only a fraction of what
has been invested in the subsidisation of nuclear energy, for example. By now, the generation of solar energy is more cost effective
than nuclear power.
As a positive effect of PV’s very economical
levelised cost of electricity (LCOE), countries
around the world have ambitious plans for
installing PV systems. An important factor
for the future development of PV technology
is the fact that most suppliers and machine
builders in the PV value chain come from
Germany – and around 80 per cent of them
from the state of Baden-Württemberg.
3
Arbeitsplätze
mit Zukunftperspektive
Die Solarbranche sichert in Deutschland rund 50 000 Arbeitsplätze
(Schätzung des FhG ISE aus dem Jahr 2014). Die Abwanderung von
Arbeitsplätzen aus Bereichen wie der Herstellung von Modulen kann
dauerhaft durch Arbeitsplätze in anderen PV-relevanten Bereichen
kompensiert werden. Der Schwerpunkt verlagert sich in Deutschland zunehmend hin zur Zuliefererbranche mit PV-Vorleistungen,
Balance of System (BOS) etc., den Distributoren mit Systemintegratoren, Großhändlern und Projektleitern sowie dem Handwerk mit
Solarteuren, Elektrikern, Installateuren, Dachdeckern usw. Einen
besonderen Stellenwert nimmt der PV-Maschinenbau ein. In diesem Bereich stellt Deutschland den Löwenanteil der weltweiten
Produktionskapazitäten – mit entsprechendem Personalbedarf.
Energie- und
Umwelttechnik studieren
Das Studium zum Bachelor of Engineering oder Master of Engineering ist eine Spezialisierung innerhalb des Studienzweigs Maschinenbau, die sich mit dem Bau und Betrieb moderner energietechnischer Anlagen befasst. Ingenieure mit technischer Fachkompetenz
im Bereich regenerativer Energieerzeugung sind aufgrund steigender Kosten für fossile Brennstoffe gefragt.
Ingenieure für Energie- und Umwelttechnik verfügen über exzellentes Fachwissen auf folgenden Gebieten:
4
• Projektierung und Planung kompletter Anlagen
• Technische Koordination fachübergreifender Aufgaben
(Systemintegration)
• Konstruktion und Entwicklung
• Umweltmanagementsysteme
• Sicherheitstechnik und Umweltschutz
• Prozessoptimierung und Energiekostenreduzierung
Als besonders effiziente Studiumsvariante bietet das ISC Konstanz
die Möglichkeit, Energie- und Umwelttechnik als Duales Studium in Kooperation mit der DHBW Friedrichshafen mit intensivem
Praxisbezug im Bereich PV zu absolvieren. Auch Studienpraktika
sowie Bachelor- und Masterarbeiten der HTWG Konstanz werden
am ISC Konstanz durchgeführt. Zudem besteht eine Forschungskooperation mit der Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften, ZHAW.
The solar industry currently safeguards around 50 000 jobs in Germany (estimate by FhG ISE from 2014). Jobs in cell and module
production are migrating to other countries, but this trend can be
permanently compensated for by the creation of jobs in other PV
areas. Among others, the focus of PV jobs in Germany is increasingly shifting towards component supply, Balance of System (BOS)
services, warehousing, installation and electrical services. A particularly large proportion of the PV value chain in Germany is the PV
machine-building sector. This sector is the largest worldwide – with
significant job creation.
Jobmotor Photovoltaik – Jobmotor Photovoltaics
Jobs
with Great Future Prospects
Studying Energy
and Environmental Technology
This undergraduate- and postgraduate-level engineering qualification is a specialist area of Mechanical Engineering that deals with
the construction of leading-edge equipment for automated mass
production. Engineers with technical expertise in the area of renewable technologies are gaining importance due to the increased price
of fossil fuel.
