Eigenverbrauchsoptimierung mit der Batterie Forschungsaktivitäten am ESReC

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1 Eigenverbrauchsoptimierung mit der Batterie Forschungsaktivitäten am ESReC Prof. Dr. Andrea Vezzini BFH-CSEM Energy Storage Research Center (BFH-CSEM ESReC) : Innovationsgruppe secure Home Automation (IGsHA) Berner Institut Fachhochschule für Energie- und Haute Mobilitätsforschung école spécialisée bernoise Berner Fachhochschule Bern University of Applied Sciences

2 Ihr Referent Name: Andrea Vezzini Position: Professor für Industrieelektronik Berner Fachhochschule Firma / Institut: Institut für Energie und Mobilitätsforschung Strasse/Postfach: Quellgasse 21 PLZ, Ort: 2501 Biel Telefon: +41 / (0)32 / URL: andrea.vezzini@bfh.ch Vita / Tätigkeitsbeschreibung Seit 1996 Professor für Industrieelektronik an der Berner Fachhochschule Technik und Informatik Stellvertretender Leiter des SCCER Efficiency in Mobility seit 2013 Leiter des BFH-CSEM Energy Storage Center ESReC seit 2014 Kommissionsmitglied Eidgenössische Energieforschungskommission (CORE) seit 2015 Mitbegründer und Verwaltungsratspräsident der drivetek ag seit 2002 Mitbegründer und Verwaltungsrat der Integrated Power Systems AG seit 2009 Erfinder/Miterfinder von 8/23 Patenten/Patentnennungen auf dem Gebiet der elektrischen Maschinen und Lithium-Ionen-Batteriesysteme 2

3 hi-tech, Oktober 2014

4 BFH-CSEM Energy Storage Center Ein unabhängiges, akademisches Energiespeicherforschungszentrum für die Schweiz im Dienste von Wissenschaft und Industrie Testen und Charakterisieren von elektrochemischen Energiespeichersystemen Batterie- und Energie- Management-Systeme Fertigungstechnologien für grossformatige Batteriezellen Integration von Energiespeichern in PV- Systeme Management und Integration von Brennstoffzellensystemen Netzqualitätsmessungen und Simulation von Netzen mit dezentraler Energiespeicherung 4

5 Aktiv in drei nationalen Forschungsnetzwerken SWISS COMPETENCE CENTER FOR ENERGY RESEARCH (SCCER) FUTURE SWISS ELECTRICAL INFRASTRUCTURE SCCER FURIES EFFICIENT TECHNOLOGIES AND SYSTEMS FOR MOBILITY SCCER MOBILITY HEAT AND ELECTRICITY STORAGE SCCER STORAGE 5

6 Energiemanagement PV und Batteriespeicher führen zu einem extrem flexiblen Konsumentenverhalten (Prosumer) mit dem Ziel der ökonomischen Maximierung 6

7 Elektrische Energiespeicher nach der Art der Energiespeicherung Elektroenergiespeicher (EES) Mechanisch Elektrochemisch Elektrisch Pumpspeicherkraftwerk Druckluftspeicherkraftwerk Akkumulatoren Blei/NiCd/NiMH/Li-Ion HT-Akkumulatoren NaS/NaNiCl Doppelschichtkondensatoren Supraleitende Spulen (SMES) Schwungrad Flow- & Gas-Batterien Redox- u. Hybridflow / Metall-Luft Wasserstoff / Reg. Brennstoffzelle 2-2: Einteilung verschiedener Elektroenergiespeicher nach der Art der Quelle: Fraunhofer, Florian Hannig; BMWi-Auftragsstudie 08/28 7

8 Technologien für elektrochemische Speicher Momentan die dominierende Technologie für den Heimbereich Preisreduktion ist zu erwarten Speicher für Grossspeicheranlagen Zur Zeit eine geringe Marktdurchdringung Mögliche Lösung, aber vom technologischen Standpunkt nicht unbedingt geeignet 8 Source: batteries@isea.rwth-aachen.de, 2015

9 Einsatzfelder und Speichertechniken Quelle: nach BWK Das Energie-Fachmagazin Bd. 65 (2013) Nr. 4, Springer-VDI-Verlag / C. Bossel / Fachtagung Netztechnik Einsatzfelder Stromhandel Erzeugungsglättung,-verschiebung Lastglättung, -verschiebung Spitzenlastreduzierung EE-Langzeitausgleich Schwarzstart Inselsysteme / Einzelverbraucher (off-grid) Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) Netzersatz (NEA) gering Leistung hoch Momentanreserve Spannungsqualität kurz Primärregelleistung Sekundärregelleistung Minutenreserve Sekunden Minuten Stunden Tage (Ultra-)Kurzzeitspeicher Super Caps / Spulen -Supraleitende Magnetenergiespeicher (SMES) -Kondensatoren -Schwungrad Batterien Speichertechniken Redox-Flow Batterien Thermische Stromspeicher (Pump-)Speicherkraftwerke / Druckluftspeicher (CAES) lang Einsatzzeitraum Thermopotenzialspeicher / Kyrospeicher (Liquid Air) Große (Pump-) Speicherkraftwerke / Power-to-gas (H 2 / syn. Methan) 9

10 Netzstruktur und Übertragungsleistungen 10 Source: 2015

11 Elektrochemische Speicher Tag-Nacht-Ausgleich, Eigenverbrauchssteigerung bei Photovoltaikanlagen 11

12 Was kann mit Stromspeichern erreicht werden? Nutzerorientierte Funktionen Verschieben der ungenutzten PV- Erzeugung in die Abendstunden Erhöhung des Eigenverbrauchs Reduktion des Strombezugs vom Netz Kostenvorteile in Nutzungsphase Netzdienliche Funktionen Glättung der Netzlast Vermeidung von Überspeisung des Mittelspannungsnetzes Spannungshaltung Erhöhung der Netzverträglichkeit von PV Quelle: Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck Leistung in kw L Leistung in kw Energiemenge in kw Wh Verbrauch und Erzeugung 0 0:00 5 6:00 12:00 18:00 0: PV Erzeugung Netzlast Verbrauch 0 0:00-5 6:00 12:00 18:00 0: ohne Speicher Ladezustand des Speichers mit Speicher 0 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 Energiemenge im Speicher E_max 12

13 Bleibatterien 13

14 Lithium-Ionen Batterien 14

15 Redox-Flow Batteries 15

16 IMERGY ESP5TM SERIES: 5 kw, kwh Imergy ESP5 Series System Specifications Output Power 5 kw Energy Capacity Cycle Life 15/20/25/30 kwh Unlimited or 10 years Discharge : Charge Ratio Up to 3 : 1 Ambient Temperature Range Charge Voltage Range Output Voltage Range Duty Cycle -20 C to +55 C / -4 F to +131 F Up to 58 VDC Nominal 48 VDC Continuous DC Efficiency 70-75% Monitoring Five-band: UMTS/HSPA 850/800, 900, 1900, 2100 MHz Quad-band: GSM/ GPRS/EDGE 850/900/1800/1900 MHz SMS messaging Ethernet/RS485/RS232 Ideal for Critical Applications Imergy Power Systems has achieved a fundamental milestone in energy storage by developing an exclusive process for producing high-performance flow batteries with recycled vanadium from mining slag, oil field sludge, fly ash and other forms of environmental waste. As a result of this technology and other developments, Imergy will be able to lower the cost of its flow batteries from $500 a kilowatt hour, already an industry benchmark, to under $300 per kilowatt hour. 16

17 Typischer Haushaltstromverbrauch Mehrfamilienhaus Einfamilienhaus Unter «Allgemeinstromverbrauch» fallen allgemeine Beleuchtung, Heizungspumpen, Lüftung usw. [KWh/a] ohne mit Elektroboiler ohne mit Elektroboiler pro 1 zusätzliche Person Elektroboiler Geräte, Beleuchtung Allgemeinstromverbrauch S.A.F.E. 17

18 Eigenverbrauchsanteil und Autarkiegrad Eigenverbrauchsanteil (links) und Autarkiegrad (rechts) in Abhängigkeit der nutzbaren Speicherkapazität und PV-Leistung, jeweils normiert auf den Jahresstrombedarf in MWh. Durch die Normierung lassen sich die Bewertungsgrössen für Haushalte je nach der Höhe des Jahresstrombedarfs abschätzen. Grafiken: Solarpraxis AG /Harald Schütt nutzbare Speicherkapazität in kwh/mwh Eigenverbrauchsanteil 2,5 2,0 90 % 80 % 1,5 70 % 60 % 50 % 1,0 40 % 0, ,5 1,0 1,5 PV-Leistung in kwp/mwh 30 % 2,0 20 % 2,5 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % nutzbare Speicherkapazität in kwh/mwh 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 20 % 10 % 30 % 40 % 50 % 0 0 0,5 1,0 PV-Leistung in kwp/mwh Autarkiegrad 60 % 1,5 70 % 2,0 80 % 2,5 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % Quelle: Abbildung 1: Eigenverbrauchsanteil / pv (links) magazine und Autarkiegrad 01/2013 (rechts) in Abhängigkeit der nutzbaren Speicherkapazität und PV-Leistung, jeweils nor- 18

19 PV-Storage: Bestimmen der Batteriegrösse Nutzbare Speichenergie ist im Mittel 6.25kWhr Blei- und Lithium-Technologie haben unterschiedliche Entladetiefen (DoD) bei gleicher geforderter Lebensdauer 19 Source: 2015

