Neue Energiespeicher für das Stromnetz Erfahrungen aus dem EKZ Projekt

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1 J. Poland und A. Oudalov (ABB), M. Koller (EKZ), Smart Cities Projekte, Werkzeuge und Strategien für die Zukunft, Basel, Neue Energiespeicher für das Stromnetz Erfahrungen aus dem EKZ Projekt

2 1MW BESS im Schweizer Verteilernetz Agenda Einführung ABB und BESS Das 1 MW BESS der EKZ Erfahrungen Bemerkungen zum Betrieb, Regelung, zu Marktpreisen und Batteriealterung Zusammenfassung

3 Kommende Herausforderungen für Stromnetze Langfristige Technologietreiber für Energiespeicher Wind & Solarenergie Erdgas & Erdöl-Preise Probleme mit Spannungsqualität T&D Bottlenecks Ancillary Services Erneuerbare Energien Stabilisierung durch: Interconnections, T&D Upgrades, Flexible Erzeugung, Demand Side Management, und Energiespeicher ABB Group

4 Energiespeicher im Weltweiten Stromnetz Installierte Leistung im Jahr 2014 Pumped hydro Compressed Air Energy Storage, 440 MW Sodium-Sulfur Battery, 320 MW MW Lithium Ion Battery 290 MW Lead-acid Battery, 80 MW Flywheel energy storage, 40 MW Redox Flow battery, 13 MW ABB Group Source: Fraunhofer Institute, EPRI, ABB, DOE Global Energy Storage Database

5 Energiespeicher im Stromnetz Conventional Central Generation Load leveling for generation utilization MW, 1-8h ESS Spinning reserve In case of line loss MW, h ESS Load Center 20 kv Integration of renewables MW,1-10h ESS 220 kv 220 kv 110 kv Load leveling 220 KV for postponement of grid upgrade 1-10 MW, 1-6h ESS ESS Peak shaving MW, 1h Variable Renewable Generation 20 kv 20 kv ring 110 kv 110 kv Industry/ ESS Large Commercial Frequency 0.4 kv Stabilization Regulation Solar PV time shift MW, MW, h kw, 2-6h min ESS ESS Micro-grid Residential/Small Commercial

6 Batterie-Energiespeicher Wichtige Anwendungen Residential loads Solar power Peak Shaving Industrial loads Ramp rate control Capacity firming Spinning Reserves Power Station Wind power Load Levelling ABB Group Frequency Regulation Voltage Support

7 Warum BESS Schnelle Reaktionszeit Reduktion maximalen dynamischen Frequenzabweichung dank schneller Reaktion der Batteriespeicher Batteriespeicher können im Rahmen der Energiewende abnehmende Massenträgheit im System ersetzen Flexible Dimensionierung ABB December 5, 2014 Slide 7

8 BESS: ABB Produkte und Dienstleistungen Turnkey BESS Packaged BESS Umrichter Batterien Systemkomponenten Komponenten Regelung & Algorithmen Systemintegration Schutz Service Trafos und Schaltanlagen ABB Group December 5, 2014 Slide 8

9 Einige von ABB installierte Energiespeicher ABB December 5, 2014 Slide 9

10 ABB Forschungsschwerpunkte im Bereich BESS Alterungsmodelle Dimensionierung Markt / Kostenoptimierung Anwendungsgebiete Batterietechnologien Thermisches Management Betrieb und Regelung Vorhersage / Optimierung ABB December 5, 2014 Slide 10

11 EKZ 1 MW BESS Batteriemodule Batteriekontainer Kopplungstrafo Transformator SCADA Wechselrichter 1MVA

12 EKZ 1 MW BESS Spezifikation Eigenschaft Wert Bemerkungen Leistung 1 MW Laden sowie Entladen Kapazität 580 kwh MW System Integrator Hersteller Batterie Batterietyp ABB LG Chem Li-Ion Anzahl Zellen Lebensdauer Cycles 2 Zyklen/Tag, 250 kwh Systemkosten 2 ~2 Mio EUR ~500k Batterie Effizienz 80%-90% Round Trip 1 Garantierte Lebensdauer, tatsächliche Lebensdauer vermutlich höher 2 Basis sind Preise von 2011

13 Erfahrungen Effizienz in zwei Betriebsjahren Komponenten Batterie: round trip 90 95% (höher bei höherer Leistung) Wechselrichter: one way 97% (tiefer bei höherer Leistung) System Zyklen mit 50% DoD bei 50% Nominalleistung (±500 kw, je 30 min) Round trip ohne Auxiliary: 90% Round trip mit Auxiliary: 85% Effizienzmessung nicht standardisiert Tatsächliche Effizienz hängt stark von dem Einsatz (Lastprofile) ab Dasselbe gilt für die Batteriealterung

