Der Nutzen von Energiespeichern im Smart Grid

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1 Der Nutzen von Energiespeichern im Smart Grid Mehrwert von großformatigen Batterien am Beispiel des Pellworm Forschungsprojekts Hannover Messe Smart GridForum 10. April 2014

2 Agenda Li-Ionen Technologie für Energiespeichersysteme Speicherlösungen für die Energie-Wertschöpfungskette Einsatzfelder / Geschäftsmodelle / Betriebserfahrung > Verbesserte Netzintegration von Solar-& Wind-Farmenergie > Energiespeichersysteme für Privathäuser und kleine Unternehmen Forschungsprojekt Pellworm Zusammenfassung 2

3 Saft Lithium-Ionen Technologie für Energiespeichersysteme 3

4 Saft Lithium-Ionen in wichtigen industriellen Märkten Luftfahrt Speicherung erneuerbarer Energien & Smart Grids Raumfahrt Telekommunikation Verteidigung Stationäre Industrie Mobilität & Spezialfahrzeuge 44

5 Saft Li-ion Technologie für Energiespeichersysteme Eine Produktreihe von großen Li-ion Zellen & Elektrochemien > (+)NCA oder LiFePO 4 oder NMC / (-) Carbon > Sehr hohe Effizienz: 95% > Produkterfahrung: 12 Jahre Feldeinsatz > Lange Kalender- und Zyklenlebensdauer: 20 Jahre bei 60% DoD* / Tag > Ladezustandserfassung > Hohe Flexibilität im Betrieb Zellen, Modul und Batteriebaureihen *) DoD depth of discharge Industrielle Fähigkeiten und Erfahrungen > Zellen- und Systemtechnologie > Klein- und Großserienfertigung > Systemintegration (Lösungen für: MOBILITY RAILWAY DEFENSE ) 5

6 Von der Zelle zu den Batteriesystemen VL Zellen: Energie bis Leistung Synerion Modulreihe 24 oder 48V und 2 bis 12kW Batteriesysteme: Intensium Home Intensium Smart Intensium Max 6

7 Saft Angebotsspektrum Batteriesystem, inklusive > Batteriemanagement > Temperaturmanagement > Sicherheitsmanagement Bi-direktionaler Wechselrichter > Inklusive Leistungsmanagement Service > Installation, Inbetriebnahme, Wartung Design, Entwicklung, Qualifikation 7

8 Die Energie-Wertschöpfungskette 8

9 9 Speicherlösungen für jeden Teil der Wertschöpfungskette Erzeugung Übertragung Verteilung Verbrauch Energiespeicherung Integration Erneuerbarer Energien Verstetigung, Glättung Netzdienstleistungen Frequenzregelung Lastmanagement Spitzenglättung, Spannungsregelung Zeitverschiebung, Lokales Energiemanagement 1 10 MW MW 100 kw 1 MW 5 50 kw Energie & Leistung Hochleistung Energie & Leistung Energie 9

10 Speicherung bei großen Erzeugungsleistungen Verbesserte Netzintegration von Solar-& Wind-Farmenergie 10

11 Erneuerbare Energieerzeugung in großen Farmen Einflussfaktoren / Trends > Hohe Volatilität der erneuerbaren Erzeugung führt zu Integrationsproblemen > Keine Ersatzleistung für Primärreserve vorhanden > Verschärfung der Netzbetriebsvorschriften Begründung > Überwindung technischen Einschränkungen bei der Integration Erneuerbarer: Glättung und Einspeisung der erzeugten Energie in einem vorhergesagten Fenster Zurverfügungstellung von Primärreserveleitung > Zusätzliche Einnahmen durch Netzdienstleitungen > Vermeidung von Einnahmeausfällen (Reduzierung oder Abschaltung) > Vermeidung einer zusätzlichen Ausgleichsleistung 11

