Stromspeicherung im Gebäude

Transkript

1 Stromspeicherung im Gebäude A. Heinzelmann ERFA Vorgehensberatung 2015 Quelle: Tesla Motors, Sonnen Batterie, SMA, Energy Depot

2 Übersicht Vorstellung der ZHAW / IEFE / Fachgruppe Stromspeicherung im Wohnhaus (Home-Speicher) Batteriespeicherung / Speichertechnologien Ökobilanz der Batterie PV-Home-Speicher-Anlage / Smart Home Trends Zusammenfassung 2

4 ZHAW - School of Engineering 4

5 ZHAW-IEFE Photovoltaics Grid Wind Energy Systems and Refrigeration Technology Renewable Energies IEFE Energy Storage and Grid Energy Efficiency Electric Storage Thermal Storage Thermal Pocess Fluid Engineering Model-based Processoptimization 5

6 Fachgruppe: Elektrische Speichersysteme und Leistungselektronik Photovoltaics Grid Electric Storage Wind Energy Systems and Refrigeration Technology Renewable Energies IEFE Energy Storage and Grid Energy Efficiency Electric Storage Thermal Storage Thermal Pocess Fluid Engineering Model-based Process- optimization 6

7 Fachgruppe: Elektrische Speichersysteme und Leistungselektronik Elektrische Speichersysteme und Leistungselektronik Zellen Systeme Anwendung Bauelement 7

8 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) 8

9 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 2 9

10 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 (März 2014): Bearbeitung Industriepartner: möchte nicht genannt werden Aus den Gesamtverbrauchsdaten können einzelne Verbraucher identifiziert werden. 10

11 Load Monitoring Fragestellung: Genaue Kenntnisse des Energiebedarfs ermöglichen eine Optimierung Modellierung des Energiebedarfs und Erstellung von Verhaltensmodellen Schritte Erfassung des Gesamtstromverbrauchs und algorithmische Ermittlung von Verbrauchern Ableitung von Aktivitäten Erkennung von Gefahrensituationen für Personengruppen Ü65 Projektstand (Mai 2015): Konzept erstellt und Prinzipmessungen durchgeführt

12 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 (Juni 2015): Auswertung läuft Internet Industriepartner: möchte nicht genannt werden 12

13 Verbrauchsanalyse in einer Grossküche Erkenntnisse: Einsparung bis zu 40% des Energieverbrauchs durch Modernisierung bis zu 20 % des Energieverbrauchs kann durch den Nutzer beeinflusst werden Neue Funktionen und Abläufe reduzieren die Einsparung Internet 13

15 Ausgangssituation Energieerzeugung Energieverbrauch W

16 Typischer Haushalt-Stromverbrauch Nutzerverhalten (+10%) Intelligente Steuerung ( %) Leistungsvariable Heizung und Warmwasseraufbetreitung Gesteuerte Kühlleistung Quelle: Bulletin SEV/AES 19/2007 Speicher

17 Aufbau einer PV-Home-Speicher-Anlage 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 17

18 Netzbezugsanteil am Beispiel 4 Personen-Haushalt mit 5 kwp - PV - Anlage PV-Eigenverbrauch Hintergrund, Anwendung, Optimierung Netzstrombezug/Verbrauch PV-Stromerzeugung/Netzeinspeisung PV-Stromerzeugung/Eigenverbrauch 18

19 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 19

20 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 20

22 Kostenbeispiele eines PV-Speichers Kennzahlen IBC SolStore Batteriespeicher 8.0 Pb IBC SolStore Batteriespeicher 5.0 Li Technologie Blei-Gel Lithium-Ionen Nennkapazität in kw Entladetiefe (DoD) 50% 90% Nutzbare Speicherkapazität in kwh Max. Entladeleistung in kw Anzahl Vollzyklen kalendarische Lebensdauer in Jahre Kosten (ohne Installation) in CHF ~ ~ Kosten pro kwh in CHF ~1 200 ~2 800 Quelle:

23 Vergleich der Energiedichte Blei NiCd NiMH Li-Ionen LiPo Nennspannung [V] / /3.7 Vol. Energiedichte [Wh/l] Grav. Energiedichte [Wh/kg] Entladeleistung [C] monat. Selbstentladung [%] < 1 < 1 Lebensdauer [Zyklen] ~500 Ladewirkungsgrad [%] Batteriekosten pro kwh [$] Life Cycle Kosten pro kwh [$/kwh] Quelle: Stand Aug EuroBat

24 Vergleich der Energiedichte Quelle: Stand Aug

25 Eigenschaften Lithium-Akkus HOPPECKE Li-Ion Modulkonzept Vor-/Nachteile versch. Li-Ion Zelltechnologien (Cluzel, Douglas; 2012) Optimal für Gebäudeanwendung 25

