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1 Energiespeichersysteme Energie intelligent speichern mit IRIS Produktvorstellung am Sebastian Hörlin, Julian Schultes

2 Gliederung TEIL 1: Speicher und Anwendung 1 Motivation 2 Vorstellung 3 Produkt 4 Nutzen 4.1 Betriebs- und Anlagensicherheit 4.2 Energiekostensenkungen 4.3 Teilnahme am Regelenergiemarkt 4.4 Sonstige Anwendungsmöglichkeiten 5 Anwender / Zielgruppe 5.1 Beispiel TEIL 2: Technik 7 Aufbau des Speichersystems 7.1 Batterietechnologie 7.2 BMS 7.3 Wechselrichter 7.4 Schnittstellen 8 Modellierung der Energieeffizienz 9 EMV-Messung 10 Fazit

3 Energie intelligent speichern mit IRIS

4 TEIL 1: Speicher und Anwendungen

5 1 Motivation Bedürfnisse und Anforderungen der Lead-User von mittelständischen (SME-) Unternehmen Lösungen zur Senkung der Energiekosten Lösungen für Netzstabilität und USV Eigenständiges Lastmanagement Sinnvolle Speicherlösungen für Erzeugeranlagen

6 2 Vorstellung IRIS Energy GmbH Gründung: 2013 Geschäftsführer: Bernhard Schultes Gesellschafter: Schultes Maschinenbau GmbH Standort: Am Beetacker 5 (D) Bessenbach

7 2 Vorstellung Entwickler Bernhard Schultes, I.R.I.S Energy GmbH M.Sc. Dipl.-Ing.(FH) Sebastian Hörlin, DHG Engineering GmbH Prof. Dr. Armin Dietz, ELSYS Technische Hochschule Nürnberg Dipl.-Ing. Reinhard Gross, BNO Consult

8 Überblick Speicherarten Thermische Energie (Wärmespeicher, Fernwärmespeicher,...) Chemische Energie (Akkumulator, Wasserstoff,...) Kinetische Energie (Schwungrad,...) Potenzielle Energie (Feder, Pumpspeicher,...) Elektrische Energie (Kondensator,...)

9 3 Produkt Batterie- Energiespeicher (Akkumulator) S 30/30 2 Speichergrößen (30 kwh, 40 kwh) Auf Lithium- Eisen PO 4 Zellen Basis Mit integriertem Wechselrichter (Eigenentwicklung) Intelligentes Batteriemanagementsystem (Eigenentwicklung) Modulares System

10 3 Produkt Energiespeicherlösung für Anwender Erneuerbarer Energien

11 4 Nutzen Betriebs- und Anlagensicherheit USV und Notstromversorgung Energiekosten senken Teilnahme am Regelenergiemarkt Eigenverbrauch, Spitzenlastreduzierung, Blindleistungsreduzierung Minutenreserve und Primärregelleistung Energieversorgung durch Inselbetrieb Off- Grid Lösung

12 4 Nutzen 4.1 USV und Notstromversorgung Betriebs- und Anlagensicherheit Stromausfälle und Netzschwankungen verursachen Anlagenausfälle Hohe Folgekosten (Wiederanfahren der Anlagen, Maschinenschäden, Produktionsausfall, Datenverluste) Lösung: Energiespeicher für Notstrom und USV einsetzen schützt vor Netzeinbrüchen und Spannungsschwankungen verhindert Anlagenausfälle

13 4 Nutzen 4.1 USV und Notstromversorgung Betriebs- und Anlagensicherheit Einsatzgebiete: Serveranlagen und Backup- Systeme Schließanlagen und Kassensysteme Ku hlsysteme Produktionsanlagen Prozesstechnik Werkzeugmaschinen

14 4 Nutzen 4.1 USV und Notstromversorgung Betriebs- und Anlagensicherheit Vorteile des IRIS Systems: Wartungsarm Kapazität (30 kwh) skalierbar Sehr schnell Umschaltdauer <10 ms