Engineers with Energy and Environmental Science qualifications
have excellent competence in the following areas:
• Design and planning of complete systems
• Technical coordination of multidisciplinary tasks
(system integration)
• Construction and development
• Environmental management
• Safety engineering and environmental protection
• Process optimisation and energy cost reduction
ISC Konstanz offers a particularly effective degree course in ‘Energy and Environmental Engineering with Industrial Placement’ in
collaboration with Baden-Württemberg Cooperative State University in Friedrichshafen, with practical work at ISC Konstanz during
the industrial placement phase of the study. In addition, ISC Konstanz offers internships and undergraduate- and postgraduatelevel qualifications in collaboration with Konstanz University of
Applied Sciences. On top of that there is an effective research collaboration with the University of Zürich for Applied Science, ZHAW.
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◦ Fe concentration
◦ Accelerated Light Induced Degradation (ALID)
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◦ Decay and steady state lifetimes
◦ Emitter Saturation Current (J0)
◦ Surface Recombination Velocity (Smax)
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• Eddy current Wafer Resistivity
• Sheet Resistance (JPV)
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• High dislocation density
• Cracks
• High contamination density
• Edge (corner) contaminations
• High vacancy density (for mono wafers)
• Low lifetime
• Efficiency prediction
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Silizium ist ein wichtiger Grundstoff zur Herstellung von Solarzellen. Die meisten aller Halbleiter und Wafer, die in den Solarzellen
zum Einsatz kommen, werden aus Silizium hergestellt. Als Wafer
bezeichnet man Grundplatten aus ein- oder polykristallinen Halbleiter-Rohlingen, aus denen die photoelektrischen Solarzellen hergestellt werden.
Silizium ist extrem günstig und unbegrenzt verfügbar. So sank der
Preis für Reinst-Silizium in den letzten Jahren pro Kilogramm von
400 € auf 15 €. Solarzellen auf Basis kristallinen Siliziums kommen heute im weitaus größten Anteil von mehr als 90 Prozent der
PV-Module zum Einsatz.
Silizium – Wafer – Silicon-Wafer
Wie Sand am Meer
Eine Herausforderung der siliziumbasierten Herstellung von Halbleitern ist der hohe Stromverbrauch. Aus diesem Grund werden diese Basiskomponenten von Solaranlagen zum Großteil in Ländern
mit geringen Stromkosten wie Norwegen, Bosnien etc. hergestellt.
Heaps and Heaps of Sand
Silicon is the most important ingredient for the production of solar
cells; most semiconductors and wafers that are used for solar-cell
production are processed from silicon. Wafers are thin disks composed of mono- or poly-silicon material and are used to produce the
solar cells.
Silicon is extremely cost effective and is available in abundance. The
price for purest silicon has reduced, in recent years, from € 400 to €
15 per kilogram. More than 90 per cent of the modules on the market are based on crystalline silicon solar-cell technology.
The high energy requirement of silicon wafer production is a challenge to the cost effectiveness of the production. Therefore, production is carried out in countries with low electricity costs such as Norway and Bosnia.
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Solarzellen-Technologie
made in Germany
Im Bereich der Entwicklung von Solarzellen und Modulen nimmt
Deutschland eine Spitzenposition ein.
Deutsches Ingenieurwissen und der innovative Geist deutscher Unternehmer haben wesentlich dazu beigetragen, Solarzellentechnologie mit sehr hoher Effizienz bei gleichzeitig niedrigsten Stromgestehungskosten zu entwickeln. Schlüsselfertige Fabriken deutscher
Maschinenbauer werden heute in die ganze Welt exportiert. ISC Konstanz hat mit seinen neuesten Weiterentwicklungen der sogenannten
„n-Typ bifazialen Technologie“ einen weiteren Schritt zur wesentlichen
Verbesserung der PV-Technologie beigetragen. Mit den Produktnamen „BiSoN“ und „ZEBRA“ werden diese Technologien von einer Allianz mit centrotherm, ROFIN, RENA und PVF auf den internationalen
PV Markt eingeführt. RCT Solutions hat sich auf die bifaziale p-Typ
Technologie spezialisiert, die eine attraktive Alternative darstellt.
