Nutzen was da ist: wie Speichertechnologien im multi-use-case einen Mehrwert liefern können

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1 Batteriealterung Batteriemodelle Batteriediagnostik Batteriepackdesign Elektromobilität Stationäre Energiespeicher Energiesystemanalyse Nutzen was da ist: wie Speichertechnologien im multi-use-case einen Mehrwert liefern können E-world energy & water 2017, Session Erfolgsfaktor Flexibilität, Essen 07/02/2017 J. Badeda, K.-P. Kairies, D. Haberschusz, F. Ruecker, D.U. Sauer Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und 1 Speichersystemtechnik

2 Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) Univ.-Prof. Dr. ir. Dr. h. c. Rik De Doncker Leistungselektronik Elektrische Antriebe Bauelemente Schaltnetzteile Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dirk Uwe Sauer Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik (ESS) 2 08/12/2016 J. Badeda

3 Das zukünftige Stromsystem: Simulation für Herausforderungen, die sich daraus ergeben* Residuallast in GW *Neben anderen Herausforderungen Dunkelflauten Mehrere Tage ohne Wind und PV Erzeugung in ganz Europa Spitzenlast Starker Gradient Überschussstrom Ca. 6 Wochen Quelle:Acatech Stunde des Jahres PV: 151 GW, Wind onshore: 82 GW, Wind offshore: 20 GW, Verbrauch: 602 TWh/a, FRE-Anteil: 83 % Flexibilitätsoptionen in Erzeugung und Last werden benötigt 3

4 Das zukünftige Stromsystem: Simulation für 2050 Auswahl des technischen Lösungspotentials Spitzenlast Starker Gradient Überschussstrom Dunkelflauten Supraleitende Spule Kurz- bis mittelfristig Redox-Flow Batterie Wasserstoff Mittel- bis langfristig Supercapacitors SuperCaps Schwungrad Batterien- Blei-Säure, Lithium, NaNiCl,... Pumpspeicher Druckluft Verschiedene Speichertechnologien für verschiedene Herausforderungen 4

5 Nutzen was da ist Multi-use-case für Batteriespeicher: Definition Speichersysteme für einen anderen Primärnutzen angeschafft 1 2 Zusätzliches Angebot als Flexibilität im Netz Kapazität kann während der Nutzungsdauer nicht optimal ausgeschöpft werden Beispiele: Elektromobilität Eigenverbrauch in PV-Anlagen Unterbrechungsfreie Stromversorgung 5

6 Nutzen was da ist Multi-use-case für Batteriespeicher: Platzierung im Netz Stromerzeugung Speichertechnologien Wind Photovoltaik 220 / 380 kv 110 kv 10/20 kv 400 V Pumpspeicher Druckluft Wasserstoff DSM Power to Gas DSM Batterien Power to Gas DSM Elektrofahrzeuge Batterien 6

7 Leistungspotential in MW Nutzen was da ist Multi-use-case für Batteriespeicher: Motivation Ca. 1GW bei ca. 3GWh 800 E-Autos Heimspeicher * 2017* Quelle: DOE, Speichermonitoring, BKA Annahme: Hausspeicher und E-Fahrzeuge 3kW Anschlussleistung, *Fortsetzung der Marktentwicklung aus 2015 bzw Großbatteriespeicher Überlegungen sind motiviert durch hohes theoretisches Leistungspotential 7

8 Agenda Großbatteriespeicher Aktueller Einsatz Marktentwicklung Hausspeicher Marktentwicklungen Ergebnisse aus dem Speichermonitoring E-mobilität Marktentwicklungen Einsatzoptionen im Multi-Nutzen 8

9 Großbatteriespeicher Beispiel Projekt M5Bat 5 MW und 5 MWh Speichersystem Dienstleistungen: Primärregelleistung, Sekundärregelleistung, Minutenreserve, Momentanreserve Testen der Vermarktungskonzepte Simulation des System unter Berücksichtigung ökonomischer Betrachtungen Hybrid-Speicher: 5 versch. Speichertechnologien Blei-Säure (OCSM, OPZV) Lithium-Ion (LFP, LMO, LTO) Ziel: Betriebsmodi testen Entwicklung des übergeordneten Energie Management Systems 9