26 Eigenschaften Lithium-Akkus Optimaler Betrieb bei 20 C HOPPECKE Li-Ion Modulkonzept 26

27 Eigenschaften Lithium-Akkus Therm. Verhalten von Li-Ion Zellen bei hohen Temp. (Doughty, Pesaran; NREL 2012) Source: E. P. Roth, D. H. Doughty, Proceedings of AABC May 2006, Baltimore, MD. Wikimedia: Lithium-Ionen-Batterie der JAL Boeing

28 Batteriemarkt Entwicklungen im weltweiten Batteriebereich PILLOT -- The worldwide Battery 28

29 Batteriemarkt Li-ion Batterie Verkauf Li-ion Batterie Prognose (o.a.) PILLOT -- The worldwide Battery 29

30 Batteriemarkt Âus Nationale Plattform Elektromobilität Fortschrittsbericht 2014 Bilanz der Marktvorbereitung 30

32 Energetische Grundbegriffe 1 Erntefaktor: ε = E R E I = nutzbare Energie investierte Energie Energetische Amortisationszeit T a = T a = E fix P P I fester Energieaufwand Nettoleistung variabler Energieaufwand Zeitdauer bis: kumulierte Energieaufwand = genutzte Energie 32

33 Energetische Grundbegriffe 2 Primärenergetisch bewertete Erntefaktor / energetische Amortisationszeit Die genutzte Energie E ist in diejenige Primärenergie umgerechnet, die ein hypothetisches Kraftwerk zur Bereitstellung der gleichen Energie benötigen würde. 33

34 Energetischer Vergleich Typ Erntefaktor Amortisationszeit Primärenergiebewerteter Erntefaktor Primärenergie bewertete Amortisationszeit Kernkraftwerk M T Kohlekraftwerk M T Gaskraftwerk T T Laufwasserkraftwerk 50 1 J M Solarthermie J 62 4 M Windenergie J M Photovoltaik J J Quelle: D. Weißbach et al. (2013): Energy intensities, EROIs (energy returned on invested), and energy payback times of electricity generating power plants. Energy, Band 52, S. 210 ff. doi: /j.energy E. Pick, Hermann-Josef Wagner: Beitrag zum kumulierten Energieaufwand ausgewählter Windenergiekonverter. Arbeitsbericht des Instituts für ökologisch verträgliche Energiewirtschaft, Universität Essen, Mehr Windkraft an Land rückt Ökologie ins Blickfeld. In: vdi Nachrichten. 2. September Abgerufen am 17. September Enercon Windblatt 4/2011. Internetseite von Enercon. Abgerufen am 10. Januar Rodoula Tryfonidou, Hermann-Josef Wagner: Offshore-Windkraft Technikauswahl und aggregierte Ergebnisdarstellung. Lehrstuhl für Energiesysteme und Energiewirtschaft, Ruhr-Universität, Bochum Mariska de Wild-Scholten: Environmental profile of PV mass production: globalization

35 Erntefaktoren unterschiedlicher Systeme Energieintensität % = E I E R = Quelle: Heller, P.: Die Energiewende und der energetische Erntefaktor in science-skeptical.de Stand (2011) investierte Energie nutzbare Energie 35

36 Energiebilanz Batteriespeicher Die Stanford-Studie von M. Carbajales-Dale zeigen: Erst wenn die Batterien bis Lade- und Entladezyklen aushalten, wird die Energiebilanz positiv (Lithium-Ionen-Akkus ca Zyklen, Bleibatterien ca. 700 Zyklen). Bei Solarstrom verbessert sich der EROI-Wert durch zwischenzeitliche elektrochemische Speicherung, wenn man Überschussstrom speichert (Reduktion der Gesamtemissionen). 36

37 Energiebilanz Batteriespeicher Bei Windstromspeicherung durch Akkus zahlt die Umwelt darauf Es ist besser, Windkraftanlagen bei Überproduktion abzuschalten Den Windstrom in Pumpspeicherkraftwerken zu speichern, ist eine energetisch sinnvolle Möglichkeit. Die verfügbaren Standorte für Pumpspeicherkraftwerke sind sehr begrenzt. Quelle: Carbajales-Dale, Michael: Energy return on investment (EROI) of solar PV: an attempt at reconciliation in JOURNAL OF LATEX CLASS FILES, VOL. 11, NO. 4, DECEMBER 2012 Raugei, Marco: Rebuttal: Comments on Energy intensities, EROIs (energy returned on invested), and energy payback times of electricity generating power plants - Making clear of quite some confusion in Energy xxx (2015) Carbajales-Dale, Michael: A better currency for investing in a sustainable future in NATURE CLIMATE CHANGE VOL 4 JULY 2014 Carbajales-Dale, Michael: Can we afford storage? A dynamic net energy analysis of renewable electricity generation firmed by energy storage in The Royal Society of Chemistry

