Stationäre Batteriesysteme Simon Schwunk Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE Freiburg, 11. Dezember 2012
AGENDA Vorstellung verschiedener Speichertechnologien Bleibatterien Redox-Flow Lithium-Ionen Batteriesystemtechnik Aufbau eines Lithium-Ionen-Batteriesystems Elemente des Batteriemanagements Beispiel für das Zusammenspiel eines Batteriesystems mit erneuerbaren Energien 2
Erzeugte Leistung in Deutschland im Mai 2011 Quelle: B. Burger, http://www.ise.fraunhofer.de/aktuelles/meldungen-2011/ solaranlagen-liefern-spitzenlaststrom 3 3
Batteriesystemtechnik Prüfen von Batterien Entwicklung von Batteriesystemen Entwicklung von Elektronik und Software zum Batteriemanagement Batteriemonitoring Ladezustandsbestimmung Alterungsbestimmung Lade- und Betriebsführungsstrategien Sicherheitskonzepte Modellierung und Simulation Hauptfokus: Lithium-Ionen, Blei, Redox-Flow 4
Batterielabor am Fraunhofer ISE 1 x 250 kw, 1 kv, 600 A (Packtester) 1 x 500 V, 100 A (Packtester) 3 x 300 V, 5 A 32 x 6 V, 3 A (mit Referenzelektrode) 32 x 5 V, 5 A 18 x 12 V, 200 ma-10 A 8 x 18 V, 5A 32 x 5 V, 30 A (parallel schaltbar) 1 x 20V, 300 A 3 x 18 V, 100 A 12 x 70 V, 50 A 3 x 18 V, 100 A 4 Kanäle zur Impedanzspektroskopie 1µHz 4,5kHz 9 Klima und Temperaturkammern 146 Testkreise 5
Speicherlösungen Redox-flow Lithium NaS Blei NiMh Source: www.ngk.co.jp Source: www.saftbatteries.com 6
Spezifische Leistungsdichte, W/Kg Eigenschaften verschiedener Speichertechnologien 100000 10000 1000 Bleibatterien Doppelschichtkondensatoren Ni-Cd Ni-MH Li-Ionen Hochleistung Li-Ionen Hochenergie 100 10 Vanadium- Redox-Flow NaNiCl (Zebra ) 1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Spezifische Energiedichte, Wh/kg 7
Bleibatterien Vorteile: Marktführer Verfügbar in großen Stückzahlen Verschiedenste angepasste Größen und Designs lieferbar Hohe Effizienz Geringe spezifische Kosten Nachteile: Geringe Zyklenlebensdauer, vor allem bei Teilzyklen in tiefen Ladezuständen Begrenzte Energiedichte Wasserstoffentwicklung bei einigen Bauformen z.t. erhöhter Wartungsaufwand 8
Redox-Flow-Batterien Hydrogen evolution Oxygen evolution V (2/3) V (4/5) OCV Flow-Batterien: Verschiedene Redox- Paare sind möglich Forschungsschwerpunkt Vanadium Leistung und Kapazität entkoppelt Leistung wird über Stack bereitgestellt Kapazität über Tanks Cr (2/3) V (3/4) Ti (3/4) Fe (2/3) Cu (1/2) Cr (3/6) Mn (2/3) Ni (2/4) -1.0-0.5 0.0 +0.5 +1.0 +1.5 +2.0 (vs. NHE) Standard Potential [V] Mn (4/7)Co (2/3) 9
Redox-Flow Batterien Vorteile: Entkopplung von Leistung und Kapazität Große Kapazitäten bei geringen Kosten möglich Hohe Zyklenstabilität Geringe Selbstentladung Nachteile: Geringe Energiedichte Komplexe Regelstrategien Flowbatterie Probleme mit Leckagen Weltweit nur wenige Hersteller 10
Lithium-Ionen-Batterien Vorteile: Hohe Energiedichte Lange Lebensdauer Große Leistungen bei kleinen Kapazitäten Wenig Wartungsaufwand Geringe Selbstentladung Hohe Energieeffizienz 11 Nachteile: Sicherheit notwendig elektronischer Überwachung Investitionskosten Thermal runaway bei vielen Zellchemien möglich
Elektrochemische Potentiale verschiedener Elektrodenmaterialien bei Lithium-Ionen-Batterien Kombinationen verschiedener Elektrodenmaterialien bewirken: Unterschiedliche Zellspannungen Unterschiedliche Energiedichten Unterschiedliche Lebensdauern Viele verschiedene Arten von Lithium-Ionen Batterien möglich NMC steht für Li(Ni x Mn y Co z )O 2 12
Lithium-Ion Batteriesystem Design Zelle Modul System M-BMS C-BMS 13
Battery Management Systems Motivation and Objective Objective: Lithium-ion cells have to be monitored and controlled, important issues are: safety (e.g. overvoltage/undervoltage detection) cycle and calendar life time state estimation temperature/voltage monitoring high efficiency (well suited cell balancing, low energy consumption of the BMS) Objective reachable with high end battery management systems Central management unit Module management unit 14
Aufbau eines Batteriemanagementsystems 15
Elektronik für ein Batteriemanagementsystem CAN Interface Microcontroller Batterieinterface Temperaturmessung 16
Zustandsbestimmung Partikelfilter ein neues Verfahren zur Online- Bestimmung von SOC und SOH Parallele Schätzung von SOC und SOH Auch sehr gute Genauigkeiten für Zellen mit flachen Leerlaufspannungskurven wie LFP Auch an gealterten Batterien überprüft Läuft stabil und ohne plötzliche Sprünge Nur Zellspannung, Temperatur, Strom und Zeit notwendig Geringer Rechenaufwand 17
Dezentrales PV-Batteriesystem Beispiel für die Anwendung eines Batteriesystems ~ 70-80 % Eigenverbrauch können bei der mit einer Aufdachanlage produzierten PV-Energie erreicht werden, abhängig von: Auslegung des Systems Nutzungsverhalten Wie kann das für die Netzbetreiber sinnvoll gestaltet werden? 18 18
Analyse zu den Energieflüssen Simulationsergebnisse Haushalt: 4900 kwh/jahr Größe des PV Generators: 6 kw p Lithium-Ionen-Batteriesystem: Variation der nutzbaren Kapazität 19
Analyse zu den Energieflüssen Simulationsergebnisse Haushalt: 4900 kwh/jahr Variation der Größe des PV Generators Lithium-Ionen-Batteriesystem: 6,2 kwh nutzbare Kapazität 20 20
Zusammenfassung Die Zwischenspeicherung erneuerbarer Energien wird zunehmend wichtiger für eine sichere Stromversorgung in Deutschland. Verschiedene Batterien stellen eine attraktive Lösung dar im kurzund mittelfristigen Bereich: Redox-Flow Batterien sind eine attraktive Speicherlösung im Tagesbereich Lithium-Ionen-Batterien können sehr hohe Leistungen und dank der hohen Effizienz auch im Tageszyklusbereich interessant Neben der Zelle ist eine optimale Batteriesystemtechnik notwendig um das volle Potential zu erschließen. Eigenverbrauchsanlagen ermöglichen heute schon eine Eigenversorgung an elektrischer Energie zwischen 70 bis 80 % (Anteil des Batteriesystems ca. 30 %) 21
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Simon Schwunk www.ise.fraunhofer.de simon.schwunk@ise.fraunhofer.de 22