Überblick: Großformatige und dezentrale Energiespeichersysteme. Holger Schuh Düsseldorf, 11. Juni 2012

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1 Überblick: Großformatige und dezentrale Energiespeichersysteme Holger Schuh Düsseldorf, 11. Juni 2012

2 2 Speicherlösungen für jeden Teil der Wertschöpfungskette Erzeugung Übertragung Verteilung Verbrauch Energiespeicherung Integration Erneuerbarer Energien Verstetigung, Glättung Netzdienstleistungen Frequenzregelung Lastmanagement Spitzenglättung, Spannungsregelung Zeitverschiebung, Lokales Energiemanagement 1 10 MW MW 100 kw 1 MW 5 50 kw Energie & Leistung Hochleistung Energie & Leistung Energie 2

3 Energiespeicherlösungen Leistung & Energie Leistung zu Energie Ratio Netz ohne Erneuerbare Quellen Netzdienstleistungen Energiemanagement Netz mit Erneuerbaren Quellen Glättung Formung Zeitverschiebung Sekunden Minuten Stunden Li-ion Speicher haben die Flexibilität zur Abdeckung aller dieser Anforderungen 3

4 Saft Li-ion Technologie für Energiespeichersysteme 4 Produktmerkmale > Kompakt, geschlossen, wartungsfrei > Sehr hohe Effizient: >95% > Lange Kalender- und Zyklenlebensdauer 20 Jahre bei 60% DoD / Tag > Ladezustandsanzeige > Hohe Flexibilität im Betrieb Felderfahrung > Guadeloupe Feldtest 2008/10 97% Effizienz 50%-tige tägliche Zyklen Saft Leistungsfähigkeit > Zellentechnologie > Produktion > Systemintegration *) DoD depth of discharge Energy (Wh) Cycle number Zyklenlebensdauer bei 20 C und 80 % DOD Standort auf Guadeloupe

5 Speicherung & Smart-Grids Netzunterstützung Smarte Verteilnetze Reference: Growders Workshop Mannheim, 11 May 2011 by KEMA «Experience in field tests with a battery system» H. Colin Ines Solar System Laboratory 5

6 Netzunterstützung Einflussfaktoren / Trends Hoher Anteil unregelmäßiger Erzeugung aus Erneuerbaren Dezentrale Netzarchitekturen Smartes Verteilnetz Begründung Effektive & optimierte Nutzung von Netzkomponenten: vermeidet / verzögert Netzausbau Stellt Netzdienstleistungen zur Verfügung - effizienter als Erzeugung Ermöglicht verschieden Mehrwerte aus einer Quelle Unterstützt smartes, dezentralisiertes Netzmanagement 6

7 Elektrizitätsnetz der Zukunft GROW-DERS Grid Reliability and Operability with Distributed Generation using Transportable Storage Speicher im Verteilnetz > Mildert potentielle Netzüberbelastung > Spannungsregelung vermeidet Über- /Unterspannung > Vermeidet Spannungseinbrüche > Verbessert die Netzqualität (Flicker, usw.) 7

8 GROW-DERS Gefördert im 6 th EU Rahmenprogramm Programmkoordinator KEMA Ziel:Die technische und kommerzielle Leistungsfähigkeit verfügbarer Speichertechnologien darzustellen. Herstellung eines transportablen und flexiblen Speichersystems Realisierung einer Bewertungswerkzeugs zum optimierten Verteilnetzmanagement Beschreibung von Konzepten für die EU Rahmenvorgaben 8

9 Feldteststandorte mit verschiedenen Speichern Standort Chambery Zamudio Zutphen Mannheim Speichertechnologie Li-ion VDC Charge at 80 A Discharge at 200 A Li-ion VDC Charge at 80 A Discharge at 200 A Schwungrad Li-ion + Schwungrad Energie 40 kwh 40 kwh 0,9 kwh 0, kwh Leistung 0-50 kw 0-50 kw kw 0-50 kw kw 9

10 Energiemanagementkonzepte Konzept 1: Planung: Ein-und Verkauf zu kommerziell interessanten Zeiten Netzunterstützung: Verbesserung der Netzqualität: > Kompensation von Unter- und Überspannung voltages (Real time Management), > Kompensation Spannungseinbrüche & Oberwellen (durch Inverter) Konzept 2: Glättung von Nachfragespitzen 10

