Dezentrale Einspeisung erneuerbarer Energien und Elektromobilität Herausforderungen für das Verteilnetz der Zukunft

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1 Dezentrale Einspeisung erneuerbarer Energien und Elektromobilität Herausforderungen für das Verteilnetz der Zukunft 30. September 2016 / Swissmig Fachtagung Berner Fachhochschule BFH-CSEM Energy Storage Research Centre Berner Institut Fachhochschule für Energie- und Haute Mobilitätsforschung école spécialisée / bernoise Prof. Dr. Andrea Bern University Vezzini 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 Research Centre (ESReC) seit 2014 Kommissionsmitglied der Eidgenössischen 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 Inhaltsübersicht BFH-CSEM Energy Storage Centre Speicher als Element der Energiestrategie Wie sieht die zukünftige Mobilität aus Was bewirken Speicher BFE Prosumer-Lab Schlussfolgerungen

4 BFH-CSEM Energy Storage Centre Ein unabhängiges, akademisches Energiespeicherforschungszentrum für die Schweiz im Dienste von Wissenschaft und Industrie 4

5 BFH-CSEM Energy Storage Center Ein unabhängiges, akademisches Energiespeicherforschungszentrum für die Schweiz im Dienste von Wissenschaft und Industrie Charakterisierung und Modellierung elektrochemischer Energiespeicherzellen und modulen sowie die Entwicklung und Tests von kompletten Batterie- und Energiesystemen. Einsatz von Energiespeichern für Mobilität und Substitution fossiler Treibstoffe durch effizientere und alternative Antriebe (E- Mobilität) für Strasse, Schiene, Luft und Wasser. Entwicklung von Herstellungstechnologien für Batteriezellen und -systeme für eine kostengünstigere Fertigung der Schlüsselkomponenten von elektrischen Energiespeichern. Einsatz von elektrischen Energiespeichern im Stromnetz zwecks Integration erneuerbarer Energiequellen (insbes. Photovoltaik) hinsichtlich Verbrauch, Produktion und Distribution. Anwendung von dezentralen und mobilen Brennstoffzellensystemen als Basis für eine mögliche Langzeitspeicherung elektrischer Energie in Form von Wasserstoff. Integrative Analyse von Innovationsökosystemen zur Diffusion von Batteriespeichertechnologien um ein Management der Energiewende zu fördern 5

6 SCCER Platform for Battery Systems for Rail, Bus, Construction, Agricultural and Utility Vehicles Die Elektrifizierung von Haupt-und Nebenantrieben für mobile Anwendungen in Nischenmärkten mit geringen Stückzahlen aber spezifischen Anforderungen erfordert eigens entwickelte elektrische Energiespeicher. Bereitstellen einer Technologieplattform und spezieller Kompetenzen sowie einer Forschungseinrichtungen für mobile Energiesysteme von der Zelle über das Modul bis zum System Industrieübergreifende Forschungsplattform für die Entwicklung spezifischer Batteriesysteme für Nischenanwendungen 6

7 Swinging Grids: Metering and modelling of oscillation phenomena in distribution grids Partner: BKW EWZ Repower Sputnik Eng. AEW ES Biel, Energie Thun Period: Project goals: Metering of Power Quality information in selected distribution grids Implementation of static grid models and validation with measurement Development of dynamic models for DG generation, regulated loads and storage systems Extrapolation of the effects to show the limits of grid use Recommendations and grid rules for the assessment of network disturbances Tasks BFH (Prof. Michael Höckel): Project management, metering and simulations

8 Energiestrategie 2050 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

9 Ist es ein Hype oder ein Trend? 9

10 Herausforderungen im Strommarkt Ein zukünftiges Energieversorgungssystem erfordert zur Integration erneuerbarer Energien folgende Technologien: Effizienter Netzbetrieb, Netzausbau und Entwicklung von Smartgrids für die vermehrte Einspeisung auf der unteren Netzebene und um Verbraucher und Produzenten intelligenter zu verbinden Speichertechnologien, um einen allfälligen Angebotsüberhang zu speichern und bei einem Nachfrageüberhang abzugeben Flexible Kraftwerke, um einen allfälligen Nachfrageüberhang bei fehlender Produktion zu decken Demand Side Management, um das Nachfrageverhalten der Angebotsentwicklung anzupassen Es sind zusätzliche Investitionen nötig für den Umbau Effizienzsteigerungen sind nötig, um grosse Preissteigerungen zu vermeiden 10 Quelle: Journée smart energy, Sion, 5. September 2014, Daniel Büchel, Vizedirektor und Programmleiter Energie Schweiz