38 Herstellungsprozess einer Li-Batterie 38

39 Herstellung Batteriespeicher - CO2-Ausstoss Vergleich: bei 130 g CO 2 /km 100 kg CO 2 ~ 770 km Quelle: Samaras 2008: C. Samaras, K. Meisterling: Life Cycle Assessment of Greenhouse Gas Emissions from Plug-in Hybrid Vehicles: Implications for Policy In : Environmental Science & Technology, vol. 42, no. 9 (2008), p Zackrisson, 2010: Mats Zackrisson, Lars Avellán, and Jessica Orlenius: Life cycle assessment of lithium-ion batteries for plug-in hybrid electric vehicles Critical issues H. Helms, M. Pehnt, U. Lambrecht and A. Liebich: Electric vehicle and plug-in hybrid energy efficiency and life cycle emissions, Paper presented at the 18th International Symposium Transport and Air Pollution Session 3: Electro and Hybrid Vehicles, page 113 from 274 D.A. Notter, M. Gauch, R. Widmer, P. Wager, A. Stamp, R. Zah and H.J. Althaus: Contribution of Li-Ion Batteries to the Environmental Impact of Electric Vehicles In : Environmental Science Technology, vol. 44, no.17(2010); p

40 Herstellung Batteriespeicher - Materialien von Li-Batterien Lithium-Batterien Blei-Batterien Zusammensetzung aus verschiedenen Stoffen (Wertstoffen, Schwermetallen) Quelle: Gaines, L; et. al. Life-Cycle Analysis for Lithium-Ion Battery Production and Recycling in Argonne National Laboratory Argonne, IL DYNAMIS LEAD-LINE (LL), Material-Sicherheitsdatenblatt (MSDS) Verschlossene Blei-Säure Batterien in AGM Technologie 40

41 Batteriespeicher - Batterie-Lebensdauer-Modell Wiederverwertung der Batterien und Erhöhung der Lebensdauer durch 2. Life Reduktion der Zuverlässigkeit, des Wirkungsgrads und der Speicherkapazität 41

42 Batteriespeicher - Batterie Recycling 42

43 Massnahmen zur Wirtschaftlichkeitserhöhung Integration der einzelnen Komponenten Optimierung in den Lade-Entlade-Algorithmen Aktives Batteriemanagement System Batterietechnologie Zyklenfestigkeit /höhere Lebensdauer Kostenreduktion in der Fertigung und in den Materialien neue Batterietechnologie Höhere Energiedichte Bessere Sicherheit 44

45 Aufbau einer integrierten PV-Home-Speicher-Anlage PV-Anlage Wechselrichter, Energiemanagement Netzbezugs- und Einspeisezähler, Batterie- Management- System mit Laderegler Verbraucher Quelle: SMA SMA SMART Home Die Systemlösung für mehr Unabhängigkeit Batteriespeicher 46

46 Batteriespeichersystem für PV-Anlagen Situation: Batteriespeichersysteme sind über 50 Anbieter mit mehr als 280 Produkten auf dem Markt Übersicht findet sich unter Kommerzielle Systeme: Forschungsanlagen: Vielzahl von Firmen (PV-Umrichterhersteller, Batteriehersteller, USV-Hersteller, Automobilhersteller, Startup usw.) Überkapazität vorhanden Marktbereinigung 47

47 Batteriespeichersystem für PV-Anlagen Situation-Produkte: PV-Wechselrichter mit Speicher-Vorbereitung PV-Wechselrichter mit integrierter Batterie Management-Systeme 48

48 Erfahrung mit Speichersystemen Renewable Electrical Energy Laboratory (ReeLab) Batteriespeicher PV- Simulatoren Labor- und Vorlesungsbetrieb Simulationsstände für Smart-Grid 49

49 Erfahrung mit Speichersystemen PV-Simulatoren und elektrische Lasten 50

50 Erfahrung mit Speichersystemen Batteriespeicher im Einsatz 51

51 Erfahrung mit Speichersystemen Batteriespeicher im Einsatz 52

52 S w i t c h B o x E n e r g y M e t e r Erfahrung mit Speichersystemen - Untersuchung von Batteriespeichern M e a s u r e m e n t Fragestellung: Charakterisierung und Test von modernen Lithium-Ionen PV-Batteriespeichern typ. Kenndaten: Speicherkapazität: Leistung: 2 10 kwh, 1 8 kw Zyklen: Messtechnik, Messverfahren für Langzeittests U / I Measurement U / I PV Home Energy Meter Data Aquisition PC Grid Erkenntnisse: Wirkungsgrad PV Netz: % Wirkungsgrad PV Batterie Netz: %

