Batteriespeicherung für die Anwendung auf land- und forstwirtschaftlichen Betrieben

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1 Batteriespeicherung für die Anwendung auf land- und forstwirtschaftlichen Betrieben Schwerpunkttag Nachwachsende Rohstoffe Bay. Bauenverband Herrsching, 20. November 2013 Prof. Dr. Karl-Heinz Pettinger

2 Inhalt Technologiezentrum Energie der Hochschule Landshut Technologien Kriterien für die Systemauswahl Prof. Pettinger

3 Prof. Dr. Karl-Heinz Pettinger 1962 geboren in Landshut Chemie-Studium an der TU München 8 Jahre Elektrochemische Gassensoren- und Meßgerätebau bei Bayer Diagnostic / Compur Monitors Gründung der Bullith Batteries AG basierend auf Lizenz der Fraunhofergesellschaft, Bau von Li-Ionen Akkumulatoren, Vorstand Fusion der Bullith Batteries AG mit Leclanché, Ausbau zu einem der derzeit größten Produzenten von Lithium Akkumulatoren in Deutschland Seit : Professur für Elektrische Energiespeicher an der Hochschule Landshut Wissenschaftliche Leitung des Technologiezentrums Energie der Hochschule Landshut Prof. Pettinger

4 Institution ist eine Forschungs- und Entwicklungseinrichtung der Hochschule Landshut wird gefördert mit Mitteln des Programms Aufbruch Bayern der Bayer. Staatsregierung wird tatkräftig unterstützt durch den Markt Ruhstorf a. d. Rott und den Landkreis Passau wurde am durch Staatsminister Heubisch und Präsident Prof. Stoffel eröffnet Prof. Pettinger

5 Funktionen des TZE Forschungs-/Laborstandort Demostandort (µbhkw, Energiespeicher, ) TZE Dienstleistungszentrum Beratungszentrum Prof. Pettinger

6 Forschungsthemen Energiespeicher Dezentrale Energiesysteme Netzintegration Energieeffizienz Hochschule Landshut 6 Prof. Pettinger

7 Energiespeicher: Warum Lithium? Hochschule Landshut 7 Prof. Pettinger

8 Fertigung von Lithium-Zellen im Handverfahren Elektrodenslurry Qualitätsprüfung Elektroden/Seperator fertige Zelle Elektrolytbefüllung Bicell mit Ableitern Prof. Pettinger Hochschule Landshut 8

9 Batterien: von 1800 bis heute Prof. Pettinger

10 Inhalt Notwendigkeit der Pufferung, Solare Bedingungen Technologien Kriterien für die Systemauswahl Prof. Pettinger

11 Welcher Speicher passt zur PV-Anlage? Betrachtung zur Speichernutzung Photovoltaik B 7,5 kwp C 10,0 kwp D 15.0 kwp Speicher Netz 4 kwh 7 kwh 14 kwh Verbrauch A Messwerte 4 Personenhaushalt: typ kwh Strom Prof. Pettinger

12 tägl. Speichernutzung [kwh] 7,5 kw PV 14,00 Regionale Fallstudie: 12,00 10,00 B Speicherauslastung (Tagesbasis) bei unterschiedlichen Photovoltaikinstallationen 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 Januar Febr März April Mai Juni Juli August Sept Okto Nove Deze 14 kwh 7 kwh 4 kwh Speichergröße [kwh] 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 C 14 kwh 7 kwh 4 kwh 14,00 12,00 10,00 10 kw PV 15 kw PV 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 D 14 kwh 7 kwh 4 kwh Prof. Pettinger

13 Inhalt Notwendigkeit der Pufferung, Solare Bedingungen Technologien Kriterien für die Speicherauswahl Prof. Pettinger

14 Technologien: Schwungmassenspeicher Prinzip: Bei Schwachlastzeiten wird mittels eines Motors eine Schwungmasse in Rotation gebracht. In Spitzenlastzeiten kann diese Rotation wieder in elektrischen Strom umgewandelt werden. Beispiel: Enercon Schwungrad 5 kwh Speicherkapazität, 200 kw Leistung über 90 Sekunden Kosten: ca Quelle: Prof. Pettinger

15 Technologien: Schwungmassenspeicher Physikalisches Prinzip Speicherung von Energie in Form von Rotationenergie E = 1/2 J ω² E: Rotationsenergie J: Massenträgheitsmoment ω: Winkelgeschwindigkeit Problem: Hohe Leerlaufverluste (z.b. 10 kw Leerlaufverluste bei Leistung 1650 kw und 16,5 MWs (= 4,6 kwh!!) typische Kurzzeitspeicher (etwa max. 1 Minute) Prof. Pettinger