11 Die Energiewende findet im Verteilnetz statt 11 Quelle: 2015

12 Typische Speicheranwendungen im Stromversorgungssystem Monate Tage / Wochen Mikrospeicher Kleintechnische Speicher Mitteltechnische Speicher Grosstechnische Speicher 100 kw 1-10 MW MW MW Ausgleich saisonaler Schwankungen von Last oder Produktion (z.b. Wind / Solar) Ausgleich Wochenprofil (Last) oder aussergewöhnlicher Solar- und Windbedingungen (4-7 Tage) Stunden / Tage Minuten Stunden Sek. / Minuten Last- und Produktionsoptimierung (4-8 h) Ausgleich Produktion aus erneuerbaren Energien (1-8 h) Ausgleich von Kraftwerksausfällen oder Prognosefehlern (15 60 Minuten) Erbringung von Regelleistung (<15 Minuten) Frequenzhaltung ( 30 Sekunden) Quelle: Bundesamt für Energie BFE, Energiespeicher in der Schweiz, Schlussbericht 12. Dezember 2013

13 Technologiereifegrad und Marktdurchdringung Technologie Einsatz Leistungsklasse Blei-Säure- Batterien Lithium-Ionen- Batterien Dezentrale Speicher (Niederspannung) Dezentrale Speicher (Niederspannung) Technologie Reifegrad MW Marktreife MW Marktreife Typischer Einsatz/Anwendung Kombination mit PV-Anlage, um den Eigenverbrauchsgrad zu erhöhen und bei Engpässen Netzausbauten zu vermeiden. Kombination mit PV-Anlage, um den Eigenverbrauchs-grad zu erhöhen und bei Engpässen Netzausbauten durch Leistungsvergleichsmässigung zu vermeiden. Natrium- Schwefel- Batterien Peak Shaving (Mittelspannung) 1-10 MW Marktreife Ausgleich der Leistung im Bilanzgebiet. In Kombination mit Wechselrichter Möglichkeit zur Blindleistungsabgabe resp. -aufnahme. Natrium- Nickelchlorid- Batterien (ZEBRA) Peak Shaving (Mittelspannung) 2-10 MW Marktreife Ausgleich der Leistung im Bilanzgebiet. In Kombination mit Wechselrichter Möglichkeit zur Blindleistungsabgabe resp. -aufnahme. Redox-Fluss- Batterien Peak Shaving (Mittelspannung) MW Demonstration (techn. Marterprobung) Ausgleich der Leistung im Bilanzgebiet und Möglichkeit zur Blindleistungsabgabe resp. -aufnahme, wobei diese Batterie an die zu speichernde Energiemenge angepasst werden kann. Quelle: VSE, Dezentrale Speicher, Basiswissen-Dokument, Stand Juni

14 Mobilität der Zukunft Ziel der Bundesregierung ist es, bis 2020 eine Million Elektrofahrzeuge auf die Straße zu bringen. Bis 2030 sechs Millionen. Denn Elektrofahrzeuge verringern nicht nur die Abhängigkeit vom Öl. Lädt man die Batterien mit Strom aus erneuerbaren Energien, fahren Elektrofahrzeuge praktisch ohne Schadstoffausstoß. Quelle: 14

15 Direkte C0 2eq -Emissionen nach Quellen Quelle: ICCP (2014) & BAFU(2015) 15

16 CO2-Reduktionspotential durch Substitution Was erreiche ich mit 1kWh sauberer elektrischer Energie Quelle: K. Boulouchos, ETHZ Zukunftsblog, Weg zu CO 2 -armen Energiesystem 16

17 CO 2 -Emissionen für Elektrofahrzeuge Quelle: «Mazdas Weg zu effizienteren Verbrennungsmotoren», MTZ 05/2016 Verbrauchsmix Schweiz 106 kg/kwh

18 Game Changer: CASE Connected Autonomous Shared Electric Teslas 'gigafactory' wird nicht nur den wachsenden Eigenbedarf für die Tesla Fahrzeuge decken, sondern auch einen entscheidenden Anteil an andere Hersteller und in den Energiebereich liefern. Das Apple Car Projekt, bekannt unter dem Namen Project Titan, beschäftigt mittlerweile über 1000 Ingenieure Das autonome Fahrzeug von Google ist seit 2009 schon über 1.1 Million Meilen gefahren Uber CEO Travis Kalanick strebt eine autonom fahrende Flotte von Taxis an und hat gerade einen feldversuch in Pittsburgh gestartet.