14 Inselbetrieb / Microgrid ABB December 5, 2014 Slide 14

15 Beispiel im Inselbetrieb Netzqualität vergleichbar mit netzparallelem Betrieb bei kleinerer Kurzschlussleistung ABB December 5, 2014 Slide 15

16 Primärregelung ABB December 5, 2014 Slide 16

17 Präqualifikation zur Lieferung von Primärregelung ABB December 5, 2014 Slide 17

18 Nachladestrategie für permanente Verfügbarkeit Zwei Methoden ABB December 5, 2014 Slide 18

19 Nachladestrategien am Beispiel ABB December 5, 2014 Slide 19

20 Vorausschauendes SoC Management Vorhersage von Frequenz- und SoC-Entwicklung basierend auf historischen Daten SoC Management via Intraday- Markt Gegenwärtige Marktregeln in Deutschland: Gebot bis 45 min vor Bezug Bezugsintervall ist 15 min oder 60 min Im EKZ BESS noch nicht implementiert

21 Markt für Primärregelung in der Schweiz Auktionssystem seit 2009 Wöchentliche Auktionen im Pay-as-Bid Verfahren (kein Marktpreis, günstigste Gebote werden akzeptiert) Je nach Investitionskosten rechnen sich Batterien für die Primärregelung bereits heute Speicherseen leer Kältewelle Quelle: swissgrid

22 Erwarteter Preisverfall bei Li-ion Batterien ($/kwh) Die Verbreitung von BESS wird nicht durch den Batteriepreisverfall allein vorangetrieben. Massgeblich ist eine Kombination aus Regulierung, Preisgefüge und Technologie Bloomberg New Energy Finance Navigant Research Deutsche Bank IHS (isuppli)

23 Regulatorische Entwicklung Batteriespeicher, Netzregelung USA ABB December 5, 2014 Slide 23

24 Regulatorische Entwicklung Batteriespeicher, Netzregelung Europa ABB December 5, 2014 Slide 24

25 Beispielrechnungen Batteriealterung Verschiedene Profile Primärregelung Batterie 1 (Graphit-Anode) Batterie 2 (LTO) Lebensdauer Batterie Alterung wg. Lastzyklen Lebensdauer Batterie Swissgrid, Jahre 27% 13 Jahre 90% Kleineres Netz, Jahr 95% 5.3 Jahre 95% PJM RegD, Jahre 78% 2.2 Jahre 98% Alterung wg. Lastzyklen Vorhersage basiert auf Alterungsmodellen (mit Herstellerdaten identifiziert) Batteriegrösse: 20 min Umgebungstemperatur: 25 C SoC Management: gleitender Durchschnitt Lebensende der Batterie bei 80% Restkapazität ABB December 5, 2014 Slide 25

26 Zusammenfassung Batteriespeicher bieten schnelle Reaktion wichtig für Netzstabilität beim Ausbau der erneuerbaren Energien EKZ Batteriespeicher präqualifiziert für Primärregelung Erfolgreicher Testbetrieb eines Inselnetzes / Microgrids Umfeld von Markt und Regulierung immer noch schwierig Kommerzielle Batteriespeicher für die Primärregelung unter heutigen Bedingungen denkbar Zukünftige Entwicklung hängt von vielen Faktoren ab Auswahl von Batterie, BESS, Operationsstrategie ist massgeblich von der Anwendung abhängig

27 Publikationen A. Oudalov, D. Chartouni, and C. Ohler: Optimizing a Battery Energy Storage System for Primary Frequency Control, IEEE Transactions on Power Systems, 2007 C. Yuen, J. Poland, A. Effinger: The use of BESS for Integration of Wind Energy, 17th Power Systems Computation Conference, 2011 B. Xu, A. Oudalov, J. Poland, A. Ulbig, G. Andersson: BESS Control Strategies for Participating in Grid Frequency Regulation, IFAC World Congress 2014 M. Koller, T. Borsche, A. Ulbig and G. Andersson: Review of Grid Applications with the Zurich 1 MW Battery Energy Storage System, Electric Power Systems Research, 2014 M. Koller, J. Schmidli and B. Völlmin: Frequency regulation and microgrid investigations with 1 MW battery energy storage system, CIRED, 2014 ABB December 5, 2014 Slide 27

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