Photovoltaik und Batteriespeicher – bei jedem WeberHaus im ...
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Batteriespeicher in der stationären Anwendung
Dr. Matthias Vetter
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
Hochschule Karlsruhe
Karlsruhe, 18. April 2018
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Agenda
Grundlagen Lithium-Ionen Batterien
Anwendungsbereiche Lithium-Ionen Batterien
Systemdesign für Lithium-Ionen Batteriesysteme
Thermisches Management
Batteriemanagementsysteme
Lebensdauerprognose
System- und Netzintegration
Ausblick: Integration der Elektromobilität
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Quelle: Sony.
1980‘s: Erste Experimente mit Lithium-Metall als Anodenmaterial aufgrund von Sicherheitsproblemen gescheitert
1991: Einführung der ersten kommerziell verfügbaren Lithium-Ionen Batteriezellen durch die japanische Firma Sony
Verwendung von amorphen Kohlenstoff auf der Anodenseite anstelle von Lithium-Metall
Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Geschichte
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Quelle: Pillot, C: Battery Market Development for Consumer Electronics, Automotive, and Industrial: Materials Requirements and Trends, 2015.
Große Marktentwicklung in den letzten Jahren, insbesondere im Vergleich zu NiMH und NiCd Batterien
Bleibatterien besitzen noch den größten Marktanteil
Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Marktentwicklung
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Umsatz 2013: 17.58 Bill. US$ Prognose: Mehr als das Vierfache bis 2020
Quelle: [Frost & Sullivan, 2014]
Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Marktentwicklung
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Quelle: Winfried Hoffmann, Importance and Evidence for Cost Effective Electricity Storage, PVSEC, 2014.
LIB
cell
pri
ce [
$/k
Wh
]
Cumulated LIB capacity [MWh]
Automotive (EV) lithium-ion batteries
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Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Investitionskosten – Prognosen
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Quelle: B. Carey: Energy Storage Outlook: Promising Technologies, Applications, and Business Models for the Future 2012.
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Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Kostenreduktionspotentiale auf Zell- und Packebene
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Exkurs: Ermittlung der Speicherkosten
Kosten ausgespeicherte
Energie
Kalendarische Lebensdauer
Zyklenlebensdauer
Entladetiefe
Zyklenbereich
Kapitalkosten
Kosten installierte Kapazität
Kosten Leistungselektronik
Wartungskosten
Wirkungsgrade
Selbstentladung Stromkosten
Kosten Reparatur / Austausch
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Wiederaufladbare Lithiumsysteme
Lithium-Metall mit metallischem Lithium
Lithium-Metall mit flüssigem Elektrolyt
Lithium-Metall Polymer mit Polymer-Elektrolyt
Lithium-Ionen ohne metallischem Lithium
Lithium-Ion mit flüssigem Elektrolyt
Lithium-Ion Polymer mit Polymer-Elektrolyt
Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Klassifizierung
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Quelle: Kompendium Lithium-Ionen-Batterien, 2015.
Beispiel: „LMO”
Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Elektrochemisches Prinzip
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Quelle: Kompendium Lithium-Ionen-Batterien, 2015.
Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Gravimetrische und volumetrische Energiedichte
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LiMn2O4LiCoO2
LiFePO4
LiNiO2
Lithiummetal Graphite amorphous
Carbon Li-Si
Li-Titanat
Potential inV vs. Li/Li+
2
1
0
3
4
NMC/NCA
Elec
troly
te s
tabi
lity
win
dow
Kathodenmaterialien
Anodenmaterialien
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Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Materialien auf Anoden- und Kathodenseite
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Blei LCO / Graphit
NMC / Graphit
LFP/ Graphit
NCA / Graphit
LCO, NMC, LMO / Titanat
Gravimetrische Energiedichte [Wh/kg]
30-45 150-200 150-220 80-130 130-260 60-70
Gravimetrische Leistungsdichte [W/kg]
45-350 300-4000 (abhängig von Design und Strombelastbarkeit der Zelle)
Nennspannung (Zelle) [V] 2 3,6 3,6 / 3,7 3,2 / 3,3 3,6 2 / 2,5
Zyklenlebensdauer 50-2000 500-1000 500-8000 1000-6000 300-2000 3000-15000
Kalendarische Lebensdauer 3-15 8-20 Jahre
Wirkungsgrad 75-90% 90-98%
Kosten [€ / kWh]1 50-250 300-1200 300-1200 250-1000 350-1200 >1000
Temperaturbereich Laden [°C]
-20 bis 50 0 bis 45 -20 bis 55
Temperaturbereich Entladen [°C]
-20 bis 60 -20 bis 55 2
Selbstentladung 2-5% / Monat 2-10% / Monat (typisch 3%)
1 Guide values: Prices depend strongly on purchase quantity and cell format 2 Titanate possesses lowest capacity losses at low temperatures 13
Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Materialien auf Anoden- und Kathodenseite
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Quelle: MEET, Münster.
Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Stand der Technik
"4V"
1
2
3
4
5
6
250 500 750 1000 1250 1500 1750 3750 3500
Pote
ntia
l vs.
Li/L
i+ / V
0 0
Kapazität / Ah kg-1
Kathodenmaterialien (Lithium/Lithium-Ionen)
Graphite
"3V"
"5V"
Li4Ti5O12 (LTO)
Lithium- Metall
Kohlenstoffbasiert
Anodenmaterialien (Lithium/Lithium-Ionen)
LiMn2O4 (LMO)
LiFePO4 (LFP)
LiCoO2, Li[NixCoyMnz]O2 (NMC),
Li[Ni0,8Co0,15Al0,05]O2 (NCA)
e.g.: MnO2
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Quelle: MEET, Münster.
"4V"
0
1
2
3
4
5
6
250 500 750 1000 1250 1500 1750 3750 3500
Pote
ntia
l vs.
Li/L
i+ / V
0
Kapazität / Ah kg-1
Kathodenmaterialien (Lithium/Lithium-Ionen)
Graphite
"3V"
"5V"
Li4Ti5O12 (LTO) Silizium
(Si) Lithium- Metall Si-C-Composite
Metalloxide (Conversionsmaterialien)
x Li2MnO3/(1-x)LiMO2 (M= Mn, Ni, Co) LiNi0,5Mn1,5O2 LiCoPO4
LiMnPO4 Li2FeSiO4, organische Kathoden
Sn-C-Composite
Zinn (Sn)
Anodenmaterialien (Lithium/Lithium-Ionen)
Kohlenstoffbasiert
Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Entwicklungspotentiale
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Zylindrische Zelle
Prismatische Zelle
Pouch-bag Zelle
Source: Axeon, Our Guide to Batteries, 2015.
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Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Bauarten
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Umfangreiche Erfahrung in der Herstellung und hohe Verfügbarkeit Massenprodukt
Standard Formate (z.B. 18650, 21700)
Packungsdichte (Systemebene) aufgrund des zylindrischen Designs limitiert
Zwischenräume kann zur Kühlung der Zellen genutzt werden
Kleines Format hohe Flexibilität für das Pack Design
Nutzung in der Elektromobilität:
Tesla (USA)
Kreisel (Austria)
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Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Bauarten – Zylindrische Zelle
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Hohe Anforderungen an Montage (Kontaktierung und Befestigung)
Hohe mechanische Beanspruchbarkeit
Im Vergleich zu Pouch-bag Zellen geringeres Oberflächen/Volumen- Verhältnis schlechtere Kühleigenschaften
Source: Mikolajzak, Kahn, White, u. A., nfpa.org.
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Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Bauarten – Zylindrische Zelle
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Gehäuse aus einer mit Kunststoff beschichteten Aluminiumfolie („Coffee-Bag-Zelle“) Gewichtseinsparung höhere Energiedichte möglich
Keine Standardgrößen
Polymer-Elektrolyt / Vakuum gewährleistet eine höhere Stabilität und eine geringere Gefahr einer Leckage
Vergleichsweise geringe mechanische Belastbarkeit
Source: Mikolajzak, Kahn, White, u. A., nfpa.org.
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Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Bauarten – Pouch-bag Zelle
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Volumenänderungen bei Lade- und Entladevorgängen können durch die Dehnbarkeit des Foliengehäuses sehr gut ausgeglichen werden
Stabilisierung der geschichteten Aktivmaterialen durch ein Vakuum
Flächige Form begünstigt Wärmeabfuhr
Aufwendige Befestigungsmaßnahmen
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Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Bauarten – Pouch-bag Zelle
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Hohe Kapazitäten auf dem Markt (bis zu 200Ah)
Aufwendigerer Herstellprozess als bei Rundzellen höhere Produktionskosten
Einfache Montage
Mechanisch ungünstiger Aufbau (Wickel im Rechteckgehäuse)
Schlechte Kühleigenschaften
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Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Bauarten – Prismatische Zelle
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Wesentliche Vorteile:
Hohe Energiedichte
Hohes Leistungs- zu Kapazitätsverhältnis
Niedriger Wartungsaufwand
Niedrige Selbstentladung
Hohe energetischer Wirkungsgrad
Hohe kalendarische Lebensdauer
Hohe Zyklenlebensdauer
Wesentliche Nachteile:
Sicherheit: Eigene Schutzeinrichtungen notwendig
Noch vergleichsweise hohe Investitionskosten
„Thermal runaway“ möglich, z.B. im Falle von Überladung oder bei Beschädigung
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Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Fakten und Charakteristiken
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Konsumerprodukte Mobiltelefone Notebooks Power Tools etc.