10 Großbatteriespeicher Entwicklung in D für PRL Großbatteriesysteme für die Primärregelleistung Bis 2017: ~171 MW Batteriespeicher im PRL (~28% des dt. Marktes) Mehrzahl der Projekte basiert auf Lithium-Ionen Source: Fleer et al. IRES 2017 Systempreisreduktion von ~17,8%/a Deckt sich mit Zellpreisentwicklung Wemag Erweiterung Source: Fleer et al. IRES

11 Großbatteriespeicher Entwicklung PRL Gebotskurven 2015 zu % mehr Gebote je Woche Zunahme der Gebote: Losgrößen je Gebot und Spread in der Woche werden kleiner 11 Quelle: eigene Darstellung nach Daten vonregelleistung.net

12 Großbatteriespeicher Entwicklung PRL mittlere Wochenpreise 2015 zu 2016 Ø -33% Mittlerer Preis Erweiterung des Gebotsmarktes ab 2017 auf: D, BE, AT, CH, NL und F Weiterer Einsatz von Batterien denkbar, wenn weiterhin hohe Preisreduktionen erzielbar 12 Quelle: eigene Darstellung nach Daten vonregelleistung.net

13 Hausspeichersysteme Vom Lifestyle Produkt zur ökonomischen Alternative [2] [1] [3] [4] 13

14 Hausspeichersysteme Aktuell häufigsten Anbieter: Systemüberblick Bild vom System SENEC Sonnen SMA E3DC Leistungsbereich 2,5-5kW 1,5-3,3 kw 3,6-4,6 kw 12 kw Kapazität 5-15 kwh 2-16 kwh 2 kwh 2,3-13 kwh Technologie Systeme im Feld mit KfW Förderung Lithium Ionen oder Blei [5] [6] [7] [8] Lithium Ionen Lithium Ionen Lithium Ionen Deutsche Anbieter dominieren den Markt. Ø Anlagengröße 3kW und 6kWh 14

15 Preis pro nutzbarer Kapazität in /kwh Hausspeichersysteme Entwicklung Endkundenpreise ISEA / RWTH Aachen 2016 Blei Lithium ~16,7%/a ~6,7%/a Li: /kwh Pb:1.200 /kwh Halbjahr Preise beinhalten: Batterie, BOS, Umrichter, Steuern 15

16 Kumulierte Anzahl von installierten PV-Heimspeichern Hausspeichersysteme Entwicklung Installationszahlen in Deutschland ISEA / RWTH Aachen MWh* Mai Beispielrechnung: 10% der 12 Mio. Wohngebäude (1 Wohnung) installiert Speicher 1,2 Mio.*3 kw = 3,6 GW Primärregelleistungsmarkt ~ 0,6-1,3 GW Aug Förderung 2016 Fortsetzung 01/2017 *Anschlussleistung von 3kW/Haushalt und Ø Kapazität von 6 kwh 16

17 Hausspeichersysteme Multi-use-case: Potential der Einzelspeicher Äquivalente Vollzyklen Moderne Li-Ionen Batterien können über Zyklen überstehen In Hausspeichern nur Zyklen pro Jahr Selbst nach 15 Jahren max. 75% der Zyklen ausgenutzt Nutzungsgrad von Batteriespeichern im Eigenverbrauch System A System B System C System D System E System F System G Quelle: eigene Messungen im Intensivmonitoring 17

18 Hausspeichersysteme Multi-use-case: Potential der Einzelspeicher PV-Heimspeicher haben großes Potential für den Energiehandel Mittlere verfügbare Energiemenge hängt von Tag, Uhrzeit und Jahreszeit ab Verfügbare Energie Intensivmonitoring im Feld erlaubt die Analyse des max. Gewinns Messung der tatsächlichen Effizienz im Feld einkalkuliert Tageszeit Monat 18