Die Zukunft in der Solarzellenproduktion liegt in einer kontinuierlichen Erhöhung des Effizienzgrades bei weiter reduzierten Produktionskosten. Voll automatisierte Prozesse auf der Basis von Industrie
4.0 stellen eine praktikable Lösung dar, die durch hohe Stückzahlen
und maximale Präzision auch in Großserien überzeugt.
RCT Solutions GmbH
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Advanced Solar Cell and Module Technology
Solar Production Equipment
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Solar Power Plant (RCT Power GmbH)
Solarzellen – Solar-Cells
Solar-Cell Technology
made in Germany
Germany takes the lead in the development of solar-cell and module devices.
German engineering and the innovative and pioneering spirit of German entrepreneurs have been instrumental in achieving the high efficiency and low electricity production costs of today’s photovoltaic
technologies. Turnkey German machine-building factories have been
and continue to be exported worldwide. ISC Konstanz takes it to the
next level with its newest technology of “n-type and bifacial solar
cells”, which delivers even lower LCOE. With product names such as
“BiSoN” and “ZEBRA”, these technologies are now introduced to the
international market in collaboration with centrotherm. ROFIN, RENA
and PVF. RCT Solutions deploy a specialised p-type bifacial technology
that offers a good alternative to n-type solar cells.
The future of solar-cell production still lies in increasing cell efficiency while simultaneously reducing production costs. Fully automated processes, utilising ‘industrial-internet’ technology, offer the
potential to maximise the throughput and yield of mass production.
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Bifazialität: Zukünftige
Technologie aus Konstanz
Das ISC Konstanz hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Entstehungskosten siliziumbasierter Photovoltaik weiter zu senken. Im Mittelpunkt
unserer Forschung stehen Technologien, die mit kristallinen Silizium-Wafern auf der Basis herkömmlichen Polysiliziums oder neuartiger Solarsiliziummaterialien arbeiten. Das Steckenpferd des ISC
Konstanz ist die bifaziale Technologie, die es erlaubt, dass auch von
der Rückseite Licht in das Glas/Glas-Modul eindringt, und dadurch
die Leistung und somit den jährlichen Ertrag des Systems wesentlich
erhöht. Mit dieser Technologie ist es möglich, Strom für bereits unter 5 ct/kWh in südlichen Ländern herzustellen. Mit der bifazialen BiSoN-Technologie entsteht mit 2,5 WMp momentan das größte bifaziale
PV-System in Chile (Bild auf Seite 14). Die moderne Glas/Glas-Technologie erhöht zudem die Lebensdauer der Solarmodule um 20 bis 30
Jahre auf ca. 50 Jahre. In der Region um Konstanz werden entsprechende Systeme von Sunny Solartechnik und rmSolar angeboten.
Unser Ziel ist es, den Solarzellen-Wirkungsgrad auf über 23 Prozent
zu erhöhen und die Herstellungskosten durch Materialeinsparungen und technologische Entwicklungen weiter zu reduzieren.
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Our quality management system is certified according to ISO 9001:2008
ISC Konstanz has set a goal to further the deployment and reduce the
costs of PV. Our R&D is focused on technologies based on crystalline
silicon. A key area of interest for ISC Konstanz is bifacial technology,
which offers a huge power increase to the PV system, utilising rear
side penetration of light into the module. This enables the system’s
yearly yield to be increased and the costs for electricity production to
be further reduced – to, for example, less than 5 ct/kWh for southern
countries. The world´s largest bifacial PV system is currently under
construction in Chile at 2.5 MWp (see picture on page 14) and will use
our bifacial BiSoN technology. The leading-edge glass/glass technology increases the module’s lifetime from approximately 20 to 30
years to 50 years. In the Konstanz region, modules using this technology are offered by our partners Sunny Solartechnik and rmSolar.