Netzunabhängige und netzgekoppelte PV Systeme Batteriesysteme für Primär- und Sekundärregelung Elektrische Leichtfahrzeuge Elektrische und hybride Automobile Elektrische und hybride Lastwagen und Busse Elektrische und hybride gewerbliche Leichtfahrzeuge Elektrische und hybride landwirtschaftliche Maschinen Elektrische und hybride Schiffe Elektrische und hybride Flugzeuge etc.
Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Überblick
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Source: Gocke/GIZ
Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche „Pico PV“
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Source: Phocos
1 - 3 Wp PV ersetzt eine Kerosinlampe
0,5 W – 3 W LED als Lichtquelle
0,5 Ah to 5 Ah Batteriespeicher
(4 – 8 h Betriebszeit pro Tag)
Blei und NiMh Batterien und zunehmend
Lithium-Ionen Batterien (Li-FePO4)
Viele Systeme besitzen zusätzlich eine USB
Schnittstelle für Mobiltelefone
Pico PV Systeme mit höheren Leistungen
können auch kleine LCD TVs versorgen
Einige Systeme ermöglichen über eine
„plug & play” Funktionalität eine
leichte Erweiterung
Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche „Pico PV“
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Unbekannte Hersteller: Große Streuung und große Kapazitäts-verluste
Renommierte Hersteller: Kapazitäts-verlust < 20%
Lagertests: Lithium-Ionen Batterien bei 60°C während 30 Tagen mit einem Ladezustand von 50 %
Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche „Pico PV“ – Batterietests
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Grafik: Fraunhofer ISE; Solarpraxis AG
PV generator Charge controller Loads
Battery
Anwendungen
Beleuchtung
Radio, TV
Laden von Mobiltelefonen und anderen portablen Geräten
Selten: Kühlschränke
Typisches Systemdesign
- PV Modul: 50 Wp
- Batterie: 12 V, 70 to 120 Ah
- Last: 150 - 250 Wh/day
Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche „Solar home systems“ – Beispiel mit einer Bleibatterie DC-System
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Lithium-Ionen Batterie (LiFePo4)
12,8 V / 7 Ah
LED “Sunflower“: 270 lm
LED “Röhre“: 270 / 450 lm
3 Leistungsausgänge: 5 A gesamt
1 USB Ausgänge: 1,5 A
PV Eingang max. 25 V
Photos: Phaesun GmbH / Zimpertec GmbH
Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche „Solar home systems“ – Beispiel mit einer Lithium-Ionen Batterie DC-System:
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Battery AC Loads
DC Loads
DC Bus
Meist unter 400 Wp
Lasten:
Beleuchtung, Radio, Ventilator, etc.: ~ 120 W
Kühlung von Impfstoffen: ~ 60 W
AC-System
Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche „Solar home systems“ – Beispiel mit einer Bleibatterie
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Beispiel: Autarke Umweltmessstation
Stromversorgung: DC-Systemspannung: 12 V PV-Generator: 110 Wp Direkt-Methanol
Brennstoffzelle: 65 W Batteriespeicher (Blei):
660 Ah, C10 Energiemanagementsystem
Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Autarke technische Stromversorgungen
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Beispiel: Rappenecker Hof im Schwarzwald Stromversorgung: DC-Systemspannung: 48 V PV-Generator: 3,8 kWp Wasserstoff-Brennstoffzelle:
4 kW Dieselgenerator: 12 kW Windgenerator: 1,8 kW Batteriespeicher (Blei):
45 kWh
Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche PV-Einzelhausversorgungen
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Beispiel: Rappenecker Hof im Schwarzwald Stromversorgung: DC-Systemspannung: 48 V PV-Generator: 3,8 kWp Wasserstoff-Brennstoffzelle:
4 kW Dieselgenerator: 12 kW Windgenerator: 1,8 kW Batteriespeicher (Blei):
45 kWh
Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche PV-Einzelhausversorgungen
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Last:
Spitzenlast: 200 kW
Jährlicher Verbrauch: 574 MWh
PV-Diesel-Hybridsystem:
PV-System (incl. LE): 1,5 Euro/Wp
Batteriesystem: 220 Euro/kWh
Diesel Invest: 273 $/kW
Diesel Treibstoffkosten: 1$/l
Diesel Wartungskosten: 0,7 $/h
Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche PV-Inselnetze – Beispiel Uganda
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Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche PV-Inselnetze – Beispiel Uganda
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Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche PV-Inselnetze – Beispiel American Samoa
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Quelle: K. Kelty, Tesla: Tesla and the Gigafactory, 2017.