53 Praxiserfahrung mit den Speicherzellen Untersuchung von Langzeitverhalten: spezielle Hardware für beschleunigte Langzeitversuche Untersuchung von drei verschiedenen Zellen mit gleichen Kenndaten an realen Lastkurven signifikante Unterschiede der einzelnen Zellen im Langzeitverhalten grosse Unterschiede der realen Lastkurven und Standardherstellerangaben ZHAW raee

54 Praxiserfahrung mit den Speichersystemen Auslegung des Speichers sehr häufig suboptimal Systemwirkungsgrad liegt unter den Herstellerangaben Inbetriebnahme stellenweise aufwändig datentechnische Anbindung sehr häufig notwendig die Systeme werden weiterentwickelt Erfahrung ist noch nicht auf breiter Basis vorhanden Sicherheitsbeurteilung: UN38.3, DIN EN 62619, 55

56 Trends - Neue Technologien Neue Technologien Lithium-Schwefel Hohe Sicherheit Billigere und ungefährliche Rohstoffe 200 Wh/kg Zelle serienreif Tech. Potential bis 400 Wh/kg Lithium-Luft Li-S Zelle mit 200 Wh/kg (oxisenergy.com) Sehr hohe theoretische Kapazität der Elektrode (10 kwh/kg, entspricht ca. Energieinhalt von Benzin) Tech. Potential bis 800 Wh/kg Zeithorizont: 2030 Li-Luft Zelle Funktionsprinzip (wikipedia.org) 57

57 Trends Individuelle Zellen Aktuelle Technologie Für jede Anwendung eine eigene Zelle (PV Storage, Elektromobilität, Hybridanwendungen, UPS, etc.) Fokus auf Kostenreduktion und Erhöhung der Lebensdauer (EV/Storage) Entwicklung Energiedichte EV-Zellen (Cluzel, Douglas; 2012) Sicherheitsfunktionen auf Zellebene Trend Verbesserung der bestehenden Technologie durch Verwendung neuer Materialien Anode: Silizium statt Kohlenstoff (4Ah Zelle) Kathode/Elektrolyt: 4.5-5V statt 3.7V Integrierte Schutzschaltung für Zelle (nitecore.com) 58

58 Trends Vanadium-Redox-Flow-Batterie Eigenschaften: Theoretische Lebensdauer unbegrenzt Investitionskosten von 200 /kwh Keine Selbstentladung Wirkungsgrad von 80 bis 85 % Systemwirkungsgrad von mehr 75 % Sauer-Optionen zur Speicherung elektrischer Energie in Energieversorgungssystemen mit regenerativer Stromerzeugung Energiedichte bis zu 70 Wh/l Beispielprojekte: Hersteller: Sumitomo Electric Industries, Ltd. Betreiber: Hokkaido Electric Leistung: 60 kw Inbetriebnahme: März 2015 Sumitomo Electric Industries, Ltd. 59

59 Trends - Auslegung der PV- / Speicher-Anlage Stand der Technik Auslegung mit Erfahrungswerten und Simulationsdatenbanken Auslegung auf der Basis der Stromerzeugung durch PV-Anlagen und Anzahl der Bewohner Technologie-Trend Echtzeit Solar- und Batteriesimulation Gewinn- / Verlustrechnung mit Netzeinspeisung und bezug Vorschläge zur Aufrüstung von Anlagen Beispiel: ETURNITY HUB mit Echtzeit-Solarsimulation 60

60 Trends - Beispiel: ETURNITY HUB Ethernet Router Software ETURNITY HUB Quelle:

61 Trends Leistungsvariable Verbraucher Solar-Log mit EGO Smart Heater sorgt für Wärme im Haus Leistungsvariable Wärmepumpen RefuSol PV-Heater 62

63 Zusammenfassung Auf vielen Gebieten findet eine Optimierung statt Wirtschaftlicher Durchbruch im Bereich Hausspeicher hängt von verschiedenen Faktoren ab. Die Lithium-Ionen-Technologie ist zurzeit das leistungsfähigste kommerziell erhältliche und wieder aufladbare Batteriesystem. Viele einzelne Systeme liefern einen Beitrag zur Wirtschaftlichkeit. 64

64 Zusammenfassung Durch detaillierte Verbrauchsmodelle kann die optimale Energienutzung weiter verbessert werden. Der Einsatz von leistungsvariablen Heizungen und Kühlungen haben noch grosses Potenzial. Der Gesamtwirkungsgrad von Speichersystemen wird in den nächsten Jahren noch zunehmen. Die Energiedichte, das Langzeitverhalten und die Speicherkosten entwickeln sich moderat. Die Entwicklungen im Speichermarkt wird vor allem durch Konsumprodukte vorangetrieben. 65

65 Fragen Haben Sie Fragen? 66

66 Kontakt ZHAW IEFE Institut für Energiesysteme und Fluid-Engineering Prof. Dr. A. Heinzelmann Technikumstrasse Winterthur andreas.heinzelmann@zhaw.ch Tel:

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