16 Technologien: Natrium / Schwefel 7 MWh-Batterie zur Netzpufferung Technologie: Natrium Schwefel, Betriebstemperatur 300 C, Installiert im Testfeld bei Younicos AG, Berlin Ziel: Prototypierung für die autarke Energieversorgung der Insel La Graciosa Prof. Pettinger

17 Typische Speicherausführungen für den Heimbereich Wandler mit Batteriemodul Teststand hier im Hause am Technologiezentrum Energie Speichermodul Fa. Leclanché 1,8 kwh, Titanat-Technologie Prof. Pettinger

18 Typische Speicherausführungen für den Heimbereich Beispiel: Speicher 10,2 kwh Fa. Diehl Bilder mit Genehmigung Fa. Lokavis GmbH, Eggenfelden Beispiel: Speicher 9,6 kwh Fa. BYD Bilder mit Genehmigung FENECON GmbH, Deggendorf Prof. Pettinger

19 Technologien: Redox Flow-Systeme Redox-Flow Batterie (100 kwh / 10 kw) mit drehbarer Photovoltaik, Fa. Cellstrom und Younicos AG Prof. Pettinger

20 Technologien: Redox Flow-Systeme Membrane Elect rode Elect rode Elect rolyt e + - Elect rolyt e Pump Pump Pow er source/load Zukünftige neue Speichertechnologie für Eigenheime größere Energiemengen W. Kangro, Verfahren zur Speicherung von elektrischer Energie, German Patent , 1949 W. Kangro, H. Pieper, Zur Frage der Speicherung von elektrischer Energie in Flüssigkeiten, Electrochimica Acta Vol. 7, , 1962 Quelle: Fraunhofer ICT Prof. Pettinger

21 Technologien: Blei-Säure-Systeme Nachteile: Geringe Puls-Belastbarkeit, Alterung, Ventilation, Pflegebedürftigkeit Vorteil: Preis Quelle: Jossen, Weydanz, Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen, 2006 Prof. Pettinger

22 Technologien: NiMH / NiCd-Systeme Entladekurven, wesentlich höhere Belastbarkeit NiCd ist für den Privatanwender verboten Nur noch bei Industriesystemen erlaubt Prof. Pettinger Quelle: Jossen, Weydanz, Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen, 2006

23 Zell-Funktionalität Rocking Chair Principle Funktionsprinzip des Lithium- Akkumulators Animation EXE Prof. Pettinger

24 Elektrochemisches Potential und Zellspannung Positive Elektrode + LiCoO 2, NCA, NCM LiFeO 4 Eisenphosphat 3,7 V 2,3 V 3,3 V 1,8 V Berghütte Li-Titanat 1,4 V Graphit Li-Metall Elektrochemische Spannungsreihe 0,2 V 0,0 V Meeresspiegel Deich Negative Elektrode + Prof. Pettinger

25 Technologien: Lithium Systeme Li-Technologie in verschiedenen Spannungslagen bald erhältlich Li-Oxide / Graphit 3,7 V Standard Li-Ionen System, Portable Elektronik Li-Oxide Lithium- Eisenphosphat / Graphit 10 µm Li-Oxide / Titanat 3,3 V 2,3 V Kein Explosion des Kathodenmaterials (Erhöhte Sicherheit) Extreme Zyklenstabiliät ( > volle Lade- / Entladezyklen) LiFeO 4 Eisenphosphat Li-Titanat Lithium- Eisenphosphat / Titanat 1,8 V Erhöhte Sicherheit + Extreme Zyklenstabilität Graphit Li-Metall Prof. Pettinger Quelle:

26 Problem der Zyklenstabilität Entladekapazität [%] Zyklen Darstellung am Beispiel einer nicht ausgereiften Zelltechnologie, 100% Lade-Entladezyklen, bei 1-stündiger Ladung/Entladung Prof. Pettinger

