Solar-Stromspeicher - Forschung am BFH-CSEM Energy Storage Research Center (ESReC)

Transkript

1 Solar-Stromspeicher - Forschung am BFH-CSEM Energy Storage Research Center (ESReC) Prof. Dr. Andrea Vezzini 13. Nationale Photovoltaik-Tagung März 2015

2 BFH-CSEM Energy Storage Center Ein unabhängiges, akademisches Energiespeicherforschungszentrum für die Schweiz im Dienste von Wissenschaft und Industrie Testen und Charakterisieren von elektrochemischen Energiespeichersystemen Batterie- und Energie- Management-Systeme Fertigungstechnologien für grossformatige Batteriezellen Integration von Energiespeichern in PV- Systeme Management und Integration von Brennstoffzellensystemen Netzqualitätsmessungen und Simulation von Netzen mit dezentraler Energiespeicherung 2

3 Aktiv in drei nationalen Forschungsnetzwerken SWISS COMPETENCE CENTER FOR ENERGY RESEARCH (SCCER) FUTURE SWISS ELECTRICAL INFRASTRUCTURE SCCER FURIES EFFICIENT TECHNOLOGIES AND SYSTEMS FOR MOBILITY SCCER MOBILITY HEAT AND ELECTRICITY STORAGE SCCER STORAGE 3

4 Warum Zell- und Modultests Batteriesicherheit beginnt mit der Auswahl der richtigen Zellen und deren Implementierung als Grundlage für ein sicheres System 4

5 Sicherheit von Batteriesystemen Ein unsicherer Zustand ist dann gegeben, wenn Gefahren (z. B. mechanisch, chemisch, thermisch elektrisch) für Personen oder Sachen bestehen können. Eigensichere Batteriespeichersysteme, Batterien oder Wechselrichter sind dadurch gekennzeichnet, dass im Einfehlerfall kein unsicherer Zustand auftreten kann. Dies beinhaltet Fehler, die sowohl von aussen als auch durch Fehler im System bei bestimmungsgemässer oder vorhersehbarer Verwendung (z. B. interner Kurzschluss, Ausfall einer Elektronikkomponente) verursacht werden können. Systeme müssen sicher konzipiert und Normen eingehalten werden (z.b. IEC für die funktionale Sicherheit) 5

6 Unterschiedliche Alterung von Batteriesystemen Messen der unterschiedlichen Alterung (Kapazitätsverlust) zwischen den Zellen eines 10S5P Paketes Herleiten des Potential eines aktiven Ladungsausgleichs zwischen den einzelnen Zellen (active balancing) Testreihe mit verschieden alten Batterien eines E-Bike- Herstellers mit Passive Balancing System und Zyklenzähler 6

7 Herleiten des Kapazitätsunterschieds Extrapolierte Entladekurven nach dem Abschalten des BMS um die Restkapazität zu bestimmen Berechnete Restkapazität der einzelnen Zellen und prozentualer Mittelwert = Potenzial bei vollständiger Entladung mit active balancing 7

8 Alterung von Modulen Gemittelter Kapazitätsunterschied über alle Zellen bei unterschiedlich alten Batterien mit 2C Entladerate. Gemittelter Kapazitätsunterschied über alle Zellen bei unterschiedlich alten Batterien mit 0.5 und 1C Entladerate. 8

9 Lebensdauer eines 24V Batteriesystems Lebensdauertests mit 24V120Ah Batterie bei 60A Ladung/Entladung mit 100% DoD Kompletes Energiesystem basierend auf 8 Zellen und Batteriemanagement Lade- und Entladeüberwachung mittels Batteriemanagement inklusive Ergebnisse der Zellenausgleichs- und Referenzladung 9

10 Energiemanagement PV und Batteriespeicher führen zu einem extrem flexiblen Konsumentenverhalten (Prosumer) mit dem Ziel der ökonomischen Maximierung 10