20 Dual-Use: Anzahl Zyklen und Alterung Depth of Discharge defines aging and therefore costs 20

21 Dual-Use: Uninterruptable Power Suplly 21

22 Anschlussarten

23 Tesla Powerwall: Specs DC-gekoppeltes Speichersystem 23

24 Varta Element 6 Komplettsystem mit integriertem Wechselrichter sowie Batterie- und Energiemanagement für (3.2kWh) VARTA ELEMENT 3 VARTA ELEMENT 6 SYSTEM Nominale Batteriekapazität Systemleistung Entladetiefe Nutzbare Speicherkapazität Energiemanagementsystem Maße (B x H x T) in mm Gewicht inkl. Batteriemodule Schutzklasse Netzanschluss Netzformen Systemgarantie* 3,2 kwh 1,6 kw 90 % 2,9 kwh EMS VS-Pro 600 x x kg IP V AC, 3-phasig, 50 Hz TN-Netze; TT-Netze 7 Jahre Instandsetzungsgarantie 6,4 kwh 2 kw 90 % 5,8 kwh EMS VS-Pro 600 x x kg IP V AC, 3-phasig, 50 Hz TN-Netze; TT-Netze 7 Jahre Instandsetzungsgarantie BATTERIE Elektrochemie Zelle Zellüberwachung Lade-/Entladezeit Garantie auf Batteriezellen* Lithium-Ionen vollintegriert ~2 h bis zum max. Ladezustand 10 Jahre oder Zyklen** Lithium-Ionen vollintegriert ~3 h bis zum max. Ladezustand 10 Jahre oder Zyklen** FUNKTION Eigenverbrauchsoptimierung Energiemanagement Leistungserfassung Auslesefunktionen/Service Visualisierung 3-phasig integriert, vollautomatisch 3-phasig über Stromsensor Ethernet Internet-Webportal und interner Webserver 3-phasig integriert, vollautomatisch 3-phasig über Stromsensor Ethernet Internet-Webportal und interner Webserver SMART HOME Datenschnittstelle Systemerweiterung (optional) Steuerung/Überwachung/Monitoring XML, Modbus/TCP 4 programmierbarere Schaltkontakte zur Lastensteuerung, Solar-Log, meteocontrol, RWE SmartHome, LichtBlick (SchwarmStrom) PC, Tablet, Smartphone XML, Modbus/TCP 4 programmierbarere Schaltkontakte zur Lastensteuerung, Solar-Log, meteocontrol, RWE SmartHome, LichtBlick (SchwarmStrom) PC, Tablet, Smartphone BETRIEBSSTATUS Laden/Entladen eigenverbrauchsoptimiert eigenverbrauchsoptimiert 24

25 Prosumer-Lab Mehr Erzeugung erneuerbarer Energie, Ausbau eines intelligenteren Stromnetzes und höhere Speicherkapazität das sind die drei entscheidenden Elemente für das Gelingen der Energiewende. Quelle: Zeit online, 27. April

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27 Prosumer-Lab: P&D für das Smart-Building Pilot- und Demonstrationsanlage für Systemkomponenten in intelligenten Gebäuden anhand variabler, flexibler und reproduzierbarer Verhaltensszenarien von Prosumenten Entwicklung, Tests und Demonstration neuer Strategien und Algorithmen für Energiemanagementsysteme für die zuverlässige, kosten- und energieeffiziente Gebäudeintegration ins Verteilnetz Entwicklung und Demonstration von standardisierten Tests und Umgebungen zur Bewertung von Energiemanagementsystemen in intelligenten Gebäuden Studie über die Effekte verteilter Energiemanagementsysteme und Komponenten auf die Netzqualität im Gebäude und an der Netzanschlussstelle sozioökonomische Analyse des Unternehmens-Ökosystems mit dem Ziel innovative Geschäftsmodelle für Verteilnetzbetreiber zu entwickeln Seite 27

28 Prosumer-Lab: Konzept (PQ-) Messung Remote-Test Infrastruktur Netz PV Simulator Grid Simulator Speicher EmulaCons- und Hardware-Infrastruktur (AC-Netz,50kVA) EVO2 RCDP Sim-Box Interfaces Lastprofile Datenbank 3-phasen 4-Quadranten Last (Oberschwingungsfähig) WP Klima BaV emob Haus Netz Seite 28 Gateway

29 Fazit 29

30 Synopsys Elektrochemische Speicher erlauben die Integration eines höheren Anteils an erneuerbaren Energien ins Verteilnetz und fördern den Eigenverbrauch Elektrochemische Speicherlösungen sind heute erhältlich und in gewissen Anwendungen auch ökonomisch sinnvoll Dual-Use Anwendungen erhöhen den ökonomischen Nutzen von Speicheranwendungen Mit zunehmender Durchdringung des Netzes mit Speichern zur Eigenverbrauchsoptimierung sollten auch netzdienliche Funktionen möglich werden Speicherlösungen in der Mobilität werden die Preisentwicklung auch in den Anwendungen der Energietechnik vorantreiben. Neue Installationen eignen sich besonders für DC-gekoppelte Systeme in Kombination mit Hybrid-WR, AC-Systeme eignen sich insbesondere zum Nachtrüsten bestehender PV-Anlagen 30

31 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Prof. Dr. Andrea Vezzini BFH-CSEM Energy Storage Research Center : energie-cluster.ch: Innovatives Netzmanagement als neue Aufgabe Berner Institut Fachhochschule für Energie- und Haute Mobilitätsforschung école spécialisée BFH bernoise TI Bern University of Applied Sciences