Solarzellen – Solar-Cells
Bifaciality: Future
Technology from Konstanz
Our goal is to increase solar-cell efficiency beyond 23 per cent and
to reduce the production costs through the reduction of material usage.
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in cooperation with ISC Konstanz
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11
Module
für die ganze Welt
Wände, die Strom erzeugen
In Reihe geschaltete Solarzellen ergeben ein komplettes Solarmodul, in dem Sonnenenergie direkt in Strom gewandelt wird. Starre
Solarmodule bestehen meist aus siliziumbasierten Solarzellen,
die fest auf einem Aluminiumrahmen montiert sind. Eine Alternative dazu – vor allem für den mobilen Einsatz – sind flexible Solarmodule basierend auf Dünnschichttechnologie.
Das ISC Konstanz entwickelt aktuell farbige
Solarzellen, die sich zu Solarmodulen zusammengeschaltet perfekt in Gebäudeteile
wie Fassaden, Lärmschutzwände etc. integrieren lassen. Diese Möglichkeit erweitert
das Spektrum der möglichen Einsatzgebiete
für Photovoltaik enorm.
Walls that produce electricity
ISC Konstanz currently develops colourful
solar cells and modules that can be aesthetically integrated into the facades of buildings
and into sound-blocking barriers. This vastly
increases the usage potential of PV in Ger-
Der in den Solarmodulen erzeugte Strom ist sofort nutzbar und
muss direkt verwendet oder in Speicherelementen zum späteren
Verbrauch konzentriert werden. Nachdem jedes zweite in Deutschland hergestellte Solarmodul direkt im Land zum Einsatz kommt,
sind diese Solarmodule in Ausführung und Material speziell auf den
Standort Deutschland mit seinen spezifischen Parametern wie Sonnenintensität, Wetterbedingungen etc. angepasst. Solarmodule, die
unter extremen klimatischen Verhältnissen wie in Wüstenregionen
verwendet werden, entsprechen derzeit in Material und Ausführung
den in Deutschland geltenden Anforderungen. Für diese Regionen
müssen in Zukunft Solarmodule mit eigenen Spezifikationen entwickelt werden, damit sie den extremen Wetterbedingungen über
einen langen Zeitraum standhalten. Dazu führt das ISC Konstanz
mehrere Projekte in enger Zusammenarbeit mit Chilenischen Partnern in der Atacama Wüste durch- der Wüste mit den weltweit extremsten Bedingungen.
many as PV becomes building-integrated,
“hidden” and combined with other applications.
Günstige Kosten – Low Costs
… sind ein wesentlicher Anreiz für die Installation einer Photovol-
… are becoming an essential driver behind the installation of solar
taikanlage. Von anfänglich 5 €/Wp (Watt peak = Spitzennennleis-
systems. From € 5/Wp in 2000 (Watt peak = maximum power), the
tung) sank der Preis bis heute auf 50 ct/Wp. Ein weiterer Grund
costs for a solar module have been lowered down to 50 ct/Wp. An-
für Hausbesitzer und Gewerbetreibende für eine Umstellung auf
other reason for homeowners to install PV is the freedom and in-
Solarenergie ist das durch den selbst erzeugten Strom gewonne-
dependence of going off-grid at a time of rising electricity prices.
ne Stück Autarkie. Oft kann ein großer Teil des eigenen Bedarfs
Often, a significant proportion of household energy consumption
aus Sonnenenergie gedeckt werden. Die Investition amortisiert
can be covered by PV. The initial investment pays back within just a
sich finanziell meist schon nach wenigen Jahren. Nach zwei Jah-
few years. Within two years, the modules have produced as much
ren Betriebsdauer haben die Module bereits so viel Energie er-
electricity as was used in their production.
zeugt, wie für ihre Herstellung verbraucht wurde.
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Module – Modules
Modules
for the Whole World
Solar cells interconnected in series result in a complete solar module that converts solar light directly into electricity. Rigid solar panels, which have the major market share, are based on crystalline
silicon solar cells and are mounted in an aluminium frame. An alternative to this – mostly for mobile applications – are flexible modules
that can be made using thin-film technology.
