Stromspeicher-Systeme für PV ist Lithium die Lösung?

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1 Stromspeicher-Systeme für PV ist Lithium die Lösung? 12. Workshop "Photovoltaik-Modultechnik" Köln,, Kai-Philipp Kairies 1 Potenziale der dezentralen Speicherung von Solarstrom Erhöhung des Eigenverbrauchs Verfügbarmachung von Solarstrom abends/ nachts Absicherung gegen steigende Strompreise Entlastung der Verteilnetze Einspeicherung der Erzeugungsspitze Verbesserte Netzverträglichkeit von PV-Anlagen $$ [1] 2

2 Das KfW-Förderprogramm Speicher Zeitraum: Mai 2013 Ende 2015 Fördervolumen: Bis zu 50 Millionen Euro Tilgungszuschüsse Art der Förderung: Zinsgünstige Kredite durch die KfW- Bankengruppe Tilgungszuschüsse in Höhe von 30% der förderfähigen Kosten Bis zu 600 pro Kilowatt installierter Solarleistung 5 kwp bis zu Förderung Website der KfW Bankengruppe 3 Aktueller Stand am Markt KfW-Förderprogramm Speicher Das Speichermonitoring Marktbeobachtung Untersuchung von Betriebsdaten 4

3 Dezentrale Speicherkapazitäten in Deutschland ISEA / RWTH Aachen Geographische Verteilung der registrierten Solarstromspeicher Mehrheit der Solarstromspeicher befinden sich im Süden und Westen Deutschlands : Bayern Baden-Württemberg Nordrhein-Westphalen Niedersachsen Geringe Installationszahlen in nördlichen/östlichen Bundesstaaten Deutschlands Stand: Oktober

4 Motivation zur Investition in ein PV- Speichersystem 7 Installierte und Nutzbare Kapazität 8

5 Entwicklung der Endverbraucherpreise 9 Anteile von Lithium-Ionen und Bleibatterien, nach der nutzbaren Kapazität 10

6 Jahresbericht zum Speichermonitoring Veröffentlichung des Jahresberichts zum Speichermonitoing Ergebnisse der ersten 1,5 Jahre des Speichermonitorings PDF Version zum freien Download auf 11 Also alles Lithium in naher Zukunft? 12

7 Energiedichten von Lithium-Ionen-Batterien sind sehr gut Tesla heute (Consumer Zellen) 240 Wh/kg 13 Klassifizierung und Typen von Lithium-Batterie-Systemen Li-Systeme Unterscheidung nach Anodenmaterial (negative Elektrode) Systeme mit metallischem Lithium: Li Metall Unterscheidung nach Elektrolyt Flüssiger Elektrolyt: Li-Metallflüssig Polymer Elektrolyt: Li-Metall- Polymer Nur für Knopfzellen Lange wenig Aktivität z.b. Bollore (F), jetzt auch Bosch Folie 14

8 Lithium-Metall-Polymer-System Polymere Elektrolyte Problem: Polymere Elektrolyten haben sehr schlechte spez. Leitfähigkeit, müssen sehr dünn sein (~ 10 µm) Nur sinnvoll bei Temperaturen oberhalb von C. Lithium-Metall-Polymer- Systeme sind beheizt. z.b. PEO mit Lithiumsalz, keine flüssige Komponente (Polyethylen Oxid) 15 Klassifizierung und Typen von Lithium-Batterie-Systemen Li-Systeme Systeme mit metallischem Lithium: Li-Metall Systeme ohne metallisches Lithium: Li-Ionen Flüssiger Elektrolyt: Li-Metallflüssig Polymer Elektrolyt: Li-Metall- Polymer Flüssiger Elektrolyt: Li-Ionenflüssig Polymer Elektrolyt: Li-Ionen- Polymer Nur für Knopfzellen Lange wenig Aktivität z.b. Bollore (F), jetzt auch Bosch Einsatz in EV und HEV Betrieb bei höheren Temp. & geringer Leistung 16

9 Das Lithium-Ionen-System ( Rocking Chair ) 17 Das Lithium-Ionen-System: eingesetzte Materialien Polymere Elektrolyte org. & anorg. aprotische Elektrolyte z.b. SO 2 -LiAlCl 2, DMF-LiCO 2, THF-LiCO 2 z.b. PEO mit Lithiumsalz, keine flüssige Komponente (Polyethylen Oxid) Schlechter spez. Leitwert muss kompensiert werden durch: geringen Abstand der Elektroden große Oberfläche 18

10 Solid Electrolyte Interface (SEI) Wichtigster Alterungseffekt Laden 19 Kokam 7.5 Ah: Post-Mortem Analyse Neue Zelle Bei -30 C geladene Zelle Neben goldener Farbe von Graphit silberner Film sichtbar Dendriten-Bildung auf hohen Partikeln 20

11 Lithium-Plating bei hohen Strömen und tiefen Temperaturen Alterung Sicherheitsrisiko 21 Kritische Eigenschaften verschiedener Materialkombinationen Lithium plating Negative 4.2 V (voll geladen) C 6 / LiMeO 2 (Me Co, Ni, Mn, Al) 3.6 V (voll geladen) C 6 / LiFePO 4 Positive Thermal runaway sicher 0 V 1 V 2 V 3 V 4 V 2.7 V (voll geladen) Potential vs. Li/Li + [V] sicher sicher LTO / LiMeO V (voll geladen) LTO / LiFePO 4 Thermal runaway sicher 22

