BAE Batterien GmbH TITEL Energiespeicher für Smart Grids Technologieüberblick Untertitel 13.11.2015 M. Schiemann 1
Anforderungen an Energiespeichersystem Leistungsinverter PV System Weitere Energiequellen (z.b. Wind/ Biomasse) Speichersystem Hybridkontroller Verbraucher 2
Anforderungen an Energiespeichersystem Generelle Anforderungen für Batteriesysteme für Microgrids Hohe Lade- und Entladeeffizienz Minimale Selbstentladung Wartungsfreiheit oder sehr geringe Wartungsanforderungen Resistenz gegen Tiefentladung Flexible Installationsmöglichkeiten Hohe zyklische Lebensdauer im teilgeladenen Zustand (PSOC) Stabilität gegen Gutes Preis-Leistungsverhältnis 3
Anforderungen an Energiespeichersystem 2. Zellen: Separator, Gehäuse Elektroden Ableiter und Verbinder 3. System: Temperatur-, Spannungsund Stromüberwachung, Sicherungen, Schütze, Kühlung/Thermisches Management 1. Elektrochemie PbSO 4 Pb SO 4 4
Anforderungen an Energiespeichersystem Software Sicherungen und Schutz vor Überstrom Mechanische Komponenten: Stecker, Verbinder usw. BMC Berechnung des Ladezustandes und genereller Batteriebetrieb Schütze und Lasttrenner CSC Überwachung einzelner Zellen oder kompletter Module 5
kalendarische Lebensdauer (StandBy) zyklische Lebensdauer Anforderungen an Energiespeichersystem Sicherheit 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Kosten Blei-Säure-Technologie Lithium-Ionen-Technologie Leistungsdichte Verfügbarkeit Kaltstartverhalten Prozesssicherheit Energiedichte Umwelt (Recycling) 6
20 40 Wh/kg 161 Wh/kg 25 45 Wh/kg 45 80 Wh/kg 45 80 Wh/kg 50 90 Wh/kg 240 Wh/kg 80 110 Wh/kg 320 Wh/kg 300 Wh/kg 90 140 Wh/kg 70 200 Wh/kg 435 Wh/kg 720 Wh/kg 450 Wh/kg 720 Wh/kg 795 Wh/kg Anforderungen an Energiespeichersystem Theoretische Energiedichte Praktisch erreichbare Energiedichten Hochtemperaturbatterien 2 3 1 Pb NiCd NiZn NiMH Redoxflow NaNiCl NaS Li-Ionen 7
Modernen Batteriesysteme wie Lithium-Ionen basieren auf dem Prinzip der Einlagerung in den Elektroden des aktiven Material in Gittern (Ein- und wieder Auslagerung). Der Elektrolyt ist an dieser Reaktion nicht mehr beteiligt und dadurch entstehen deutliche Vorteile in der Zyklenfestigkeit Anforderungen an Energiespeichersystem 8
Kapazität C [%] Anforderungen an Energiespeichersystem Cycle live. Zyklische Lebensdauer stark Abhängig von Additiven, Kathoden- und Anodenmaterial, mechanischer Auslegung usw. Anzahl der Zyklen Quelle: KIT 9
Negative as anode Positive as cathode Anforderungen an Energiespeichersystem Konzeptvergleich Rectifier Elektronenfluss Consumer Verbraucher Electron stream e - cations e - V 2+ V 4+ -2 e.g. SO 4 anions e.g. H + V 3+ H + V 5+ e - e - Electrolyte Example H 2 SO 4 solved in H 2 O Konventionelle Redoxflow 10
Anforderungen an Energiespeichersystem Kosten für Redoxflow-Batteriesysteme Kosten Gesamtkosten Kosten konventioneller Batterien Kosten für Elektrolyt und Tanks Kosten für den Stack, Pumpen etc. Gegeben durch die Leistung Energieinhalt 11
PV-Anlage Integration als Zwischenspeicher Einfluss auf die Stadtnetze bei hoher Penetration von PV und Elektroautos Tankstelle für Elektrofahrzeuge Hybridfahrzeuge, E-Scooter, E-Bikes... Aufbau eines "Solar Research Energy Field" 100 kwp PV-Anlage Laden von bis zu 50 Elektro- und Hybrid- Fahrzeugen ermöglicht. ~ = = ~ Blei-Säure-Batterie z.b. 48 V Öffentliches Niederspannungsnetz (bis 400 V) Energie für das Laden der Elektrofahrzeuge wird aus einer 500 kwh Batterie (basierend auf Blei-Säure- Technologie) entnommen Batterie dient als Zwischenspeicher für die aus der Sonnenenergie erzeugten elektrischen Energie 12
Batterie installation BTU Cottbus Pilotprojekt 0,5 MWh Batterie Installation 2 Stränge 120 Zellen Blei Säure Batterien (2 MWh geplant) + PV System + Blockkraftwerk + Elektrofahrzeuge In Betrieb seit Juni 2013! 13
Ladeleistungsverstärker Aufladen der Batterien mit geringer Ladeleitung und Schnellladen (< 30 min) Tankstelle für Elektrofahrzeuge Hybridfahrzeuge, E-Scooter, E-Bikes... PV-Anlage Batterie (z.b. 400 V, 3000 Ah 198 Zellen 1200 kwh) Batterie wird mit geringer Ladeleistung über lange Zeit Aufgeladen/Nachgeladen = ~ ~ = Ladeleistung (z.b. 12 kw) Ladezeit der Pufferbatterie ca. 4-5 Tage = ~ Blei-Säure-Batterie z.b. 400 V/3000 Ah Öffentliches Niederspannungsnetz (bis 400 V) Maximale Abgabeleistung ca. 594 kw (1h) Kapazität Fahrzeugbatterie ca. 15 kwh bei angestrebter Ladezeit von 30 min notwendige Ladeleistung 30 kw Schnellladung von 2 x 20 Fahrzeugen 14
45 80 Wh/kg 320 Wh/kg 70 135 Wh/kg 250 Wh/kg bis 2000 Wh/kg Energiedichte [Wh/kg] 320 Wh/kg 650 Wh/kg bis 3500 Wh/kg bis 3500 Wh/kg 11600 Wh/kg Anforderungen an Energiespeichersystem Zukünftige Entwicklungsrichtung Theoretische Energiedichte Praktische Energiedichte Labormuster NiZn Li-Ion Li/S Li/MeF y Li/F 2 Li/O 2 15
Zukunftsausblick 2011 2015 2020 2030 Anode Cathode Li Ni Me Me O2 (NCA, NMC) Li Fe PO4 Modified graphite Li-Titanat Soft Carbon Li Ni Me Me O2 (High Voltage) Si Alloys Carbon/Metall Composide 5 V LiNiPO4 LiNiPO4 4 V LiMnPO4 Further Alloys (non Si) Li-Metall Sulphur SO4F Fluorine as MeFx Air Li/S x Li/F 2 Li/O 2 Lithium Metal Li/O 2 Li + Li + Li + Li + Li + Li + Li + Li + Li + Electrolyte Li 2 O 2 Porous carbon O 2 16
Zusammenfassung Welche Technologie für Smart Grids? Wahl des Technologie abhängig von den Betriebsanforderungen Blei-Säure und Lithium-Ionen Technologien bleiben dominant und wachsen gemeinsam Für größere Energieanforderungen jenseits von 1-2 MWh wird Redox-Flow- Technologie sehr attraktiv Post Lithium Ionen Technologien in Vorbereitung (Pilotprojekt/Musterzellen) 17
BAE Batterien GmbH Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 18