15 4 Nutzen 4.2 Eigenverbrauch Energiekosten senken Viele Unternehmen verfügen über Erzeugeranlagen (PV- Anlage, BHKW,... ) regenerativ erzeugte Energie direkt verbrauchen

16 4 Nutzen 4.2 Eigenverbrauch Energiekosten senken Beispielanwendung: Elektroauto Ladestation Kopplung der PV-Anlage auf dem Dach mit Ladestationen für Elektroautos

17 4 Nutzen 4.2 Spitzenleistungsreduzierung Energiekosten senken Reduzierung von Lastspitzen in Unternehmen, hier können Einsparungen von ca. 8 je kw und Monat erzielt werden. signifikante Einsparungen möglich

18 4 Nutzen 4.2 Blindleistungskompensation Kompensationsanlage Kompensation von Blindleistung, die im Unternehmen durch induktive oder kapazitive Verbraucher entsteht. bereits integriert Keine extra Kompensationsanlage erforderlich Keine Kosten für Blindleistung mehr S 30/40

19 4 Nutzen 4.3 Regelenergiemarkt Teilnahme am Regelenergiemarkt Problemstellung mit regenerativ erzeugter Energie Schwankende Verfügbarkeit Teurere Pumpspeicher- und Gaskraftwerke zur Netzstabilisierung notwendig Wenig Ausbaupotential von Pumpspeicherkraftwerken Gaskraftwerke sind für Regelenergie unwirtschaftlich Bedarf Primärregelleistung in Deutschland: Anfang 2013: 576 MW Anfang 2015: 670 MW 16 %

20 4 Nutzen 4.3 Regelenergiemarkt Teilnahme am Regelenergiemarkt Voraussetzungen für Teilnahme Mindestens 1 MW (= 36 IRIS Speicher) muss bereit gestellt werden Räumliche Verteilung ist erlaubt Lösung: Viele kleine Energiespeicher verteilt an Anwender zur Netzstabilisierung Minutenreserve Primärregelleistung

21 4 Nutzen Standard Kapazität 30 kwh Nutzung des Speichers Eigenverbraucherhöhung Spitzenlastreduzierung Notstrom & USV

22 4 Nutzen Kapazität bei Teilnahme am Regelenergiemarkt 15 kwh Nutzung des Speichers Eigenverbraucherhöhung Spitzenlastreduzierung Notstrom & USV Teilnahme am Regelenergiemarkt Primärregelleistung Minutenreserve 15 kwh

23 4 Nutzen Primärregelleistung Minutenreserve 36 Speicher = 1 MW Vergütung

24 Provider Primärregelleistung Minutenreserve Vergütung Handel an Börse

25 4 Nutzen 4.3 Regelenergiemarkt Teilnahme am Regelenergiemarkt Tabelle 1: Vergütung für die Bereitstellung von Primärregelleistung in Deutschland Jahr Preis je MW und Woche geringster Preis durchschnittlicher Preis höchster Preis geringster Preis % durchschnittlicher Preis höchster Preis

26 4 Nutzen 4.4 Off- Grid Lösung Energieversorgung durch Inselbetrieb Sicherstellung der Energieversorgung in abgelegenen Regionen Deutliches Kostensenkungspotenzial, Stromerzeugung mit Dieselgenerator kostet in etwa 1 je kwh Mit einem Speicher kann das Potential von regenerativer Stromerzeugung deutlich besser ausgenutzt werden

27 4 Nutzen 4.4 Off- Grid Lösung Energieversorgung durch Inselbetrieb Beispielanwendung: Telekommunikationsbranche IRIS Energiespeicher statt umweltschädlicher und wartungsintensiver Systeme Stabilisierung instabiler Stromnetze Durch modulares System anpassbar an den jeweiligen Standort und Einsatzfeld