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36
Beispiel: Studie für den Standort Assuan in Ägypten Betriebsführungsstrategie
Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Photovoltaik-Batteriespeicher-Kraftwerke
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37
Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Photovoltaik-Batteriespeicher-Kraftwerke
Beispiel: Studie für den Standort Assuan in Ägypten Vergleich der Stromgestehungskosten für verschiedene
Batterietechnologien
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Erhöhte direkte Nutzung der PV
Einsatz von Batteriespeichern Verringerung der Strombezugskosten
Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Photovoltaik-Batteriesysteme für den Eigenverbrauch
38
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Simulationsstudie für ein EFH mit 4900 kWh/a Stromverbrauch
PV-Generatorgröße: 6 kWp
Variation der Kapazität des Lithium-Ionen Batteriesystems
Reduzierung der Einspeisung um ca. 30 %
Nur ~ 20 % müssen vom Netz bezogen werden
Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Photovoltaik-Batteriesysteme für den Eigenverbrauch
39
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Programmable AC load
Test system (Labview) with data acquisition (Gantner / Janitza)
PCS
Battery
Grid Smart-meter
PV -> GRID
PV -> BAT
BA
T ->
GR
ID
PV Simulator: 16 kW 1000V DC
40
Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Photovoltaik-Batteriesysteme für den Eigenverbrauch Systemtests – Wirkungsgrade
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Avg. Settling time BAT A: 8.37s ; BAT B: 45.14s BAT C: 20.61s ; BAT D: 6.48s
Avg. Settling time BAT A: 8.11s ; BAT B: 38.33s BAT C: 23.37s ; BAT D: 6.03s
Settling time of battery system (PV varying, load constant)
Settling time of battery system (PV constant, load varying)
41
Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Photovoltaik-Batteriesysteme für den Eigenverbrauch Systemtests – Effektivität
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Zielkosten für 4 Eigenverbrauchs-anwendungen
Privat (EFH)
Bürogebäude
Industrie
Kommune
Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Photovoltaik-Batteriesysteme für den Eigenverbrauch
42
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Zyklen pro Jahr 221 75 256 227
Speicherkosten ct / kWh 28 81 24 27
Aktuelle Kosten berechnet mit Investitionskosten von 600 €/kWh Zielkosten für 4 Eigenverbrauchs-
anwendungen
Privat (EFH)
Bürogebäude
Industrie
Kommune
Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Photovoltaik-Batteriesysteme für den Eigenverbrauch
43
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44
Stromkosten des Energieversorgungssystems
Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Photovoltaik-Batteriesysteme für den Eigenverbrauch Beispiel: Gewerbliche Anwendung „Bäckereiproduktionsbetrieb“
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45
Battery storage 120 kW / 150 kWh
Heat pump 25, 35 and 45 kWel
CHP unit 6 -12 kWel
PV system 142 kWp
Loads
DSO
LSO
Boarder of property
Current sensor
Optimierungskriterium:
Minimierung der Netzabhängigkeit –
Physikalisch und nicht bilanziell !
Source: derena
Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Quartiersspeicher: Beispiel „Weinsberg“ – Systemdesign
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0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26[Kalenderwoche in 2015...2016]
Batteriespeicher...
...äquivalente Vollzyklen pro Tag (Laden)[% der Nennkapazität] {Jahr:_66.49%}
...äquivalente Vollzyklen pro Tag(Entladen) [% der Nennkapazität]{Jahr:_54.02%}
...Wirkungsgrad (Energie Out/In)[%] {Jahr:_81.26%}
46
Normalized charge per day [% of CN]
Normalized discharge per day [% of CN]
Daily average energy efficiency [%]
Annual average values: Charging with 67 %
of nominal capacity Discharging with 54 %
of nominal capacity Energy efficiency: 81 %
Battery storage
Calendar week 2015 / 2016
Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Quartiersspeicher: Beispiel „Weinsberg“ – Monitoring
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47
Interaktion zwischen Primär-, Sekundär- und Tertiärregelleistung
Source: www.gtai.de
Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Netzdienstleistungen – Beispiel Regelleistung
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48
Source: www.gtai.de
Primärregelleistung: Preisentwicklung und „Break-even“ Berechnung für Batteriesysteme
Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Netzdienstleistungen – Beispiel Regelleistung
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49
Source: www.gtai.de
Installierte Batteriekapazitäten für Primärregelleistung in Deutschland
Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Netzdienstleistungen – Beispiel Regelleistung
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50
Source: K.-H. Tönges, Younicos: Business case battery, 2015.