19 Hausspeichersysteme Multi-use-case: Entwicklung rund um den Schwarm Virtuelle Kopplung oder Integration in bestehende VPP 1 von Speichersystemen zur Erbringung zusätzlicher Dienstleistungen Aktuell forcierte Produkte Frequenzregelung (Primär und Sekundär) Spot-Markt Marktsituation Noch regulatorischer Klärungsbedarf für Umsetzbarkeit aller Konzepte Bedarf zur Kostenreduzierung bei technischer Einbindung von Kleinstspeichern 1 VPP=virtual power plant=virtuelles Kraftwerke 19

20 Heimspeichersysteme Multi-use-case: Sektorenkopplung Kombination aus Batterie und Wärmespeicher (hier Gebäudemasse) für zusätzlichen Nutzen Verfügbare Energie Tageszeit Monat Quelle: [9] Ellerbrok,

21 Kum. Neuzulassungen PKW in Tsd. Elektrofahrzeuge Marktentwicklung: kumulierte Zulassungszahlen PKW Top 5 PHEV und Hybrid Hersteller Zusammen 1,4% der Neuzulassungen Top 5 EV Hersteller Jahr Quelle: [10] KBA, 2016 Hybrid Plug-in Hybride Elektro Vor 2012 keine Unterscheidung zwischen Hybrid und PHEV ~44k EV und PHEV im Markt. Aktuell deutlich stärkerer Absatz bei Hybridfahrzeugen. 21

22 Elektrofahrzeuge Multi-use-case: einfache Potentialabschätzung Elektrofahrzeug mit 15 kwh Batteriekapazität 15 kwh Zyklenlebensdauer der Batterie äquivalente Vollzyklen Damit wäre theoretisch eine Fahrleistung von km möglich Fahrleistung liegt durchschnittlich bei bis km km 40% Potential Ca. 60 bis 80% der Zyklen bleiben durch reinen Fahrbetrieb ungenutzt Mehr als ein Zyklus pro Tag für Netzdienstleistungen verfügbar, bei Zyklisierung mit kleiner Entladetiefe (z.b. Frequenzregelung) auch mehr 1 Annahme: Jahres-km Elektrofahrzeug im Bereich von bis km, Nutzungsdauer 12 Jahre 22

23 Elektrofahrzeuge Multi-use-case: einfache Potentialabschätzung Wenn 10 Millionen Elektrofahrzeuge zur Verfügung stünden Anschlussleistung von 30 GW (3kW/Fahrzeug) Energiekapazität von 3 22,5 GWh pro Tag Plug-in Hybrid (PHEV) Vollelektrisch (BEV) 23 Kapazität: 7,5 kwh 07/02/ /09/2016 J. Badeda, K.-P. Kairies, D. Haberschusz, F. Ruecker, D.U. Sauer 22,5 kwh 2 Zyklen pro DOD 3 GWh 9 GWh 3 Zyklen pro DOD 4,5 GWh 13,5 GWh 4 Zyklen pro DOD 6 GWh 18 GWh 5 Zyklen pro DOD* 7,5 GWh 22,5 GWh *Dies entspricht einem Vollzyklus pro Tag Potential für zusätzlichen Nutzen unter Berücksichtigung der Batteriealterung vorhanden und tendenziell steigend mit Erhöhung der Reichweiten

24 Elektrofahrzeuge Multi-use-case: Berechnungen mittels Feldversuchen Niedersachsen Segment: Kommune, KMU, Verein, Car Sharing Berlin Segment: Pflege Industrie-, Handel- und Dienstleistungsunternehmen Bayern Segment: Energieversorger 24

25 Elektrofahrzeuge Multi-use-case: Berechnungen mittels Feldversuchen Smart Pflegedienst Alle Autos Pflegedienst Analyse der Felddaten An-/Absteckzeitpunkte Ladedauern/ Effizienzen Fahrdistanzen SoC Werte der Batterien Absteckzeitpunkte Modell Fahrzeuge Wahrscheinlichkeiten für obige Parameter Stochastische Verteilung für simulierte Fahrzeugflotte Fahrdistanzen Betrachtete Zusatzmärkte Primärregelleistung (PRL) Intra-Day Markt 25