28 4 Nutzen 4.4 Ersatz für Netzausbau Energieversorgung durch Inselbetrieb Vermeidung von Netzausbau der z.b. durch den Zubau von Energieerzeugungsanlagen notwendig wäre Höhere Akzeptanz in der Bevölkerung

29 4 Nutzen dual use von mehreren Nutzungsmöglichkeiten Im Prinzip können alle Nutzungsmöglichkeiten miteinander kombiniert werden Bereitstellung von Regelenergie und Notstromversorgung Eigenverbrauchserhöhung und Regelenergie

30 4 Nutzen USV bei Anschluss an Regelenergiemarkt

31 4 Nutzen Durch das Prinzip des dual use kann die Wirtschaftlichkeit erheblich gesteigert werden, sodass attraktive Renditen erzielt werden können!

32 5 Anwender / Zielgruppe 5.1 Beispiel: Mittelständischer Betrieb Schultes Maschinenbau GmbH Ausgangslage: Produktionsunternehmen Große Dachfläche Hoher Stromverbrauch Lastspitzen Instabiles Stromnetz

33 5 Anwender / Zielgruppe 5.1 Beispiel: Mittelständischer Betrieb Schultes Maschinenbau GmbH PV-Anlage Energiespeicher Betriebs- und Anlagensicherheit USV und Notstromversorgung Energiekosten senken Teilnahme am Regelenergiemarkt Eigenverbrauch, Spitzenlastreduzierung, Elektroauto Ladestation Minutenreserve und Primärregelleistung

34 5 Anwender / Zielgruppe

35 TEIL 2: Technik

36 Technik Aufbau Lithium- Eisen PO 4 Zellen Batteriemanagementsystem Integrierter Wechselrichter

37 Gängige Batterietechnologien Lithium- Eisen- PO 4 Zellen

38 Vorteile von Lithium- Eisen- PO 4 Zellen Lithium- Eisen- PO 4 Zellen Gleichbleibendes, sehr hohes Qualitätsniveau + Zyklenfestigkeit + Geringes Gewicht (Mobilität) + Kein Memory- Effekt + Sehr hoher Systemwirkungsgrad + Betrieb über breiten Ladungsgrad problemlos möglich + Eigensichere Zellen Jede Zelle wird vermessen Anordnung erfolgt in Abhängigkeit von festgestellten Parametern

39 Batteriemanagementsystem Eigenständiges Steuergerät, das die Überwachung und Sicherheit eines Batteriesystems gewährleistet!

40 IRIS Batteriemanagementsystem + Eigenentwicklung + Ausgleich der Zellen durch Active- Balancing + Überwachung jeder einzelnen Zellspannung und jeder Zelltemperatur Frühzeitige Erkennung von drohenden Ausfällen Längere Lebensdauer Bei Über- oder Unterschreitung: System schaltet automatisch ab ( Not- Aus )

41 Herkömmliches BMS Spannung in den einzelnen Zellen ist immer unterschiedlich Unterschiedliche Ladungszustände beeinflussen den Speicher Ausgleich er Zellen erfolgt u ber Verbrennen der Energie durch Widerstände Energie wird vernichtet und die Zellen bauen über die Jahre immer mehr ab!

42 IRIS BMS mit Active- Balancing Spannung in den einzelnen Zellen wird durch allerneuste Steuerungstechnik/ Mikroelektronik ausgeglichen Bei Ladungsunterschieden wird die Energie innerhalb des Speichers optimal umverteilt Das IRIS BMS ermöglicht eine längere und zuverlässigere Lebenszeit!

43 Integrierter Wechselrichter + Einer der stärksten Wechselrichter für diese Speichergro ße auf dem Markt + Spezielle Entwicklung für Energiespeicheranwendungen + sehr hoher Wirkungsgrad dual use fu r Nutzung und Teilnahme am Regelenergiemarkt Vielfältige Anschlussmöglichkeiten: Direkter PV-Eingang, Möglichkeit Windkraft anzuschließen BHKW, Stromgenerator, Wasserkraft, etc.