12 Große Unternehmen gehen in den Markt GDCh Dresden 23 Preise sind stark unter Druck - Treiber ist die Automobilindustrie Quelle: Technologie-Roadmap Energiespeicher für die Elektromobilität 2030 eigene Einschätzung Consumer-Zellen noch günstiger (siehe TESLA) 24

13 Kostenprognose für Li-Ion Batteriepacks Studie der Bank UBS von Aug US$ / kwh Quelle: UBS, August 2014 Folie 25 Kostenprognose für Li-Ion Batteriezellen und - packs Studie von UBS (Aug. 2014) Quelle: UBS, August 2014 Folie 26 Folie 26 Batteriespeichersysteme

14 TESLA-Giga-Factory Dirk Batteriespeichersysteme Uwe Sauer Folie 27 TESLA-Giga-Factory Dirk Batteriespeichersysteme Uwe Sauer Folie 28

15 Sicherheit Lithium-Ionen- Batterien können brennen tun sie aber glücklicherweise selten, wenn hohe Zell- und Systemqualität sichergestellt ist. Einzelzelllüberwachung notwendig Packdesign kann Risiken minimieren Risiko steigt mit zunehmendem Alter Löschen mit Wasser ist ok 29 Battery Management Systems: Requirements for multi-cell systems Neue Batterie, einheitlicher SOC Zelle bestimmt Ende der Aufladung uneven aged cells, or unbalanced SOC loss of usable capacity Zelle bestimmt Ende der Entladung 30

16 Zellverschaltung Niedervoltsysteme und Parallelschaltung von Zellen Problem: Streuung der Alterung über die Zeit 48 Zellen, Sanyo 18650, Zyklentest mit 1C, Vollzyklen Folie 31 Verschaltungsmöglichkeiten Serienschaltung Modulare Einzelstränge Folie 32

17 Verschaltungsmöglichkeiten Strangweise Parallelschaltung Parallelschaltung auf Zellebene Folie 33 Starke Abhängigkeit der Lebensdauer vom Ladezustand C act /C BOT 1,05 1 0,95 0,9 0,85 0,8 T 40 C 20% SOC CV 50% SOC CV 80% SOC CV 90% SOC CV 100% SOC CV 0, t/days 34

18 Sanyo NMC Kleine Zyklenhübe geringe Alterung Zyklentests bei verschiedenen Zyklentiefen Mittlerer SOC ist 50% in allen Fällen Normalisierte Kapazität Starke Streuung der Zellen am Ende der Lebensdauer 100% 5 20% DOD, SOC 50% 0 10% Zyklenlebensdauer sehr gut 20 50% 60 95% Äquivalente Vollzyklen 35 Sanyo NMC Kleine Zyklenhübe geringe Alterung Wöhlerkurve Vollzyklenzahl ist relativ gering für 100% DOD 36

19 Kleine Zyklenhübe führen zu sehr wenig Alterung Überlagerung von Zyklen mit moderater zeigt keinen negativen Einfluss auf die Lebensdauer 1 T 40 C 0,95 C act /C BOT 0,9 0,85 50% SOC CV 10% DOD, 50% SOC 80% SOC CV 50% DOD, 75% SOC 0, t/days äquiv. Vollzyklen 37 Entladestromstärken haben keinen erkennbaren Primäreinfluss auf die Alterung Auch mit 80%-Zyklen werden über äquiv. Vollzyklen erreicht Stromstärke hat innerhalb der Spezifikation wenig Einfluss auf Lebensdauer 1 C act /C BOT 0,95 0,9 0,85 0,8 Mittlerer SOC in allen Tests ist 50% Äquiv. Vollzyklen 10% deltadod, 2C, 30 C 10% deltadod, 1C, 30 C 50% deltadod, 2C, 30 C 50% deltadod, 1C, 30 C 80% deltadod, 2C, 30 C 80% deltadod, 1C, 30 C Temperatur der Zelle stabilisiert, Temp.-Angabe ist nicht die Umgebungstemperatur! 38

20 Zusammenfassung Rohmaterialien von Lithium-Ionen-Batterien deutlich im Vergleich mit Bleibatterien (Faktor 4 bis 5) Wirkungsgrad (Zellebene) > 95% (Vergleich Blei: 80 85%) Zyklenlebensdauern stark von Belastungsprofil abhängig, Werte liegen zwischen < und > Preise für Zellen sinken dramatisch schnell (Großabnehmer der Automobilindustrie zahlen aktuell 120 bis 170 /kwh) Lithium-Eisen-Phosphat fällt im Preiskampf zurück Zyklenlebensdauern sind aktuell mit Lithium-Ionen-Batterien günstiger als mit Bleibatterien. Trendumkehr nur möglich, wenn Bleibatteriehersteller massive Änderungen im Preis herbeiführen 39 Stromspeicher-Systeme für PV ist Lithium die Lösung? 12. Workshop "Photovoltaik-Modultechnik" Köln,, Kai-Philipp Kairies kka@isea.rwth-aachen.de 40