27 Technologien: Lithium Systeme % der Anfangskapazizät 100,00% 95,00% 90,00% 85,00% 80,00% 75,00% 70,00% 65,00% 60,00% 55,00% 50,00% 45,00% 40,00% 35,00% 30,00% 25,00% 20,00% 15,00% 10,00% 5,00% 0,00% NCA/Titanate Langzeitstabilitätstest mit 1 C bei 45 C Lithium Zyklisierung Titanat-Technologie mit 100 % DOD ist zwischen langlebig 2.8! V and 1.8 V Kapazitätsbestimmung jeden 10. Zyklus Lithium-Titanat ist ein extrem zyklenstabiles Anodenmaterial. Experiment mit 4500 vollen Lade-Entlade-Zyklen bei 45 C : noch 92 % Nutzbare Kapazität der Speicherzelle Zyklus # Quelle: Leclanché GmbH Prof. Pettinger

28 Entwicklungstrend Energiedichten /10 h 1 h Spez. Leistung [W/kg] Li-Ionen Redox Flow 2020 Natrium / Schwefel 2010 Lithium / Schwefel Lithium / Luft > h Spez. Energie [W h/kg] Prof. Pettinger

29 Inhalt Notwendigkeit der Pufferung, Solare Bedingungen Technologien Kriterien für die Systemauswahl Prof. Pettinger

30 Wichtige Kriterien für die Systemauswahl Feinde der Lebensdauer ( = Nutzbare Speicherkapazität) sind: Kalendarische Alterung (Systemabhängig, Kenngröße: % irreversibler Kapazitätsverlust / Monat) Permanente Volladung (wichtig ist die korrekte Dimensionierung des Betriebsbereiches des Speichers, oft empfohlener Standard-Nutzbereich % Nutzungstiefe) Erhöhte Temperaturen in der Zelle ( ab 40 C, vor allem bei Pulsbetrieb) Prof. Pettinger

31 Was kostet die Speicherung? Relevante Größe: Kosten pro gespeicherter und genutzter Kilowattstunde Strom Anschaffung [ ] + Wartung [ ] Kosten / kwh = Effizienz [%] x Nutzungstiefe [%] x Nutzungszyklen x Speicherkapazität [kwh] Prof. Pettinger

32 Was kostet die Speicherung? Anschaffung [ ] + Wartung [ ] Kosten / kwh = Effizienz [%] x Nutzungstiefe [%] x Nutzungszyklen x Speicherkapazität [kwh] Anschaffung [ ]: Preise der Technologien auf Zellebene: Blei-Säure ~ 200 /kwh Natrium-Schwefel ~ 300 /kwh Redox-Flow ~ 500 /kwh Lithium ~ /kwh Auf Systemebene: Lithium: bis /kwh Preisermittlungen auf Intersolar 2013 und Battery & Storage 2013) Wartung [ ]: Lithium-Speicher sind wartungsfrei Blei-Speicher: einige Technologien Wartungsbedarf Prof. Pettinger

33 Was kostet die Speicherung? Anschaffung [ ] + Wartung [ ] Kosten / kwh = Effizienz [%] x Nutzungstiefe [%] x Nutzungszyklen x Speicherkapazität [kwh] Bleibatterie NiCd-Batterie NiMH-Batterie Li-Ionen- Batterie Quelle: Jossen, Weydanz, Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen, 2006 Coulometrischer Wirkungsgrad (Ladung in Ah) Effizienz Energetischer Wirkungsgrad (Energie in Wh) 90 % 75 % 75 % 99,9 % 80 % 65 % 65 % % Prof. Pettinger

34 Was kostet die Speicherung? Anschaffung [ ] + Wartung [ ] Kosten / kwh = Effizienz [%] x Nutzungstiefe [%] x Nutzungszyklen x Speicherkapazität [kwh] Nutzungstiefe: - genutzte Kapazität oft ungleich Nominalkapazität - bei Li-Speichern 100 % Nutzungstiefe möglich - bei Pb-Speichern nur 50 % Nutzungstiefe möglich Geringere Belastung verlängert die Lebensdauer. Prof. Pettinger

35 Was kostet die Speicherung? Anschaffung [ ] + Wartung [ ] Kosten / kwh = Effizienz [%] x Nutzungstiefe [%] x Nutzungszyklen x Speicherkapazität [kwh] Lebensdauer: Garantie für die Zellen? wichtiges Kriterium für die Rentabilität Wie kann die Speicherkapazität bestimmt werden und Abweichungen ggf. beim Hersteller reklamiert werden? Bietet der Hersteller Lösungen für diesen Konfliktfall? Sprechen Sie den Lieferanten auf diese Themen an! Prof. Pettinger

36 Prof. Dr. Karl-Heinz Pettinger Hochschule Landshut Technologiezentrum Energie Wiesenweg 1 D Ruhstorf a. d. Rott Tel.: Fax: Karl-heinz.pettinger@fh-landshut.de