12 Unterstützung von PV-Parks: Glättung 12 Kompensation kurzer Leistungswechsel z. B. aufgrund von Wolken Source: Aerowatt Bis zu 1MW pro installiertem MWp PV Zeitverläufe von Sec bis Stunden Kombiniert mit Netzdienstleistungen Glättung Belässt Produktion innerhalb eines Vorhersage-Fensters: +/-15% Hält Leistung aufrecht bis alternative Erzeugung am Netz ist: 30 min Primärreserve-Leistung Spitzenglättung 10%, 15min <1sec Antwortzeit 2 3 h 12

13 Unterstützung von PV-Parks: Formung Gibt der eingespeisten Leistung eine besser planbare Rechteck- oder Trapezform Injected Power 13

14 Batterieauslegung für Glättung oder Formung Glättung und Primärreserve-Leistung 0,8 MWh installierte Batteriekapazität per MWp 20% der erzeugten PV-Energie wird gespeichert Batterie arbeitet bei durchschnittlich 60% SOC, mit 10% - 80% Zyklentiefen Jahre Betriebslebensdauer AC/AC Effizienz: 80 85% (der gespeicherten Energie) Batterie-Verfügbarkeit 97% Formung: Systemleistung limitiert auf 40% Pmax 1,5 MWh installierte Batteriekapazität per MWp Standort-Optimum: Speichergröße / Erzeugungsverluste 1 Zyklus / Tag mit 85% DOD (max.) 10 Jahre Betriebslebensdauer 14

15 Installierte Energiespeicher Lithium-Ionen Technology, nur Container 15

16 Projektbeispiel: ILIS ProjeKt (Tudela, Spain) In partnership with: Innovatives Li-Ion Energiemanagementsystem für MW Solar-parks Besteht aus einem 1,2MW Solar-Park und Batteriecontainer IM20M (560 kwh -1,1 MW) Erstes Europäisches PV + Batterie MW-System angebunden an das Festlandnetz 4 Betriebsmodi (Blindleitungssteuerung, Steuerung der Leistungsrampen, Frequenz- und Spannungsregelung) Acciona Energiemanagement -liefert Netzdienstleistungen für verschiedene Netztypen, basierend auf PV-Erzeugungsvorhersage, Wetterdaten und Energiepreisschätzungen Operational March

17 Hawaii Renewable Energy System Projekt Kunde: HELCO, Hawaii Electricity Company Installiert im Mai 2012 Kalkulierte Betriebsdauer > 15 Jahre Komplettsystem: 2 IM20 E ( jeweils 240kWh) mit integrierter Leistungselektronik Anwendung: PV-Erzeugung - Glättung der Einspeiseleistung Minimierung von Einspeisereduzierung/-ausfällen Hilfsdienste: Rotierende Reserve Operational July

18 California Utility 3 Intensium Max 20E (1.8 MWh) verschaltet mit einer 500kW Leistungselektronik Anwendungen: Frequenzregelung Glättung und Verschiebung der Erzeugung Operational June

19 STORE Projekt Kunde: ENDESA, Spanischer Verteilnetzbetreiber Kanarische Inseln, Spanien Großformatiges Speichersystem: 3MWh / 1MW PCS: Ingeteam (3 DC/DC 300kW + 1 DC/AC 1MW) Anwendung: Reduzierung von Leistungsspitzen Minimierung der Nutzung von Dieselgeneratoren Wind & PV Rampensteuerung Frequenz- und Spannungsregelung Operational March

20 Speicherung & verteilte Erzeugung Energiespeichersysteme für Privathäuser und kleine Unternehmen 20

21 Der Mehrwert der häuslichen Speicherung Haushalt: Maximierung des Eigenverbrauchs Unabhängiger bei Energiekostenerhöhung Sicherheit gegen Stromausfälle Netzbetreiber: Reduziert Erzeugungs- /Verbrauchsspitzen Bietet Netzdienstleistungen Gesellschaft: Reduzierung der CO 2 Emissionen Erhöhung der umweltfreundlichen Energieerzeugung 21