The electricity produced from solar modules is directly usable and
needs to be used immediately or stored in storage devices for later
use. Since historical production of solar modules was concentrated
mostly in Germany and about one in two modules produced in Germany is used domestically, module component adaptions are designed
for the mild climate of Central Europe. In order to use modules under
extreme weather conditions, for example in desert regions, the components will have to be adapted for harsher temperatures, UV irradiation and soiling. In addition, test specifications and procedures have
to be developed. For this reason, ISC Konstanz is collaborating with
Chilean partners on several projects in the Atacama desert – the desert with the most extreme conditions on our planet.
www.halm.de
cetisPV
Product
line
Step into the PV future:
High precision Class A+ A+ A+
measurement systems
for PV-cells and modules
• Highest precision in temperature coefficients
and energy rating of PV modules
• High throughput manufacturing
> 3600 cells/h and > 200 modules/h
• Universal solutions for
bifacial cells and modules,
highest efficiency cells and modules,
busbarless and back contact cells
• Advanced inline quality and process control by
EL-inspection and image analysis,
UV and IR response measurements (LED),
improved hot spot evaluation
13
Systeme und Speicher
Wir sind davon überzeugt, dass die Photovoltaik bei der Energieerzeugung der Zukunft eine wichtige Rolle spielt. Wie auf dem
Weltklimagipfel in Paris am 12. Dezember 2015 beschlossen, sollen regenerative Energien die fossil-nuklearen Energien komplett
ablösen.
Ein wichtiger Aspekt mit großem Entwicklungspotenzial sind komplette Solar- und Heizsysteme inklusive immer leistungsfähigerer
Speicher, die den Einsatz von Solarstrom noch effizienter und komfortabler machen. Moderne Systeme kombinieren den aus der Sonne gewonnenen Strom bedarfsgerecht mit anderen – idealerweise
regenerativen – Energiequellen wie Erdwärmepumpen, Biomasseheizkesseln etc. Die einzelnen Elemente der Solar- und Heizsysteme mit ihren Speichermodulen finden auf immer kleinerem Raum
Platz und sind gut dezentralisierbar.
Smarte Bedienung mit Komfort
Smart Grids sind intelligente Systeme, die alle Komponenten des
Strom- und Verbrauchsnetzes auf einen Blick transparent machen,
um gegebenenfalls Lasten wie z. B. elektrische Wärmepumpen bzw.
Klimaanlagen oder Ladevorgänge bei Elektrofahrzeugen zu verschieben. Das Ergebnis ist eine optimale Überwachung und Regelung des Gesamtsystems mit der Möglichkeit, auch von extern per
SmartPhone korrigierend einzugreifen. Als Nutzer haben Sie alle
Funktionen der Haustechnik auf einen Blick bestens im Griff.
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We are convinced that electricity generation from PV will play a
major role in future energy supply. As agreed at the World Climate
Summit on 12 December 2015 in Paris, fossil energy sources will
be replaced by renewables.
Complete solar and heat systems, combined with powerful storage,
are an important renewable technology with large development potential and will make solar power even more effective and easier
to use. Modern systems combine the electricity from PV with other
– ideally renewable – energy sources such as geothermal pumps
or biomass heating systems. Complete systems are getting smaller
and smaller and are perfectly suited for microgrid applications.
Systeme und Speicher
Systems and Storage Devices
Systems and Storage Devices
.
Smart Handling with Comfort
Smart grids are intelligent systems that utilise data from all components in the electricity network so that, if necessary, the consumptions of electric heat pumps, cooling systems or charging of electric
cars can be adapted to flex with the power generated. The result
is an optimally monitored and managed complete system with the
potential to interactively connect the user to the system from outside via, for example, their mobile phone. At a glance, the user gains
complete access to all the important data of the system’s performance.
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