Primärregel-
leistung Ort:
Schwerin
Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Netzdienstleistungen – Beispiel Regelleistung
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Quelle: K.-H. Tönges, Younicos: Business case battery, 2015.
Primärregelleistung Batteriespeicher versus fossilen Kraftwerken
Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Netzdienstleistungen – Beispiel Regelleistung
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Quelle: SMA
52
Systemdesign für Lithium-Ionen Batteriesysteme Anpassung an marktverfügbare Batteriewechselrichter in stationären Anwendungen – Bsp. PV-Heimspeicher
Wechselrichter
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Batteriemodule mit kommerziell verfügbaren Lithium-Ionen Zellen (NMC)
44,4 V / 40 Ah / 12 Zellen
> 1500 Zyklen (DOD ca. 95 %)
Wirkungsgrad > 95 %
Optimierte Luftkühlung
Batteriemodule mit Prototypen Zellen (LTO / LiMnFePO4) FhG ISIT
23 V / 25 Ah / 10 Zellen
7000 Zyklen (DOD > 95 %)
Wirkungsgrad > 93 %
Inhärent sichere Zellen
53
Systemdesign für Lithium-Ionen Batteriesysteme Batteriemodule für stationäre Anwendungen (2 Bsp.)
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5.33 kWh Batteriespeicher
3 Module parallel
5.75 kWh Batteriespeicher
2 Module in Serie
5 Stränge parallel
54
Systemdesign für Lithium-Ionen Batteriesysteme Batteriemodule für stationäre Anwendungen – 2 Beispiele für PV-Heimspeicher
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Gestell
Herausnehmbare Module
Standardstecker
Aluminium Gehäuse
Schlüsselschalter
CAN Bus Schnittstelle
55
Systemdesign für Lithium-Ionen Batteriesysteme Konstruktion für einen PV-Heimspeicher
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1.0 C
0.5 C
0.2 C
Labortests – Wirkungsgrad
56
Systemdesign für Lithium-Ionen Batteriesysteme Batteriemodul für einen PV-Heimspeicher
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t=0min t=7min
t=11min t=18min
Labortests – Erwärmung bei einer Entladung mit 1C ohne aktivierte Kühlung
57
Systemdesign für Lithium-Ionen Batteriesysteme Batteriemodul für einen PV-Heimspeicher
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Labortests – Temperaturverlauf mit aktivierter Kühlung
ΔT meist unter 1 K
ΔT nahezu konstant
58
Systemdesign für Lithium-Ionen Batteriesysteme Batteriemodul für einen PV-Heimspeicher
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1.Betriebsfenster, sicherer Arbeitsbereich
2.Auflösung Anoden-Kupfer 3.a) Li-Plating beim Überladen b) Li-Plating bei Tieftemperatur 4.Möglicher Defekt der SEI-
Schicht bei Grafitanoden, Gasdruck steigt, evtl. langsamer Thermal Runaway
5.Temperatur steigt, Ausgasen, Brand,…
6.Ausgasen,Seperator schmilzt, Brand,…
7.Thermal Runaway, Brand, Sauerstoff aus Oxiden wird freigesetzt und verschlimmert das Brandverhalten
Zellspannung
Zellt
emp
erat
ur
Quelle: Sicherheitsleitfaden BSW
Thermisches Management Bedeutung
59
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Source: Bopp, Döring et. al.: Report on Types and Hazards of Electrical Energy Storage Systems, 2016.