11 Feldtest-Resulate Beispiel 1: Ladung / Entladung auf Basis des Energie-Spotmarktpreises Änderung im Falle von AC Spannungsvariationen Dynamische Lade / Entladekurven mit variabler Rampensteilheit 11

12 Speicherung bei großen Erzeugungsleistungen Verbesserte Netzintegration von Solar-& Wind-Farmenergie 12

13 Erneuerbare Energieerzeugung in großen Farmen Einflussfaktoren / Trends > Hohe Volatilität der erneuerbaren Erzeugung führt zu Integrationsproblemen > Keine Ersatzleistung für Primärreserve vorhanden > Verschärfung der Netzbetriebsvorschriften Begründung > Überwindung der technischen Einschränkungen bei der Integration der unregelmäßiger erneuerbaren Erzeugung: Glättung und Einspeisung der erzeugten Energie in einem vorhergesagten Fenster Zurverfügungstellung von Primärreserveleitung > Zusätzliche Einnahmen durch Netzdienstleitungen > Vermeidung von Einnahmeausfällen (Reduzierung oder Abschaltung) > Vermeidung einer zusätzlichen Ausgleichsleistung 13

14 Unterstützung von PV-Parks: Glättung 14 Kompensation kurzer Leistungswechsel z. B. aufgrund von Wolken Source: Aerowatt Bis zu 1MW pro installiertem MWp PV Zeitverläufe von Sec bis Stunden Kombiniert mit Netzdienstleistungen Glättung Belässt Produktion innerhalb eines Vorhersage-Fensters: +/-15% Hält Leistung aufrecht bis alternative Erzeugung am Netz ist: Primärreserve-Leistung Spitzenglättung 30 min 10%, 15min <1sec Antwortzeit 2 3 h 14

15 Unterstützung von PV-Parks: Formung Gibt der eingespeisten Leistung eine besser planbare Rechteck- oder Trapezform Injected Power 15

16 Batterieauslegung für Glättung oder Formung Glättung und Primärreserve-Leistung 0,8 MWh installierte Batteriekapazität per MWp 20% der erzeugten PV-Energie wird gespeichert Batterie arbeitet bei durchschnittlich 60% SOC, mit 10% - 80% Zyklentiefen Jahre Betriebslebensdauer AC/AC Effizienz: 80 85% (der gespeicherten Energie) Batterie-Verfügbarkeit 97% Formung: Systemleistung limitiert auf 40% Pmax 1,5 MWh installierte Batteriekapazität per MWp Standort-Optimum: Speichergröße / Erzeugungsverluste 1 Zyklus / Tag mit 85% DOD (max.) 10 Jahre Betriebslebensdauer 16

17 1 Megawatt in 20 Fuß Von Li-Ionen Zellen zu einer kompletten Batterie 24V-80Ah Modul VL41 M 56 kwh Batterieeinheiten verschaltet in // 29 Module 700V plus 1 BMM Technische Daten einer 560kWh Batterie: 20 Fuß Container, 3m Höhe, 2.5m Breite 1.1MW (730V-770Ah), 14t Gewicht 17

18 Systems: Battery container Active cooling and moisture control Fire suppression system Battery Modules Energy cabinet: main supply converter battery plugs Switches MBMM Central monitoring 18

19 Tudela Solar Farm 1. Projekt in Europa, verbindet MW PV-Park mit einem MWh Li-Ionen Speicher Ermöglicht planbare PV-Energieerzeugung Reduziert die durchschnittlichen Erzeugungskosten LCOE (Levelised Cost Of Energy) Projektleitung durch Acciona 1.2 MW PV Farm in Tudela, Spanien 1.1 MW Li-Ionen Batteriecontainer 19

20 Speicherung & verteilte Erzeugung Energiespeichersysteme für Privathäuser und kleine Unternehmen 20

21 Der Mehrwert der Speicherung 21 Haushalt: Maximierung des Eigenverbrauchs Unabhängiger bei Energiekostenerhöhung Sicherheit gegen Stromausfälle Netzbetreiber: Reduziert Erzeugungs- /Verbrauchsspitzen Bietet Netzdienstleistungen Gesellschaft: Reduzierung der CO 2 Emissionen Erhöhung der umweltfreundlichen Energieerzeugung 21