26 Elektrofahrzeuge Multi-use-case: Berechnungen mittels Feldversuchen Unterschiedliches Nutzungsverhalten in den verschiedenen Flotten Wahrscheinlichkeit des Anschluss Beim Betreiber Pflegedienst (alle Fahrzeuge) Pflegedienst 7 Tage gleiches Profil Unternehmensflotte (alle Fahrzeuge) Unternehmensflotte Nutzung für Heimfahrten Mo-Fr Anschluss tagsüber beim Arbeitgeber Sa-So Anschluss bei Nutzern zu Hause 26

27 Elektrofahrzeuge Multi-use-case: Simulativer Einsatz Beispiel einer Simulation 100 Fahrzeuge Pflegedienst Leistung: 3,7 kw/fzg 1 Kapazität: max. 30% der Batterie Output Mobilitätsverhalten Kapazitätsband Leistungsband Einflussgrößen Energiebedarf für Mobilität Ladezustand Flottenverhalten 1 wegen Kapazitätsbegrenzung keine höheren Leistungen abrufbar 27

28 Elektrofahrzeuge Multi-use-case: Berechnung der Wirtschaftlichkeit für PRL OPEX liegen zwischen 60 und 250 /a Messstellenbetrieb, Messdienstleistung, Abrechnung Kommunikationstechnik Notwendige Anzahl an Fahrzeugen Je nach Fahrzeugverfügbarkeit und Nutzungsmuster Analysen mit vermessenen Flotten >>1.000 Fahrzeuge Szenarien-Kombinationen (3600 Variationen) 2 Leistungen pro Fahrzeug 3 Leistungspreis-Szenarien 3 OPEX-Variationen 20 Zinssätze Mit untersuchten Flottenbetrieben kaum positive Gewinne auf PRL Markt möglich. 28

29 Elektrofahrzeuge Multi-use-case: Berechnung der Wirtschaftlichkeit für ID Intraday-Markt Szenarien-Kombinationen (3600 Variationen) 2 Leistungen pro Fahrzeug 3 Leistungspreis-Szenarien 3 OPEX-Variationen 20 Zinssätze Pflegedienst hat hohe Verfügbarkeit am Nachmittag/Abend Zusätzlicher Aufwand für Trading nicht eingerechnet Bei Flotten mit hoher Verfügbarkeit positive Gewinne auf dem Intra-Day erzielbar. 29

30 Zusammenfassung der Kernaussagen Im zukünftigen Stromsystem wird Flexibilität benötigt Dafür gibt es verschiedene technologische Lösungsoptionen Eine Option bilden Batteriespeicher, die vor allem als E-mobile und Hausspeichersysteme im Netz vorhanden sein werden Die Nutzung dieser Batteriespeicher im Multi-use-case Ansatz sollte für die Zukunft vorgesehen werden Fragestellung des regulatorischen Rahmens und der Steuerung zu klären Aktuell wird vor allem der Primärregelleistungsmarkt forciert Hier allerdings aktuell Preisverfall Umsetzung von Schwarm mit Hausspeichersystemen in der Erprobung Aktuell kaum Gewinne bei Schwarmbetrieb von E-Fahrzeugflotten realisierbar Weitere Anwendungen wie Eigenverbrauchsoptimierung und Peak- Shaving sowie Kombination mit EE-Großanlagen werden im stationären Bereich interessanter sein 30

31 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Kontakt Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dirk Uwe Sauer RWTH Aachen University Jägerstraße 17/ Aachen GERMANY Wir danken J. Badeda (Abteilungsleiterin) Den Kollegen Tel.: O. Wessels, I. Schöneberger und J. Figgener Den Fördergebern Fkz.: Fkz: 16SBS001C 31