60
Thermisches Management Temperaturbereich für Lithium-Ionen Batterien
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Batteriemanagementsystem Überblick und Funktionsblöcke
Zustandsbestimmung Ladezustand Alterungszustand Weitere Zustände (optional)
Regelsystem Aktoren und Schalter Batteriemodelle Lastmanagement Energiemanagement (optional)
Fehlermanagement Sicherheit der Zellen
Therm. Management Thermische Batt.modelle Thermische Regelung
Messung und Monitoring Zellspannungen Zelltemperaturen Strom
Kommunikation Intern Mit externen
Komponenten
Battery Management
System
Sicherheitsebene
Funktionale Ebene
Regelebene
61
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Batteriemanagementsysteme Das „Problem“ der Zustandsschätzung
Innere Zustände müssen bekannt sein, z.B. für
Prognose der verbleibenden Betriebszeit in einer Anwendung
Bestimmung der Leistungsfähigkeit
Zeitpunkt des Batterieaustausches
Innere Zustände können nicht direkt gemessen werden:
Innenwiderstand
Ladezustand (SOC)
Alterungszustand (SOH)
Verwendung von „einfach“ messbaren Größen wie Klemmspannung, Strom und Temperatur
62
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SOC/SOH
Ah counting
Open circuit voltage
Particle filter
Fuzzy Model based
Neural network
Kalman filter
63
Batteriemanagementsysteme Zustandsschätzung – Ansätze
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64
Batteriemanagementsysteme Ladezustandsbestimmung
Ah Zählung: Integration von Messfehlern
Häufig genutzter konventioneller Ansatz:
OCV Korrektur in Kombination mit Ah Zählung
Rekalibrierung des SOC Wertes mit OCV benötigt Ruhephasen
Flache OCV Charakteristik mit Hysterese-Verhalten bei LiFePO4
64
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Rekursiver stochastischer Zustandsschätzer
Robust gegenüber Messfehler
Keine Ruhephasen für Rekalibrierung des SOC notwendig
Schnelle Identifikation der Startwerte
Verbesserte Performance für gealterte Batterien
Nachteile:
Optimaler Schätzer nur für Prozesse mit Gaußschem Rauschen
Nur für lineare Systeme geeignet
Für nicht-lineare Systeme: Extended or Unscented Kalman Filter
B’ H’
A’
+ +
wk vk+1
B
H
A
+
-K
Process
Model(Kalman Filter)
Output:Estimation
Measurement:System Output
Measurement:System Input
Z -1
Measurement ModelProcess Model
1ˆ +kx−+1ˆ kx
1~
+kz
kx̂
1ˆ +kz
1+kx
kx
1+kzku
+
Z -1
65
Batteriemanagementsysteme Ladezustandsbestimmung – Kalman Filter Ansatz
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66
Batteriemanagementsysteme Prinzip
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Ergebnisse: Stromsensor:
Mess-Offset: 5 %
Messrauschen: 2 %
Spannungssensor:
Messrauschen: 2 %
Ah Zählung:
RMSE des SOC: 2 %
Extended Kalman Filter:
Initialer SOC: 50 %
RMSE des SOC: 0.35 %
Schnelle Konvergenz des Extended Kalman Filter
67
SOC reference SOC SOC Ah counting SOC
Extended Kalman filter SOC
Batteriemanagementsysteme Extended Kalman Filter zur Ladezustandsbestimmung
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68
CC CV
Definierte Volladung der Batterie
Ladestrom definiert (z.B. 1 C)
Konstantstromladung (I-Phase)
Konstantspannungsphase (U-Phase)
Abbruch bei Unterschreitung von definiertem Ladestrom (z.B. C/20)
Konstanstromentladung mit definiertem Strom (z.B. 1 C) bis zu einer definierten Spannungsgrenze
Das Ergebnis ist sehr genau (abhängig von den Messgeräten).
Aber: nicht im laufenden Betrieb anwendbar die Batterie kann für mehrere Stunden nicht verwendet werden.
Batteriemanagementsysteme Alterungsbestimmung – Standardverfahren
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Prinzip des Dual Extended Kalman Filter
Zwei entkoppelte parallele Kalman Filter
Austausch der berechneten Zustände state of charge und state of health
Compute a priori estimation (Prediction)
Compute a posteriori value
(Correction)
Sta
te F
ilter
Initi
aliz
atio
n
Compute a priori estimation (Prediction)
Compute a posteriori value
(Correction)
Wei
ght F
ilter
Initi
aliz
atio
n
New measured value
Θ−ˆ
x̂−
69
Batteriemanagementsysteme Alterungsbestimmung – Extended Kalman Filter
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Ergebnisse
Gealterte Batterie: 80 % SOH
Kathode: NMC
Anode: Graphit
2,45 Ah, 3.6 V
DEKF: Dual Extended Kalman Filter; MA: Mean Average
70
Batteriemanagementsysteme Alterungsbestimmung – Extended Kalman Filter
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Manganoxid zeigt die größte Alterung bei einem Ladezustand (SOC) um die 30%
Die meisten Materialien wie LiCoO2, NCA, NMC zeigen eine verstärkte Alterung bei hohen Ladezuständen
NMC –Mischmaterialien zeigen eine verstärkte Alterung im mittleren Ladezustand
Lagerung bei diesem SOC bzw. häufiges zyklisieren um diesen SOC führt zu beschleunigter Alterung
71
Source: Jossen, Weydanz.