11 Was kann mit Stromspeichern erreicht werden? Nutzerorientierte Funktionen Verschieben der ungenutzten PV- Erzeugung in die Abendstunden Erhöhung des Eigenverbrauchs Reduktion des Strombezugs vom Netz Kostenvorteile in Nutzungsphase Netzdienliche Funktionen Glättung der Netzlast Vermeidung von Überspeisung des Mittelspannungsnetzes Spannungshaltung Erhöhung der Netzverträglichkeit von PV Quelle: Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Geba uden Lukas Quurck 11

12 TEPCO (non-summer) Time of Use (TOU) Tarif Seit Juni 2013 hat TEPCO verschiedene Time of Use und Contract Ampere Tarifvarianten eingeführt Während der Tarif bei TOU um einen Faktor 3 über den Tag variiert, stellt bei Contract Ampere ein Leistungsrelais sicher, dass beim Überschreiten der Anschlussleistung der Verbraucher getrennt wird («planned Blackout») 12

13 Prosumer-Lab: Energiemanageroptimierung Daten, Plattform WP Klima Batt emob Haus Netz Gateway Simulation, Modelle 3-phasen 4-Quadranten Last (Oberschwingungsfähig) (PQ-) Messung Emulations- und Hardware- Infrastruktur (AC-Netz,50kVA) PV Hardware (DUT) Netz Modulare Umgebung, zur (Funktions-) Entwicklung und Prüfung im Umfeld Energiemanagement: (PV, Wärmepumpe, Klimatisierung, Gebäudehülle, Boiler, Batterie, emobilität, Gateway/Controller, Verteilnetz). Die Module können alle entweder als Hardware und oder Simulationsmodell integriert werden Seite 13

14 E-Mobility PV und E-Mobility bieten Möglichkeiten für weitere Geschäftsmodelle und zur besseren Integration neuer erneuerbarer Energien 14

15 Wiederverwendung gebrauchter Hochvoltspeicher (Second Life) - Anwendungsbeispiele In Second Life Pilotprojekten in den USA, Deutschland und China werden die Lithium-Ionen- Batterien der BMW i Fahrzeuge nach ihrem Einsatz als stationäre Energiespeicher weiter genutzt. Untersucht wird die Nutzung als Pufferbatterie oder als Grossspeicher für die Primärleistungsregelung. 15

16 Puffer-Batterie für Schnellladestationen 92kWhr / 250kW stationäre Puffer-Batterie für eine Schnellladestation (ultra fast charging) für Elektrofahrzeuge Laden in 5 Minuten (bei entsprechender Fahrzeugbatterie) 240 Cells (3.2V/120Ahr) Entwicklung aller Komponenten (elektrisch, mechanisch, thermisch) durch die BFH Project finanziert durch SCCER/SER in Kooperation mit EPFL, ETHZ, EMPA und BFH Einsatz im Mobility Demonstrator der EMPA ab

17 Second-Life Anwendungen von Automobilbatterien Batterie eines Renault Fluence ZE mit einem Energieinhalt von 25kWh (3998V / 65Ah) Bei der Wiederverwendung von Automobilbatterien angewendete Umbauverfahre Frage: Wie verhält sich Batterie nach Erreichen der technischen Altersgrenze 17

18 Fazit Das BFH-CSEM Energy Storage Research Center betreibt Forschung und Entwicklung für die Integration dezentraler Stromproduktion aus erneuerbaren Energieträgern in Stromnetze und für die Substitution fossiler Treibstoffe im Verkehr. Zielmärkte für das BFH-CSEM Energy Storage Research Center sind alle Teilnehmer im elektrischen Stromnetz und im öffentlichen und individuellen Verkehr sowie in neuen Geschäftsfeldern an der Schnittstelle der beiden Gebiete. Handlungsbedarf besteht bei der Prüfung und Entwicklung von PV- Speichersystemen in Bezug auf Sicherheit, Energiemanagement und Lebensdauer Weitere Forschungsbereiche entstehen an der Schnittstelle von E-Mobilität und Elektrizitätsversorgung, insbesondere im Bereich Infrastruktur. 18

19 Herzlichen Dank! Prof. Dr. Andrea Vezzini Fragen: Berner Institut Fachhochschule für Energie- und Haute Mobilitätsforschung école spécialisée BFH bernoise TI Bern University of Applied Sciences