17. März Abstract

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1 Abstract Prof. Dr. Andreas Heinzelmann Dozent für Elektrische Speichersysteme und Leistungselektronik an der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften «Batteriespeicher im Eigenheim» Batteriespeicher im Eigenheim gewinnen zunehmend an Bedeutung. Mit stetig sinkenden Batteriekosten findet die Technologie immer mehr Verbreitung und leistet einen Betrag zur Energiewende. Bei Photovoltaik-Speicher im Eigenheim sind grundlegende Fragen, wie beispielsweise die Speichergrösse und die Speichertechnologie, zu klären. Ein praxisrelevanter Vergleich von Batteriespeichern verschiedener Hersteller ist nicht ohne weiteres möglich. Die Vielzahl an Einflussgrössen und die messtechnisch aufwändige Erfassung erschweren den Vergleich. Im Vortrag wird ein Verfahren dargestellt, mit dem an der School of Engineering der ZHAW verschiedene Batteriespeicher untersucht und verglichen werden. Beispielsweise lassen sich Fragen nach der sinnvollen Speichergrösse, die zweckmässige Speichertechnologie, der Höhe des Systemwirkungsgrads sowie dem Langzeitverhalten hieraus ableiten. Zwischen den untersuchten Batteriespeichern gibt es deutliche Unterschiede.

2 Prof. Dr. Andreas Heinzelmann Dozent für Elektrische Speichersysteme und Leistungselektronik an der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften «Batteriespeicher im Eigenheim» Batteriespeicher im Eigenheim A. Heinzelmann 15. Energie-Gipfel im Kanton Aargau 17. März 2016 Quelle: Q Cells, Tesla Motors, Sonnen Batterie, SMA, Energy Depot 1

3 Übersicht Vorstellung der ZHAW / IEFE / Fachgruppe Batteriespeicher im Eigenheim Ausgangssituation Batteriespeichersystem Stromverbrauch Charakterisierung Hardware-in-the-Loop Model-in-the-Loop Ergebnis der Untersuchung Marktsituation 66 Übersicht Vorstellung der ZHAW / IEFE / Fachgruppe Batteriespeicher im Eigenheim Ausgangssituation Batteriespeichersystem Stromverbrauch Charakterisierung Hardware-in-the-Loop Model-in-the-Loop Ergebnis der Untersuchung Marktsituation 67 2

4 ZHAW - School of Engineering 68 ZHAW-IEFE Photovoltaics Grid Wind Energy Systems and Refrigeration Technology Renewable Energies IEFE Energy Efficiency Energy Storage and Grid Electric Storage Thermal Storage Thermal Pocess Fluid Engineering Model-based Processoptimization 69 3

5 Fachgruppe: Elektrische Speicher-systeme und Leistungselektronik Photovoltaics Grid Electric Storage Wind Energy Systems and Refrigeration Technology Renewable Energies Energy Storage and IEFE Grid Energy Efficiency Electric Storage Thermal Storage Thermal Pocess Fluid Engineering 70 Fachgruppe: Elektrische Speicher-systeme und Leistungselektronik Elektrische Speichersysteme und Leistungselektronik Zellen Systeme Anwendung Model-based Processoptimization Bauelement 71 4

6 Lärmarmes Elektro-Schulungsflugzeug Aufgabenstellung: Entwicklung eines Batteriekonzepts für ein Elektroflugzeug zur Pilotenausbildung Kenndaten: Cessna 172:1400 kg Motor-Performance: 230 kw, 38 kg Batteriegewicht: 230 kg Projektstand (Juni 2014): Konzeptstudie abgeschlossen Industriepartner: möchte nicht genannt werden Cessna C172 mit Elektroantrieb (Beyond Aviation, technologicvehicles.com) 72 Batteriesystem für Messdrohne Aufgabenstellung: Entwicklung eines Batteriesystems für die Messdrohne UMARS 2 Kenndaten: Intelligentes Batterie-Management System mit Logging-Funktion der einzelnen Zellen gewichtsoptimiertes Leichtbaumodul Flugdauer bis zu einer Stunde bei 37 V / 30 Ah = 1.1 kwh Schnellladefähige hochenergie Lithium-Polymer-Zellen UMARS 2 Prototyp (ZHAW IMES/ZAV) Projektstand (März 2014): Batteriesystem ausgeliefert Industriepartner: möchte nicht genannt werden Batteriesystem für UMARS

7 Smart Metering Datenanalyse Aufgabenstellung: Analyse und Vorhersage von Verbrauchsdaten Funktionsumfang: Erfassung von Verbrauchsdaten Messtechnik für die Datenerfassung Erfassung von Daten im Sekundentakt Zähler zeichnet Wirk-, Blindleistung, Strom und Spannung im Sekundentakt auf. Projektstand (Oktober 2015): abgeschlossen Industriepartner: möchte nicht genannt werden Aus den Gesamtverbrauchsdaten können einzelne Verbraucher identifiziert werden. 74 Verbrauchsanalyse in einer Grossküche Aufgabenstellung: Analyse von Verbrauchsdaten (Vorher-Nachher-Untersuchung) Kenngrössen und Funktionsumfang: 18/21 Stromzähler und 10/19 Wasserzähler Messtechnik für die Datenerfassung Erfassung von Daten im Sekundentakt Auswertung von Energieverbräuchen Projektstand (September 2015): Auswertung abgeschlossen Internet Industriepartner: SV Schweiz, Frima, ABB 75 6

8 Übersicht Vorstellung der ZHAW / IEFE / Fachgruppe Batteriespeicher im Eigenheim Ausgangssituation Batteriespeichersystem Stromverbrauch Charakterisierung Hardware-in-the-Loop Model-in-the-Loop Ergebnis der Untersuchung Marktsituation 76 Ausgangssituation Energieerzeugung Energieverbrauch W