Aging
Batteriemanagementsysteme Einfluss der Betriebsbereiche auf die Alterung
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Batteriemanagementsysteme Teil eines optimierten Energiemanagements
Kommunikationsschnittstelle zwischen EMS und BMS
Modellbasiertes Energiemanagement
Last- und Erzeuger- management
Optimierter Betrieb des Batteriesystems
Regelung der Energieflüsse
Modellbasiertes Batteriemanagement
SOC Vorhersage in Abhängigkeit des prognostizierten Lastprofils
Wirkungsgrade in Abhängigkeit des prognostizieren Lastprofils
Information über Alterung
P
SOC
Wetter- vorhersage
Erzeuger- und Lastmodelle
Lastprofil für Batteriesystem
Batteriemodell
SOC Vorhersage
EMS
BMS
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Einfluss der Betriebsbedingungen auf die Alterung
Optimierte Betriebsführungsstrategien
73
Aging model
Thermal model
Algorithm for SOC/SOH
estimation
Load profile
Current,Voltage,
Time
Power fan,Ambient
temperature
SOC
SOH
PrognosisΔSOH/ΔtPrognosis temperature
...
Model parameter: Cell technology, cell size, etc.
Algorithm for Prediction of
ΔSOH/Δt
Electrical equivalent
circuit model
ΔSOH: - Degradierung der Kapazität ΔC - Anstieg des Innenwiderstands ΔRi
Batteriemanagementsysteme In-situ Lebensdauerprognose
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System- und Netzintegration Topologien
AC gekoppeltes System
Quelle SMA
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AC gekoppeltes System
PV-Generator und Batteriesystem über separate Wechselrichter mit dem AC-Netz gekoppelt
Hocheffizienter PV-Wechselrichter
Kopplung des 24 V / 48 V Batteriesystems über Trafo-Wechselrichter (bisher !!!)
Installierte Speicherkapazität weitestgehend unabhängig skalierbar von der PV-Anlage
Bestehende PV-Anlagen relativ leicht mit Batteriesystem nachrüstbar
Zwischenspeicherung von Netzstrom möglich
System- und Netzintegration Topologien
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DC gekoppeltes „Niedervolt-System”
System- und Netzintegration Topologien
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DC gekoppeltes „Niedervolt-System”
DC-Spannung: 24 V oder 48 V
Weit verbreitet in kleineren netzunabhängigen Anwendungen
Einige der Inselwechselrichter arbeiten auch netzparallel
In dezentralen netzgekoppelten Anwendungen einsetzbar
Geringere Systemkosten möglich
Niedrigere Gesamt-Wirkungsgrade
Trafo-Wechselrichter
Sämtliche Energieflüsse über diesen Trafo-Wechselrichter
Zwischenspeicherung von Netzstrom möglich
System- und Netzintegration Topologien
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DC gekoppeltes „Hochvolt-System”
Quelle Voltwerk
System- und Netzintegration Topologien
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DC gekoppeltes „Hochvolt-System”
Trafoloses Konzept
Batteriesystem über DC/DC-Steller an Zwischenkreis des Wechselrichters angeschlossen
Separater DC-DC-Steller mit MPP-Tracking für PV-Generator
Hoher Gesamtwirkungsgrad möglich
Hohes Kostensenkungspotential
Wechselrichterbrücke arbeitet bei den derzeit verfügbaren Produkten nicht bidirektional
Keine Zwischenspeicherung von Netzstrom möglich
???
???
System- und Netzintegration Topologien
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Hohe Wirkungsgrade
Bleibatterien in PV-Anwendungen bis zu 86 % (in Off-grid Systemen erreicht)
Lithiumbatterien in PV-Anwendungen ca. 95 % (in PV-Systemen möglich)
Hohe kalendarische Lebensdauer
Bleibatterien in PV-Anwendungen ≤ 10 Jahre (Erfahrungswerte Off-grid)
Lithiumbatterien in PV-Anwendungen ca. 20 Jahre (Herstellerangaben!)
Zyklenzahl: Bis zu 3000-4000 Zyklen (bei typischer Auslegung) in netzgekoppelten PV-Anwendungen über einen Zeitraum von 20 Jahren (!)
Bleibatterien: Entladetiefe (DoD) von 50 % 1500-2000 Vollzyklen
Konvent. Lithiumbatterien: 6000 Zyklen bei DoD von 60 % (Herstellerangabe!)
Speziell für stationäre Anwendungen entwickelte Lithiumbatterien: 7000 Zyklen bei DoD von ca. 95 % (Herstellerangabe!)
Zusätzliche Netzdienstleistungen: Bis zu einem Zyklus pro Tag: 7300 Zyklen
System- und Netzintegration Anforderungen an das Batteriesystem
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Unabhängig von der Schaltungsart mindestens zwei Komponenten
1. Batterie-Wechselrichter und PV-Wechselrichter
2. DC/DC-Steller mit MPP-Tracking für PV-Generator und Wechselrichter
3. DC/DC-Steller mit MPP-Tracking für PV-Generator, DC/DC-Steller für Batteriesystem und Wechselrichter
Hohe Wirkungsgrade sämtlicher Wandlerstufen
Trafolose Wechselrichter Bei Variante 2. nicht möglich, falls DC-Niedervolt
Kommunikationsschnittstelle
Anbindung an Energiemanagementsystem
Kopplung an Batteriesystem im Falle von Lithiumbatterien:
Lithiumbatteriesysteme besitzen immer ein integriertes Batteriemanagement
Internes Batteriemanagement der Wechselrichter/Laderegler muss abschaltbar sein
Backup-Funktionalität: In Deutschland „nice to have“, international bei schwachen Netzen von Bedeutung
System- und Netzintegration Anforderungen an die Leistungselektronik
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Haus-Energiemanagement:
Optimierung des Eigenverbrauchs
Kommunikation mit Batteriesystem (Lithium) und Leistungselektronik
Zeitlich hoch aufgelöste Erfassung der Energieflüsse
Eigenverbrauchsoptimierung führt zu einer zeitlichen Konzentration der PV-Einspeisung nicht aber zu einer Problemlösung für die hohe PV-Penetration der NS-Netze
Verteilnetzmanagement:
Z.B. Ansatz über flexible Tarife für die Einspeisung von PV-Strom
Nutzung der „Smart Metering“ Strukturen
System- und Netzintegration Anforderungen an das Energiemanagement
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Konventionelle Speicherung hat keinen Entlastungseffekt für das Stromnetz
Quelle: J. Mayer (BSW), C. Wittwer (ISE), Batteriespeicher: Ein sinnvolles Element der Energiewende. Berlin, Pressefrühstück 25.1.2013
System- und Netzintegration Betriebsführungsstrategien für PV-Heimspeicher
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Quelle: J. Mayer (BSW), C. Wittwer (ISE), Batteriespeicher: Ein sinnvolles Element der Energiewende. Berlin, Pressefrühstück 25.1.2013
Netzdienliche Betriebsführung durch reduzierte Einspeisespitze entlastet Stromnetz Reduzierung der Spitzen um bis zu 40 % ohne Ertragsverluste bis zu 66 % mehr PV-Leistung im Netzabschnitt möglich
System- und Netzintegration Betriebsführungsstrategien für PV-Heimspeicher
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Einflussmöglichkeiten Reduzierung der maximal erlaubten Einspeisung Z.B. KfW Förderprogramm: Maximale Leistungsabgabe am
Netzanschlusspunkt entspricht 60 % der installierten Photovoltaikanlagen-Leistung
Sollwert-Vorgabe vom Netz Laden- und Entladen nach Anforderungen des Netzes Aber: Batteriespeicher sind im Privatbesitz !!!
Lokale Steuerung über Aushandlung von Speicherkapazitäten / Flexibilitätsoptionen für einen definierten Zeitraum Technische Umsetzung sehr komplex
Anreizsystem Flexible Tarife für Einspeisung und Netzbezug Definition von „vernünftigen“ Zeitintervallen Konvergenz des
Strompreises …
System- und Netzintegration Betriebsführungsstrategien für PV-Heimspeicher
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Quelle: Tesla, 2017.
Ausblick: Integration der Elektromobilität Im Einfamilienhaus
Und in Tiefgaragen von Mehrfamilienhäusern ???
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Quelle: A. Schillaci, Siemens, ees Europe, 2017.
Ausblick: Integration der Elektromobilität Ladeinfrastruktur mit stationären Batteriespeichern
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Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Dr. Matthias Vetter www.ise.fraunhofer.de [email protected]
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !!!
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