19 Implikationen für die Ladeinfrastruktur: In den ersten Jahren wird die Heimladestation dominieren

20 Die Hardwarekosten einer Standard-Ladestation sind zwischen 2011 und 2013 um 50% gesunken Hardwarekosten einer öffentlichen2-stecker Langsam-Ladestation in den Niederlanden (ohne Installationskosten) in EUR km 21.2MWh 9.4 cents / kwh

21 Was bewirken Speicher Was kann mit Stromspeichern erreicht werden Mit welchen Kosten ist zu rechnen 21

22 Dezentrale Speicher werden auf die Ertragslage durchschlagen Netzparität der Speicherung wird den Markt für die EVU grundlegend verändern 22 Source:swiss utilioty solutions, Präsentation an der 13. Nationalen PV-Tagung, 2015

23 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. Batteriespeicher 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 Autarkiegrad 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 0 0,5 1,0 PV-Leistung in kwp/mwh 1,5 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 normiert auf den Jahresstrombedarf in MWh. Durch die Normierung lassen sich die Bewertungsgrößen für Haushalte je nach der Höhe des Jahresstrombedarfs Fachhochschule abschätzen. Haute école spécialisée bernoise Bern University of Applied Sciences Berner 23

24 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 24 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

25 Lebensdauerkostenvergleich Blei zu Lithium-Ionen 5kWh brauchbare Energie pro Tag, keine Kapitalkosten Geschlossene Bleibatterien bei 25 C Geschlossene Bleibatterien bei 33 C Lithium-ion (Neubau, DC- Kopplung) Lithium-ion (VSE Basiswissen) Systemgrösse 10 kwh 10 kwh 6.7 kwh 6.7 kwh Batteriekosten CHF (CHF 120/kWh) CHF (CHF 120/kWh) CHF (CHF 600/kWh) CHF (CHF1 200/kWh) Lebensdauer 1 50% DoD 50% DoD 4 75% DoD 4 75% DoD Installation CHF 20/kWh CHF 20/kWh CHF 36/kWh CHF /kWh Transport CHF 28/kWh CHF 28/kWh CHF 50/kWh CHF /kWh Kosten pro eingelagerte kwh CHF 0.34/kWh CHF 0.67/kWh CHF 0.22/kWh CHF / kwh Quelle: VSE, Dezentrale Speicher, Basiswissen-Dokument, Stand Juni 2016 unterscheidet Konverterkosten und Peripheriekosten 25

26 Die Zeit für den Solarstromspeicher ist JETZT! Kosten auf Zellenbasis Average PV module price [2011US$/W p ] Average Li-ion ba.ery price [US$/kWh] E-01 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 Cumula?ve sales [MW p ] Own analysis based on data from ITRPV Working Group. Interna'onal Technology Roadmap for Photovoltaic (ITRPV): 2013 Results. Berlin, Germany: SEMI Europe, March 24, PV modules: learning rate: 21.6% Li-ion batteries: learning rate: 18.8% Cumula?ve Li-ion ba.ery sales [GWh] Own analysis based on data from Pillot, Christophe. Li-Ion BaWery Material Market Review and Forecasts presented at the 3 rd Israeli Power Sources Conference, May 29, Tesla plant den Bau einer Batteriefabrik mit einer Jahreskapazität von 35GWh. Die erste Stufe von 7GWh wird Ende 2016 in Betrieb sein. Damit wird die Weltproduktion von Lithium- Rundzellen auf einen Schlag um 20% zunehmen. Alle Zwei Jahre werden bis 2025 weitere 7GWh in Betrieb genommen Bis 2025 wird mit einem Systempreis von $167/kWh gerechnet Source: Pierre-Jean Alet, BFH-CSEM Energy Storage Research Centre

27 Die Lithium-Ion Battery Megafactories im Bau Die Produktionskapazität für Lithium-Ion Zellen wird sich bis ins Jahr 2020 mehr als verdreifachen. Ohne E-Mobilität droht eine Überkapazität. 27

28 Preisentwicklung von Batteriezellen [EUR/kWh] Die Preisentwicklung wird durch die zunehmende Verbreitung von Elektro- und Hybridfahrzeugen vorangetrieben.