22 Felderfahrung auf Guadeloupe Netzunterstützung in Nachfragespitzenzeiten 14 Standorte mit 2.5 kwp PV und 11 kwh Li-ion Batterien Ersatz fossiler Erzeugung Verbesserte Netzqualität Resultate Netzeinspeisung zu Spitzenzeiten 1h Morgens / 3h Nachmittags Batterieeffizienz 97% Durchschnitt. täglicher Zyklus 45% DoD Erwarteter ROI 6-10 Jahren Puissance (W) Site in Guadeloupe Battery discharge Abhängig von der Spitzenpreisentwicklung Heure (ex 820 = 8 heures 20 minutes) 22

23 Sol-ion Forschungsprojekt Häusliches Energiespeichersystem > Zeitliche Verschiebung von PV-Energie in Zeiten höchster Wertschöpfung > Unabhängiger von Energiekosten durch erhöhten Eigenverbrauch > Versorgung kritischer Verbraucher bei Netzausfall Integriertes Energiespeichersystem > Umwandlung, Speicherung & Management der PV-Energie > 75 Systeme im Feldtest in Deutschland und Frankreich ( ) EMS Converter 5 kw Stringinverter Battery Nachfrageorientiertes Energiemanagement > Steuerung von Speicherung und Verbrauch über intelligente Zähler > Kann in ein zukünftiges Smart-Grid integriert werden 23

24 Typischer Betrieb im Sommer 2011 (Deutschland) Energiemanagement Energiemanagement Energiequellen 1. Von Batterie PV 2. Vom Netz Batterie 3. Von PV und Netz Netz 4. Von PV, Batterieladung Batterie Ladung / Entladung 5. Von PV, Netzeinspeisung Betriebsdaueroptimierung PV und Batterie 6. Von 7. Von Notenergieversorgung Batterie, Netzeinspeisung Quelle: ZSW, Voltwerk 24

25 Erhöhung des Eigenverbrauchs Erwartet: Erhöhung von 30% (ohne Batterie ) auf 70% Auf Basis von: +/-2 kwh /kwp Gemessen (Widderstall, Deutschland, 2011) mit Speicherung ohne Speicherung SC rates 18/11/ /11/ /11/ /11/ /11/ /11/ /11/ /11/ /11/ /11/ /11/2011 Sol-ion 85% 72% 100% 86% 82% 100% 100% 90% 92% 67% 100% without storage 45% 37% 51% 55% 52% 74% 58% 49% 45% 35% 72% 25 Quelle: ZSW, Voltwerk

26 Das Li-ion Batteriesystem 26 Modulares Design Energie Module 48V, 2.2 kwh Zellenausgleich, U, T Überwachung BMM (Battery Management Module) Ladezustand, Betriebszustand, Schutzfunktionen, Kommunikation Leistungsfähigkeit > 95% Batterieeffizienz 20 Jahre 1 Zyklus/Tag (60% Durchschnitt) Wartungsfrei Ergebnisse Hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit Sicherheits-getriebene Entwicklung, IEC Batteriezulassungen UN, EMC, SIL Sicherheit IEC und IEC *) Zulassung durch VDE *) IEC Information technology equipment safety, general requirements IEC general & safety requirements for UPS used in operator access areas Beispiel-Batteriesystem 288V, 13kWh

27 DIE ZUKUNFT Integriertes Energieumfeld Optimierte Nutzung aller Installationen > Lokale Erzeugung > Netz > Speicherung Nachfrageorientiertes Energiemanagement Null-Energie-Gebäude Nutzung von Energiespeicherung in vielfältiger Weise 27

28 Zusammenfassung und Ergebnis Hochleistungsfähige Li-Ion Batteriesysteme bieten: Mehrwerte an den verschiedensten Stellen der Energiewertschöpfungskette Abdeckung verschiedener Funktionen und Dienstleistungen durch nur eine installierte Batterie Optimierte Batteriesysteme für eine spezielle Anwendung Integrierbarkeit zu größeren Einheiten Wir befinden uns in einer frühen Phase erfolgreiche Erstinstallationen werden den Durchbruch bringen! 28

29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Welche Fragen haben Sie?