44 Technik Schnittstellen Industrie- BUS Ethernet Anschluss Display

45 Technik Aufbau Das Speichersystem ist so konzipiert, dass Erzeugungs- und Verbrauchsanlagen direkt integriert werden können

46 Technik Aufbau Leistung Batteriespannung Batteriekapazität nutzbare Kapazität 30 kw je Modul 210 V 41 kwh oder 59 kwh je Modul 30 kwh oder 41 kwh je Modul S 30/40... Energiespeicher 41 kwh + Wechselrichter 30 kw Energiespeicher 41 kwh Energiespeicher 41 kwh

47 Technik Steigerung der Energieeffizienz Beispiel: Laden des Speichers mit Strom aus einer PV- Anlage mit heutigem Standardsystem

48 Technik Steigerung der Energieeffizienz Beispiel: Laden des Speichers mit Strom aus einer PV- Anlage mit IRIS - Konzept

49 Technik Steigerung der Energieeffizienz: Bei einem Wirkungsgrad von 98 % je Wandlungsstufe ergibt sich somit: η PV Batt (alt) = 0,98 0,98 0,98 0,98 = 0,92 η PV Batt (IRIS) = 0,98 Bei einem Batteriespeicher mit 30 kwh und 600 Ladezyklen je Jahr ergibt sich eine Einsparung von 1200 kwh. Bei Speicheranlagen mit 100 MWh und 600 Ladezyklen je Jahr ergibt sich eine Einsparung von ca MWh.

50 Technik Modellierung der Energieeffizienz von Batterie und DC/DC Wandler: Modellierung des Speichersystems (Batterie und DC/DC Wandler) Durch Modellierung und den daraus resultierenden Erkenntnissen ist ein energieoptimaler Betrieb möglich Lade- und Entladerate des stationären Speichers 1 C, dadurch Vermeidung hoher Temperaturen in der Batterie (Lebensdauer)

51 U batt (V) R i (Ω) Technik Grundlage für die Modellierung sind die Batteriespannung und der Innenwiderstand als Funktion des Ladezustand: State of Charge (%) State of Charge (%)

52 Technik Modellbildung Batterie:

53 Technik Wirkungsgradkennfeld Batterie: Hier dargestellt ist ein berechnetes Wirkungsgradkennfeld beim Ladevorgang.

54 Technik Modellierung DC/DC Wandler: Für die Modellierung des DC/DC Wandlers wurden nur die beiden Hauptverlustanteile, Durchlassverluste und Schaltverluste berücksichtigt. Ansteuerverluste, Vorwärtssperrverluste der Halbleiter, sowie Verluste für die Kühlung wurden hier vernachlässigt. Durchlassverluste als Funktion des Stroms Schaltverluste als Funktion von Strom, Spannung und Taktfrequenz

55 Technik Wirkungsgradkennfeld des DC/DC Wandlers: Hier dargestellt ist ein berechnetes Wirkungsgradkennfeld eines des DC/DC Wandlers.

56 Technik

57 Fazit Kompakte Größe Extrem leistungsstarkes System Hohe Wirtschaftlichkeit Integrierter Wechselrichter Lange Lebensdauer Höchstmaß an Sicherheit Teilnahme am Regelenergiemarkt Höchstmaß an Kompatibilität und Flexibilität Modulares, schlüsselfertiges System Fernwartung möglich Vielfältige Anschlussmöglichkeiten

58 Fazit Größte Herausforderung der Energiewende ist die Speicherung Durch genaue Kenntnis der Effizienz auch im Teillastbetrieb kann ein optimaler Betrieb erreicht werden energetische Simulation Der Speicher kann gleichzeitig für mehrere Nutzungsmöglichkeiten eingesetzt werden Durch die parallele Nutzung können deutliche wirtschaftliche Vorteile und attraktive Renditen erzielt werden Lösung für Anlagen- und Betriebssicherheit sowie Energiekostensenkungen

59 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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