9 Ausgangssituation - Netzbezugsanteil am Beispiel 4 Personen-Haushalt mit 5 kwp - PV Anlage + Batteriespeicher PV-Eigenverbrauch Hintergrund, Anwendung, Optimierung Netzstrombezug/Verbrauch PV-Stromerzeugung/Netzeinspeisung PV-Stromerzeugung/Eigenverbrauch Batterieladung mit PV-Energie Batterieentladung 78 Ausgangssituation Phasen in der Speichereinführung PV-Anlagen und Speicher Jahresbedarfsdeckung saisonale Bedarfsdeckung Tagesbedarfsdeckung Speicher für Peak Shifting PV-Anlagen mit schaltbaren Verbrauchern PV-Anlagen und Netzeinspeisung 79 8

10 Ausgangssituation - Aufbau eines PV-Heimspeicher-Systems PV-Anlage Wechselrichter Energiemanagement Netzbezugs- und Einspeisezähler Verbraucher Quelle: SMA SMA SMART Home Die Systemlösung für mehr Unabhängigkeit Batteriespeicher Batterie- Management-System mit Wechselrichter und Laderegler 80 Ausgangssituation - Auslegung Welche Speichergrösse ist sinnvoll? 1 Jahresstromverbrauch = 5000 kwh/a PV-Anlagengrösse = 5000 Wp nutzbare Batteriekapazität = 0 Wh Jahresstromverbrauch = 6000 kwh/a PV-Anlagengrösse = Wp nutzb. Batteriekapazität = 3000 Wh Quelle: SMA Sunny PRO Club Regional-Forum Intelligentes Energiemanagement 81 9

11 Ausgangssituation - Auslegung Welche Batterie ist zweckmässig? Wie gross ist der Systemwirkungsgrad? Wie sieht das Langzeitverhalten von Speichern aus? Wie gut sind die Auslegekriterien? Wie gut sind die Speichersysteme in der Praxis? 82 Batteriespeichersystem Verbraucher PV-Module Stromnetz Wechselrichter mit Speicher Stromzähler 83 10

12 Stromverbrauchsmessung Erfassung des Stromverbrauchs Hochauflösende Langzeitmessung Unterschiedliche Konfigurationen Teilnehmer Personen PV kw kw Wärmepumpe Brauchwasser Heizung Boiler kw Wohnung MFH EFH MFH EFH Stromzähler Stromverbrauchsmessung P in W Messdatum

13 Charakterisierung des Batteriespeichersystems Wechselrichter mit Speicher PV-Simulator Stromnetz Stromzähler messtechnische Erfassung der Wirkungsgradkennlinien Analyse der PV-Speicherstrategie Modell des PV-Speichersystems 86 Charakterisierung des PV-Heimspeicher-Systems PV-Simulatoren und elektrische Lasten im REE-Lab 87 12

14 Charakterisierung des PV-Heimspeicher-Systems Batteriespeicher im Einsatz 88 «Hardware-in-the-Loop» PV-Module Verbraucher Modifizierter PV-Speicher Batterieverhalten M Stromnetz 89 13

15 «Hardware-in-the-Loop» Das Modell wird verifiziert. Die Betriebszustände werden durch das zeitliche Verhalten des elektrischen Speichers stark beeinflusst ( lange Simulationszeiten). Der Speicher verändert das Systemverhalten während der Betriebszeit (Verschleiss). Die Hardware-in-the-Loop-Prüfung ist nur bedingt für Untersuchungen geeignet. 90 Untersuchung von Speicherzellen Langzeitverhalten der elektrischen Speicher: Untersuchung von drei verschiedenen Zellen mit gleichen Kenndaten an realen Lastkurven signifikante Unterschiede der einzelnen Zellen im Langzeitverhalten grosse Unterschiede zwischen der realen Lastkurven und Standardherstellerangaben ZHAW raee 91 14

16 «Model-in-the-Loop» PV-Module Modell- Simulation Modellierter PV-Speicher Verbraucher M Stromnetz 92 «Model-in-the-Loop» Verschiedene Szenarien und Konfigurationen können in kürzester Zeit untersucht werden. Für spezielle Verbrauchsdaten kann eine optimale Konfiguration berechnet werden. Die Auswirkungen von Veränderungen im Verbraucherverhalten lassen sich durch die Simulation vorhersagen. Die Model-in-the-Loop-Simulation eröffnet eine Vielzahl von neuen Möglichkeiten

17 Ergebnis der Untersuchung - Wirkungsgradkennlinien Unterschiedliche PV-Heimspeicher-Systeme Batterie - Netz ohne Batterie PV - Batterie - Laden Electro Suisse Bulletin 3 / 2016: PV-Batteriespeicher im Test 94 Ergebnis der Untersuchungen Zwischen den einzelnen Geräten sind signifikante Unterschiede vorhanden. Eine genaue Angabe der Eigenverbrauchsquote ist nur mit einer genauen Erfassung des Verbrauchsprofils möglich. Der Gesamtwirkungsgrad nimmt kontinuierlich zu. Die Energiedichte, das Langzeitverhalten und die Speicherkosten entwickeln sich moderat

18 Marktsituation Situation: Batteriespeichersysteme sind von mehr als 50 Anbieter mit mehr als 280 Produkten auf dem Markt Vielzahl von Firmen (PV-Umrichterhersteller, Batteriehersteller, USV-Hersteller, Automobilhersteller, Startup usw.) Überkapazität vorhanden Marktbereinigung 96 Kontakt ZHAW IEFE Institut für Energiesysteme und Fluid-Engineering Prof. Dr.-Ing. A. Heinzelmann Technikumstrasse Winterthur andreas.heinzelmann@zhaw.ch Tel: