BETRIEBSABHÄNGIGE KOSTENBERECHNUNG VON ENERGIESPEICHERN

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1 BETRIEBSABHÄNGIGE KOSTENBERECHNUNG VON ENERGIESPEICHERN 13. Symposium Energieinnovation , Graz/Austria Maik Naumann, Cong Nam Truong, Ralph Ch. Karl, Andreas Jossen

2 Motivation [2] [1] Kostenvergleich in P N kw bzw. E N sinnvoll? kwh [3] [5] [4] Betriebsabhängige Kostenberechnung von Energiespeichern 2

3 Gliederung 1. Motivation 2. Vollkostenrechnung für Energiespeicher 3. Anwendung des Rechenmodells 4. Zusammenfassung Betriebsabhängige Kostenberechnung von Energiespeichern 3

4 2.1 Ansatz des Modells Definition Anwendungsszenario Definition Speicher Berechnung Speicherbetrieb Berechnung Kosten k Eaus Definition Zielgröße: Optimierung der Kosten Technologieauswahl, Dimensionierung und Betrieb des Speichers Vollkosten der ausgespeicherten Energie k Eaus = k VK,AF E aus = K 0 + K Ersatz K Restwert AF + K Betrieb E aus kwh Betriebsabhängige Kostenberechnung von Energiespeichern 4

5 2.2 Beschreibung des mathematischen Modells Berechnung des Energieumsatzes: Abstraktes Speichermodell Speichersystem Eingespeicherte Energie E Ein Ausgespeicherte Energie E Aus Energiewandlung Energiespeicher Energiewandlung Energieverluste E Verluste = Nutzungsgradverluste + Selbstentladung Betriebsabhängige Kostenberechnung von Energiespeichern 5

6 2.2 Beschreibung des mathematischen Modells Berechnung der Alterung: Ereignisorientiertes Modell Lastszenario der Anwendung Alterung durch Belastung Gesundheitszustand des Speichers Alterung SOH E Last,max Nein Speicher Ersatz? Ja Nächster Zeitschritt mit gealtertem Speicher kalendarisch Restwert Betriebsabhängige Kostenberechnung von Energiespeichern 6

7 2.2 Beschreibung des mathematischen Modells Berechnung der Kosten für Zielgröße: Anfangsinvestitionskosten Ersatzinvestitionskosten Restwerte + Annuitätenfaktor Betriebs- und Verlustkosten k Vollkosten,AF Bezug auf ausgespeicherte Energie E aus k Eaus Vollkosten ausgespeicherter Energie Betriebsabhängige Kostenberechnung von Energiespeichern 7

8 Gliederung 1. Motivation 2. Vollkostenrechnung für Energiespeicher 3. Anwendung des Rechenmodells 4. Zusammenfassung Betriebsabhängige Kostenberechnung von Energiespeichern 8

9 00:00 01:30 03:00 04:30 06:00 07:30 09:00 10:30 12:00 13:30 14:45 16:15 17:45 19:15 20:45 22:15 23:45 Leistung [W] Ladezustand [%] 3.1 Beispielhaftes Anwendungsszenario Batteriespeicher im Haushalt mit Photovoltaik-Anlage: PV-Erzeugung 100% 80% Zeit Lastprofil Netzbezug Photovoltaik-Einspeisung: 4,0 kwp Verbrauch: 3500 kwh/jahr Mindestgröße Batteriespeicher: 5,0 kwh Direkter Verbrauch Netzeinspeisung Batterieladung Batterieentladung Betriebsstrategie: Maximaler Eigenverbrauch 60% 40% 20% 0% nach [6] Betriebsabhängige Kostenberechnung von Energiespeichern 9

10 3.1 Beispielhaftes Anwendungsszenario Ladezustandsprofil des Speichers: Ladezustand [%] Ladezustand [%] - gleitender Mittelwert 24 h Ladezustand [%] Zeit [d] Standardlastprofil H0 Bayern (nach [7]) Jahresgang einer vermessenen PV-Anlage in München Betriebsabhängige Kostenberechnung von Energiespeichern 10

11 3.1 Beispielhaftes Anwendungsszenario Histogramm des Ladezustandsprofils des Speichers als Lastszenario: Anzahl der Zyklen Zyklentiefe DOC [%] Auswertung des Ladezustandsprofils mit Zyklenzählalgorithmus (nach [8]) Lastszenario über 1 Jahr, zyklisch für 20 Jahre Nutzungsdauer wiederholt Betriebsabhängige Kostenberechnung von Energiespeichern 11

12 3.2 Speicherkennzahlen nach Technologie Speicher Blei-Säure Lithium-Ionen Natrium- Schwefel Größe Gesamtnutzungsgrad η [%] 72,5 85,0 71,5 Selbstentladungsrate δ [%/Jahr] 91,25 60, ,00 Kalendarische Lebensdauer 7,5 12,5 17,5 t EOL,Kalendarisch [Jahre] Spezifische Investitionskosten Leistung k p [ /kw] Spezifische Investitionskosten Energieinhalt k E [ /kwh] (nach [9]) Betriebsabhängige Kostenberechnung von Energiespeichern 12

13 3.2 Speicherkennzahlen nach Technologie Wöhler-Kurven der Zyklenfestigkeit der Speicher: Mögliche Zyklen bis Lebensdauerende x 104 Blei-Säure Lithium-Ionen Natrium-Schwefel Zyklentiefe [%] (nach [10] für Blei-Säure, [11] für Lithium-Ionen, und [12] für Natrium-Schwefel) Betriebsabhängige Kostenberechnung von Energiespeichern 13

14 3.3 Analyse der Bestandteile der Vollkosten Jährliche Kosten eines Lithium-Ionen-Speichers: Jährliche Kosten [ ] K 0,AF K Ersatz,AF - K Restwert,AF K Betrieb K Vollkosten,AF E N [kwh] Kostengünstige Speichergröße mit 6,2 kwh, jährliche Vollkosten von 396, Betriebsabhängige Kostenberechnung von Energiespeichern 14

15 3.4 Bezug Vollkosten auf ausgespeicherte Energie Jährliche Vollkosten [ ] E N [kwh] Vergleich Bleibatterie Lithium-Ionen-Batterie Vollkosten: 262,35 (7,4 kwh) 396,87 (6,2 kwh) Vollkosten E aus : 0,34 /kwh 0,44 /kwh Vollkosten ausgespeicherter Energie [ /kwh] Blei-Säure Lithium-Ionen Natrium-Schwefel E N [kwh] + 51,26 % + 29,41 % Betriebsabhängige Kostenberechnung von Energiespeichern 15

16 3.5 Einfluss der belastungsabhängigen Alterung Vollkosten ausgespeicherter Energie [ /kwh] Berücksichtigung der Lithium-Ionen - Komplett Lithium-Ionen - Nur Kalendarisch E N [kwh] belastungsabhängigen Alterung relevant Größe Alterung Speicher Günstigste Speichergr. [kwh] Jährliche Vollkosten [ ] Vollkosten ausgesp. Energie [ kwh ] Nur kalend. Lithium-Ionen Komplett [%] 5,6 6,2 10,71 346,44 396,87 14,56 0,38 0,44 15, Betriebsabhängige Kostenberechnung von Energiespeichern 16

17 Gliederung 1. Motivation 2. Vollkostenrechnung für Energiespeicher 3. Anwendung des Rechenmodells 4. Zusammenfassung Betriebsabhängige Kostenberechnung von Energiespeichern 17

18 4 Zusammenfassung Anwendungsszenarien mit unterschiedlicher Belastung Alterung von Dimensionierung und Betriebsweise abhängig Mathematisches Modell für Kostenvergleich von Speichern Wichtige Einflussgrößen auf Vollkosten: Ausgespeicherte Energie Belastungsabhängige Alterung Betriebsabhängige Kostenberechnung von Energiespeichern 18

19 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Betriebsabhängige Kostenberechnung von Energiespeichern 19

20 Quellen [1] Abrufdatum [2] Abrufdatum [3] Abrufdatum [4] Abrufdatum [5] Abrufdatum [6] Braun, M.; Büdenbender, K.; Magnor, D.; Jossen, A.: Photovoltaic self-consumption in Germany - Using Lithiumion storage to increase self-consumed photovoltaic energy. EU PVSEC (September/2009), S [7] E.ON Mitte AG: Standardlastprofile 2012, Abrufdatum: [8] Dambrowski, J.; Pichlmaier, S.; Jossen, A.: Mathematical methods for classification of state-of-charge time series for cycle lifetime prediction, Advanced Automotive Battery Conference Europe 2012, Mainz, 2012 [9] Fuchs, G.; Lunz, B.; Leuthold, M.; Sauer, DU.: Technology Overview on Electricity Storage, Smart Energy for Europe Platform GmbH (SEFEP), Berlin, 2012 [10] Hoppecke Batterien GmbH & Co. KG.: Datenblatt sun.systemizer home, Abrufdatum: [11] Rosenkranz, A.C.; Köhler, U.; Liska, J.L.: Modern Battery Systems for Plug-In Hybrid Electric Vehicles, 23rd International Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium and Exhibition (EVS-23), Anaheim, 2007 [12] Lu, N.; Weimar, MR.; Makarov, YV.; Ma, J.; Viswanathan, VV.: The Wide-Area Energy Storage and Management System Battery Storage Evaluation, PNNL Report, Betriebsabhängige Kostenberechnung von Energiespeichern 20

21 Ausblick Ausbau des Modellierungsgrades: Integration von realistischen Annahmen der Entwicklungen des Strompreises, der Ersatzinvestitionen oder des Zinses Berechnung mit kleineren Zeitschritten Nutzung von Leistungs-Zeit-Reihen statt statischem Lastszenario Genauere Berücksichtigung der Alterung Ziel: Werkzeug für Berechnung und Optimierung der Wirtschaftlichkeit von Speichersystemen Betriebsabhängige Kostenberechnung von Energiespeichern 22

22 2.2 Beschreibung des mathematischen Modells Berechnung des Energieumsatzes: Eingespeicherte Energie E ein = m i=1 n Last (Zyklentiefe i ) Zyklentiefe i E Last,max kwh Jahr Verlustenergie Ausgespeicherte Energie E Verluste = E ein 1 Nutzungsgrad + + E Verbleibend Selbstentladerate E aus = E ein E Verluste kwh Jahr kwh Jahr Betriebsabhängige Kostenberechnung von Energiespeichern 23

23 2.2 Beschreibung des mathematischen Modells Berechnung der belastungsabhängigen Alterung: Alterung durch Belastung A Belastung = m nbelastung (DOC i ) i=1 n EOL (DOC i ) % Jahr Alterung kalendarisch A Kalendarisch = 1 t EOL,Kalendarisch % Jahr Gesamte Alterung A Gesamt = A Kalendarisch + A Belastung % Jahr Gesundheitszustand SOH = 1 (A Gesamt 1 SOH EOL ) % Betriebsabhängige Kostenberechnung von Energiespeichern 24

24 2.2 Beschreibung des mathematischen Modells Berechnung der Kosten für Zielgröße: Anfangsinvestitionskosten K 0 = K System + K Speicher = k p P N + k e E N Betriebskosten K Betrieb = Spez. Betriebskosten K 0 + K Verluste [ /Jahr] Verlustkosten K Verluste = E Verluste Strompreis /Jahr Ersatzinvestitionskosten K Ersatz = m l=1 K Speicher 1 + Zinssatz t l,ersatz Restwerte L Restwert = Gesamter Restwert K Restwert = m l=1 m l=1 K Speicher SOH t l,ersatz SOH EOL 1 SOH EOL L Restwert,l 1 + Zinssatz t l,ersatz Betriebsabhängige Kostenberechnung von Energiespeichern 25

25 3.4 Einflusses der belastungsabhängigen Alterung Größe Speicher Blei-Säure Lithium-Ionen Natrium-Schwefel Alterung Nur kalend. Komplett [%] Nur kalend. Komplett [%] Nur kalend. Komplett [%] Günstigste Speichergr. [kwh] 6,0 7,4 23,33 5,6 6,2 10,71 5,4 5,5 1,85 Jährliche Vollkosten [ ] 225,53 262,35 16,33 346,44 396,87 14,56 434,32 472,01 8,68 Vollkosten ausgesp. Energie [ kwh ] 0,29 0,34 17,24 0,38 0,44 15,79 0,75 0,82 9, Betriebsabhängige Kostenberechnung von Energiespeichern 26

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