22 Sol-ion Forschungsprojekt Häusliches Energiespeichersystem > Zeitliche Verschiebung von PV-Energie in Zeiten höchster Wertschöpfung > Unabhängiger von Energiekosten durch erhöhten Eigenverbrauch > Versorgung kritischer Verbraucher bei Netzausfall Integriertes Energiespeichersystem > Umwandlung, Speicherung & Management der PV-Energie > 75 Systeme im Feldtest in Deutschland und Frankreich ( ) Nachfrageorientiertes Energiemanagement EMS Converter 5 kw Stringinverter Battery > Steuerung von Speicherung und Verbrauch über intelligente Zähler > Kann in ein zukünftiges Smart-Grid integriert werden => Sol-ion + Projekt 22

23 Kommerziell verfügbare Systeme für 23den PV Eigenverbrauch mit 4 bis 13,2 kwh Speicherkapazität Komplettsysteme mit Wechselrichter und Speicher Separate Wechselrichter und Speicher Sunny Backup PowerRouter XW VS 5 Hybrid E³ Tower Sonnenspeicher Synerion Speichersystem 23

24 Beurteilung der Wirtschaftlichkeit: Inwiefern lohnt sich Eigenverbrauch mit Speicher? cent pro kwh EEG Vergütung Beispiel: 5,5 kwp Anlage; Aufdach Südausrichtung; Spezifischer Ertrag 950kWh/kWp; Inbetriebnahmedatum: Oktober/ % p.a. der Stromkosten Vergleich über 20Jahre: - 100% Einspeisung: Einkommen ,33 ct % p.a. 26,0 ct -25% p.a Strombezugskosten Schereneffekt: > Monatliche Senkung der garantierten EEG Vergütung > Regelmäßige Erhöhung der Stromkosten Wirtschaftlichkeitsberechnung > Nur auf Grundlage von Kosten und Strompreisen > Stand heute: Speicher sind (noch) nicht rentabel > Zukünftig: Je nach Entwicklung der Stromkosten und der PV- und Speicherkosten positive Rendite möglich Aber: Viele Rentabilitätsberechnungen sind unseriös. > Einbeziehung zusätzlicher Mehrwerte wie USV- Funktionalität > Stand heute: Speicher sind bereits heute rentabel > Zukünftig: Erhöhung der Rentabilität Marktanreizprogram für Speicher: > Bis zu 3000EUR Zuschuss - Eigenverbrauch: Einkommen von Einspeisung + gesparte Stromkosten Seite 24

25 Gefördert durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit

26 Project Consortium Project Focus E.ON E.ON Hanse AG E.ON New Build & Technology Fachhochschule Westküste Fraunhofer Gesellschaft Fraunhofer IOSB-AST Fraunhofer UMSICHT Gustav Klein GmbH & Co.KG RWTH Aachen University Saft BatterienGmbH - Project lead & management, operation - System concept & Business models - Redox-Flow Battery - Technology acceptance, transparency & customer behaviour - Consultancy for technical integration - Energy management system - Grid modelling & calculation - Thermal modelling - Power Electronics for Li-Ion Battery - Transferability / Business Models - Scientific evaluation -Li-Ion Battery 26

27 The Island Pellworm Geographic Area: 37,44 km² Inhabitants: > 1000 Households: > 600 District: Nordfriesland Community: Pellworm Economy: Tourism, Agriculture, Renewables Utility s Perspective Grid connection: 2 sea cables (20kV) Substations: > 50 (20kV / 400V) Consumption: Generation: > 7 GWh/a > 22 GWh/a Highly distributed energy system with more than 100 decentral generators E.ON Hybrid Power Plant 300 kw Wind, 780 kwp Photovoltaics Belongs to E.ON Hanse Wärme GmbH First PV installation in

28 Pellworm's Energy System Installed Power Total > 9 MW Generation Total > 22 GWh/a Consumption Total > 7 GWh/a 0.53 MW 0.05 MW 19.8% 0.15% Special 21.2% Residential 46.3% 2.74 MW MW 11.6% 68.5% Storage Heaters 11.5% Agriculture 1.7% Commercial 16.7% Heat Pumps 2.5% Wind Photovoltaics Biogas-CHP Oil-CHP 28

29 Grid integration of storage portfolio Scada System Li-Ion Battery + 1 MW Converter Biogas BHKW 400V-Grid 400V-Grid (optional) Night storage heater (NSH) NSH Energy Management System (EMS) 29