29 Li-Ion Technology Roadmap FPR Source: BMZ, 2016

30 Advanced and Post Lithium-ion 30 Source: IDTechEX, Advanced and Post Lithium-ion Batteries : Technologies, Markets, Forecasts, 2015

31 BFE Prosumer-Lab PV und Batteriespeicher führen zu einem extrem flexiblen Konsumentenverhalten (Prosumer) mit dem Ziel der ökonomischen Maximierung 31

32 Das Haus als aktive Komponente des Netzes Seite 32 Seite 32

33 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 33

34 Prosumer-Lab: BFE Pilot & Demonstrationsprojekt Bundesamt für Energie BFE Remote-Test Infrastruktur Speicher (PQ-) Messung PV Simulator Netz Grid Simulator Emula_ons- und Hardware-Infrastruktur (AC-Netz, 50kVA) Energiemanag. Sim-Box 3-phasen 4-Quadranten Last (Oberschwingungsfähig) Interfaces Lastprofile Datenbank WP Klima BaW emob Haus Netz Gateway Seite 34

35 Projektinhalt AP 1: Konzeptverfeinerung AP 2: Planung anhand Testszenarien AP 3: Aufbau der Testumgebung 2. Fokus Verteilnetz: Netzdienliche Integration von erneuerbaren Energien AP 5: Verteilnetzintegration und -stabilisierung AP 4: Energiemanagement im Gebäude Task 5.1: Verteilnetzintegration Task 4.2: Verteilnetzstabilisierung AP 7: Messung- und Erfolgskontrolle 1. Fokus Gebäude: Eigenverbrauch und Effizienz Task 4.1: Weiterentwicklung Energiemanager Task 4.2: Optimierung anhand Randbedingungen Task 4.3: Eigenverbrauchsoptimierung durch Solarspeicher Projektleitung AP 6: Sozioökonomische Geschäftsmodelle 3. Fokus wirtschaftlicher Nutzen: Gebäudebesitzer, Netzkosten, Geschäftsmodelle AP 8: Kommunikation, Wissens- und Technologietransfer 35

36 First tests and observations Efficiency test VARTA Element 6 PV Emula_on ACS Load Test setup Test: full charge and discharge cycles with 1.5 kw active power Charging with Chroma (PV Sim) and SMA inverter Discharging with Regatron ACS, symmetric phase load: 3x RL-mode: 1.5 kw, cosφ = 0.8 3x R-mode: 1.5 kw, cosφ = 1.0 Inverter Grid Energy records: Pro380-Mod, SolarLog Pro380 ~ = SolarLog AC BaWery

37 First tests and observations Efficiency test VARTA Element 6 Observations charge discharge R, cosφ = 1.0 ß Charge RL, cosφ = 0.8 Δ 1.2 kw Δ 0.94 kw No difference in energy measurements for RL or R mode Solarlog: Δ 0.94 kwh (efficiency 85 %) Pro380: Δ 1.2 kwh (efficiency 81 %) Significant difference in measuring charge energy RL mode cosφ = 0.8 R mode cosφ = 1.0 ß Discharge

38 Starter-Kit à Interesse geweckt! BKW-Blog Efficience21 Spirit Biel/Bienne VSE 38

39 Schlussfolgerungen 39

40 Synopsys Elektrochemische Speicher erlauben die Integration eines höheren Anteils an erneuerbaren Energien ins Verteilnetz und fördern den Eigenverbrauch Mit zunehmender Durchdringung des Netzes mit Speichern zur Eigenverbrauchsoptimierung sollten auch netzdienliche Funktionen möglich werden Der Anteil elektrischer Fahrzeuge wird mit dem zunehmenden Reifegrad der Batterien stark zunehmen Die Synergien zwischen Stromnetz und der E-Mobilität haben ein grosses Potential zur Treibhausgasreduktion Zusammen mit der BKW als ersten Forschungspartner arbeitet das BFH-CSEM Energy Storage Research Center an Lösungen für das zukünftige Smart Building und die E-Mobilität. 40

41 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Prof. Dr. Andrea Vezzini Fragen: Berner Institut Fachhochschule für Energie- und Haute Mobilitätsforschung école spécialisée BFH bernoise TI Bern University of Applied Sciences