32 Quellen [1] [2] primary.idge.jpg [3] [4] [5] ies.com/files/dateien/produkte/home/bilder/produktfotos%20lithium/senec.home%20li%20v3/ fg-senec- Home_Li_V3_frontal.jpg [6] [7] [8] [9] Ellerbrok, Potentials of demand side management using heat pumps with building mass as a thermal storage, Energy Procedia, 46, , [10] Kraftfahrt-Bundesamt, Fahrzeugzulassungen (FZ)- Neuzulassungen von Kraftfahrzeugen nach Umwelt-Merkmalen Jahr 2015, Mai Online: blob=publicationfile&v=3, Abruf: Unless otherwise stated, all used pictures are property of the Institute for Power Electronics and Electrical Drives (ISEA) at Aachen University (RWTH Aachen) 32 / 07/02/2017 J. Badeda, K.-P. Kairies, D. Haberschusz, F. Lehrstuhl für Elektrochemische Ruecker, D.U. Sauer Energiewandlung und Speichersystemtechnik

33 Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) >100 Wiss. Mitarbeiter Prof. Sauer Prof. De Doncker Energie Mobilität 33 08/12/2016 J. Badeda

34 ISEA Einbindung in starkes Forschungsnetzwerk 34 08/12/2016 J. Badeda

35 Struktur Lehrstuhl Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik (ESS) Im(Z) / mw ~ 80 wiss. Mitarbeiter, Ingenieure & Techniker ~ 90 Studenten Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dirk Uwe Sauer Modellierung, Analytik und Lebensdauerprognose Speichersysteme und Fahrzeugintegration Netzintegration und Speichersystemanalyse khz 10 Hz 0.1 Hz 0.01 Hz 100 Hz 1 Hz Re(Z) / mw ZARC 1 ZARC 2 L Rser RSEI Rct ZW CSEI Cdl 35 08/12/2016 J. Badeda

36 Batteriealterung Batteriemodelle Batteriediagnostik Batteriepackdesign Elektromobilität Stationäre Energiespeicher Energiesystemanalyse Back-up 07/02/2017 J. Badeda, K.-P. Kairies, D. Haberschusz, F. Ruecker, D.U. Sauer Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und 36 Speichersystemtechnik

37 mit Braunkohle (67 % FEE) mit Bioenergie, Referenzszenario (67 % FEE) mit Braunkohle CCS (67 % FEE) FEE und Speicher (95 % FEE) FEE, Bioenergie und Speicher (95 % FEE) Überinstallation FEE (136 % FEE) Installierte Leistung je Flexibilitätstechnologie in GW Das zukünftige Stromsystem: Simulation für 2050 Auswahl des technischen Lösungspotentials CO 2 Reduktion gegenüber 1990 (D) 80% 90% 90% 90% 100% DSM Haushalt 2-8 GW & GWh 100% DSM Industrie DSM Haushalt Wasserstoffspeicher Industrielle KWK Gasturbinen - Biogas GuD - Biogas Gasturbinen - Erdgas GuD - Erdgas Steinkohle Braunkohle CCS Braunkohle 37

38 Großbatteriespeicher Speicher mit Frequenzregelung weltweit: Dimensionierung Rated Energy in MWh Lead-acid lithium Pumped Hydro Flywheel Sodium Thermisch , , , ,000 10,000 1,000 0,100 0,010 0,001 0,0 0,1 1,0 10,0 100,0 1000, ,0 Rated Power in MW Quelle: eigene Darstellung von Daten der DoE Datenbank 38

39 Entwicklung Zellpreise Lithium-Ionen aus dem automotive Segment ISEA RWTH Aachen, 2017 Sources: DB09, BCG10, RB10, TIA10, CED11, ATK12, RB12A, RB12L, EE12, Avi13, RB13, ISI13, MWG13, ISI15, UBS14, UBS14-A 39