30 System concept of the Smart Region Project extension Residential batteries 80kW, 80kWh 30

31 Decentralized Hybrid Storage System concept P Out [MW] Minutes- to-hours - storage Hours -storage Hours-to-days -storage W [MWh] Hours -storage Minutes- to-hours - storage P In [MW] 31

32 Li-Ion Battery as minutes-to-hours -storage P Out [MW] 1,3 Li-Ion 2C 0,56 Li-Ion Battery 0,2-0,2-0,6-1,2 Li-Ion Battery Vanadium-Redox-Flow Battery Night storage heaters Li-Ion 2C Heat pumps 1,6 W [MWh] Main properties Continuous charging power 560 kw Continuous discharging power 1,1 MW Modular design of battery: Energy Capacity -1 battery unit 560 has kwh 56kWh and AC-AC-roundtrip efficiency consists of 29 ~85% modules - One container consists Cycle-life time 4500 (@80% DoD) of 10 units Calendar life time 20a P In [MW] Dimensions 6m x 2,4m x 2,9m 32

33 Project Timeline Project Start Basic Engineering Completion of Basic Engineering Business Models Detailed Engineering Development System Management Procurement/Construction Installation Completion of Installation Commissioning Completion of Commissioning Demonstration Phase Decommissioning Project Completion I II III IV I II III IV I II III IV I II III IV 33

34 Offizielle Inbetriebnahme am 9. September 2013 Der Nutzen von Energiespeichern im Smart Grid - Hannover Messe Smart Grid Forum Saft Copyright 34 34

35 Current project status Demonstration Commissioning Q IV/ 2013 Test of base functionalities Setting values and commands for batteries, ESH and DHS Validation of parameters First simple case: Peak shaving hybrid power plant Phase 1 Q I-II / 2014 Test of partial aspects of the operational phase Partially use of optimization models Taking into account heat demand during winter periods Phase 2 Q III-IV / 2014 Test of single operation strategies (OS1, OS2, OS3) Test of multifunctional operation strategy (OS4) Taking into account heat demands and seasons Complex tests and longer test periods 35

36 The operational strategies comprise market, grid and local supply oriented storage and RES operation Operational strategies Description Market player OM 1: Direct marketing of Renewables Joint operation of fluctuating Renewablesand storage systems at different markets: Day-ahead and Intraday market Reserve power markets RES operator VPP operator OM 2: Local grid services OM 3: Sustainable regional supply Primary goal is the grid integration of Renewables and a support of distribution grid operation Prevention of curtailment, voltage support and loss reduction are considered as applications Direct supply of local customers with energy from regional renewable generation units Storage systems are operated to balance generation and demand locally Distribution System Operator Sales of power company RES operator VPP operator OM 4: Multifunctional operation RES = Renewable Energy Sources, VPP = Virtual Power Plant Combination of direct regional supply and market transactions Operation is additionally grid compatible aiming to reduce curtailment Sales of power company RES operator VPP operator 36

37 Multi-criteria evaluation map for Hybrid power plant and batteries Key findings OS1:Market oriented operational strategy with spot and reserve market participation scores best in the economical dimension (revenues) OS2:Grid focused operational strategy sets benchmark in curtailment and loss savings OS3:Isolated consideration of local load supply is a dominated and thus unattractive operation OS4:Multifunctional operation provides the best trade-off solution among the three objectives Achievable revenues are still significantly reduced in OS4 Environment Market 100% 80% 60% 40% 20% 0% OS1 OS2 OS3 OS4 Grid 37

38 Zusammenfassung Hochleistungsfähige Li-Ion Batteriesysteme bieten: Mehrwerte an den verschiedensten Stellen der Energiewertschöpfungskette Abdeckung verschiedener Funktionen und Dienstleistungen durch nur eine installierte Batterie Integrierbarkeit zu größeren Einheiten möglich Wir befinden uns in einer frühen Phase erfolgreiche Erstinstallationen werden Praxiserfahrung und damit den Durchbruch bringen! 38

39 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Welche Fragen haben Sie?