40 Sources Abrev. Short Name for Reference Titel Author Editor DB Deutsche Bank Electric Cars: Plugged In 2 - A mega-theme gains momentum R. Lache, D. Galves, P. Nolan Deutsche Bank BCG BCG [Din10] Batteries for Electric Cars, Challanges, Opportunities, and the Outlook to 2020 Boston Consulting Group RB Roland Berger Powertrain2020: Li-Ion batteries the next bubble ahead? k.a. Roland Berger TIA TIAX PHEV BATTERY COST ASSESSMENT TIAX CED CE Delft Impacts of Electric Vehicles - Deliverable 2 Assessment of electric vehicle and battery technology ATK AT Kearney Überspannung im Batteriemarkt für Elektrofahrzeuge Technology & Market Drivers for Stationary and Automotive Battery RB12A 2012 Roland Berger Automotive [Ber12a] Systems Gopalakrishnan Duleep (ICF) Huib van Essen (CE Delft) Bettina Kampman (CE Delft) Max Grünig (Ecologic) Klink, G., Krubasik, S., Rings, T. Schindler,M. k.a. ICF, Ecologic, CE Delft ATKearney Roland Berger, batteries 2012 RB12L 2012 Roland Berger Lithium [Ber12] The Lithium-Ion Battery Value Chain Pavoni, F., Bernhart, W. Roland Berger, Istanbul EE Element Energy [Clu12] Cost and performance of EV batteries Final report for The Committee on Climate Change Element Energy For Committee on Climate Change Avi Avicenne Li-ion battery material market review and forecasts Pillot, C. Avicenne, 3rd Israeli Power Sources Conference RB Roland Berger Market and Cost Drivers for Automotive and Stationary Batteries Bernhart, W., Kruger F. Thielmann, A.; Sauer, A.; ISI ISI Technology-Roadmap Energiespeicher für doe Elektromobilität 2030 Isenmann, R.; Wietschel, M. Roland Berger, Energy Storage Conference Düsseldorf Fraunhofer ISI MWG MW Group Large scale Factories for Li-Ion Batteries IPVEA PV Production and Battery Forum at PVSEC, Paris, 2013 Eberhardt, Klaus M+W Group Thielmann, A.; Sauer, A.; ISI ISI Produkt-Roadmap Energiespeicher für die Elektromobilität 2030 Wietschel, M. Fraunhofer ISI UBS UBS UBS14- A 2014 UBS-A Global Utilities, Autos & Chemicals Will solar, batteries and electric cars re - shape the electricity system? Hummel, P. et al UBS Expert Call: Electric Vehicle Batteries Sowing the seeds of an energy revolution Dewhurst, J. et al UBS J. Badeda

41 Hausspeichersysteme Aktuell häufigsten Anbieter: Installationszahlen 41

42 Vermarktung von Primärregelleistung Kosten 2 Kostenstruktur aus Forschungsprojekt (Reale Erbringung SRL) Betrachtung: Nur Kosten des Messwesens und der Kommunikationstechnik CAPEX Kostenpunkt Bidirektionale Ladestation und Montage Kosten pro Kosten pro Fzg (Zukunft) Fzg (Heute) Energiewirtschaftliches Messwesen OPEX Messstellenbetrieb Messdienstleistung /a 600 /a Abrechnung Kommunikationstechnik 0-50 /a 50 /a 42

43 Elektrofahrzeuge Multi-use-case: einfache Potentialabschätzung Plug-in Hybrid (PHEV) Vollelektrisch (BEV) Reichweite 50 km 150 km Batteriekapazität 7,5 kwh 22,5 kwh Anschlussleistung genutzt Vollzyklenzahl der Batterie Entladetiefe für Netzdienstleistung 3 kw 3 kw % DoD (0,5h) 20% DoD (1,5h) 43 07/02/2017 J. Badeda, K.-P. Kairies, D. Haberschusz, F. Lehrstuhl für Elektrochemische Ruecker, D.U. Sauer Energiewandlung und Speichersystemtechnik

44 Elektrofahrzeuge Multi-use-case: einfache Potentialabschätzung Entsprechende Vollzyklenzahl bei 12 Jahre Nutzungsdauer Unter der Annahme von 15 kwh pro 100km Batteriekapazität für PHEV 1 = 7,5 kwh und BEV² = 22,5kWh Fahrleistung Vollzyklen in 12 Jahren Bei 50% der Kleinund Mittelklasse Wagen und ävz Lebenszeit Ca. 1 ävz pro Tag zusätzlich nutzbar in Tsd. km/jahr Plug-in Hybrid (PHEV) Vollelektrisch (BEV) > >50 > > Plug-in Hybrid Electric Vehicle, ²Battery Electric Vehicle 44