Batteriespeicher in der stationären Anwendung...verfügbaren Lithium-Ionen Batteriezellen durch die...

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Batteriespeicher in der stationären Anwendung

Dr. Matthias Vetter

Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

Hochschule Karlsruhe

Karlsruhe, 18. April 2018

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Agenda

Grundlagen Lithium-Ionen Batterien

Anwendungsbereiche Lithium-Ionen Batterien

Systemdesign für Lithium-Ionen Batteriesysteme

Thermisches Management

Batteriemanagementsysteme

Lebensdauerprognose

System- und Netzintegration

Ausblick: Integration der Elektromobilität

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Quelle: Sony.

1980‘s: Erste Experimente mit Lithium-Metall als Anodenmaterial aufgrund von Sicherheitsproblemen gescheitert

1991: Einführung der ersten kommerziell verfügbaren Lithium-Ionen Batteriezellen durch die japanische Firma Sony

Verwendung von amorphen Kohlenstoff auf der Anodenseite anstelle von Lithium-Metall

Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Geschichte

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Quelle: Pillot, C: Battery Market Development for Consumer Electronics, Automotive, and Industrial: Materials Requirements and Trends, 2015.

Große Marktentwicklung in den letzten Jahren, insbesondere im Vergleich zu NiMH und NiCd Batterien

Bleibatterien besitzen noch den größten Marktanteil

Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Marktentwicklung

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Umsatz 2013: 17.58 Bill. US$ Prognose: Mehr als das Vierfache bis 2020

Quelle: [Frost & Sullivan, 2014]

Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Marktentwicklung

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Quelle: Winfried Hoffmann, Importance and Evidence for Cost Effective Electricity Storage, PVSEC, 2014.

LIB

cell

pri

ce [

$/k

Wh

]

Cumulated LIB capacity [MWh]

Automotive (EV) lithium-ion batteries

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Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Investitionskosten – Prognosen

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Quelle: B. Carey: Energy Storage Outlook: Promising Technologies, Applications, and Business Models for the Future 2012.

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Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Kostenreduktionspotentiale auf Zell- und Packebene

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Exkurs: Ermittlung der Speicherkosten

Kosten ausgespeicherte

Energie

Kalendarische Lebensdauer

Zyklenlebensdauer

Entladetiefe

Zyklenbereich

Kapitalkosten

Kosten installierte Kapazität

Kosten Leistungselektronik

Wartungskosten

Wirkungsgrade

Selbstentladung Stromkosten

Kosten Reparatur / Austausch

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Wiederaufladbare Lithiumsysteme

Lithium-Metall mit metallischem Lithium

Lithium-Metall mit flüssigem Elektrolyt

Lithium-Metall Polymer mit Polymer-Elektrolyt

Lithium-Ionen ohne metallischem Lithium

Lithium-Ion mit flüssigem Elektrolyt

Lithium-Ion Polymer mit Polymer-Elektrolyt

Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Klassifizierung

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Quelle: Kompendium Lithium-Ionen-Batterien, 2015.

Beispiel: „LMO”

Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Elektrochemisches Prinzip

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Quelle: Kompendium Lithium-Ionen-Batterien, 2015.

Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Gravimetrische und volumetrische Energiedichte

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LiMn2O4LiCoO2

LiFePO4

LiNiO2

Lithiummetal Graphite amorphous

Carbon Li-Si

Li-Titanat

Potential inV vs. Li/Li+

2

1

0

3

4

NMC/NCA

Elec

troly

te s

tabi

lity

win

dow

Kathodenmaterialien

Anodenmaterialien

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Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Materialien auf Anoden- und Kathodenseite

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Blei LCO / Graphit

NMC / Graphit

LFP/ Graphit

NCA / Graphit

LCO, NMC, LMO / Titanat

Gravimetrische Energiedichte [Wh/kg]

30-45 150-200 150-220 80-130 130-260 60-70

Gravimetrische Leistungsdichte [W/kg]

45-350 300-4000 (abhängig von Design und Strombelastbarkeit der Zelle)

Nennspannung (Zelle) [V] 2 3,6 3,6 / 3,7 3,2 / 3,3 3,6 2 / 2,5

Zyklenlebensdauer 50-2000 500-1000 500-8000 1000-6000 300-2000 3000-15000

Kalendarische Lebensdauer 3-15 8-20 Jahre

Wirkungsgrad 75-90% 90-98%

Kosten [€ / kWh]1 50-250 300-1200 300-1200 250-1000 350-1200 >1000

Temperaturbereich Laden [°C]

-20 bis 50 0 bis 45 -20 bis 55

Temperaturbereich Entladen [°C]

-20 bis 60 -20 bis 55 2

Selbstentladung 2-5% / Monat 2-10% / Monat (typisch 3%)

1 Guide values: Prices depend strongly on purchase quantity and cell format 2 Titanate possesses lowest capacity losses at low temperatures 13

Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Materialien auf Anoden- und Kathodenseite

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Quelle: MEET, Münster.

Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Stand der Technik

"4V"

1

2

3

4

5

6

250 500 750 1000 1250 1500 1750 3750 3500

Pote

ntia

l vs.

Li/L

i+ / V

0 0

Kapazität / Ah kg-1

Kathodenmaterialien (Lithium/Lithium-Ionen)

Graphite

"3V"

"5V"

Li4Ti5O12 (LTO)

Lithium- Metall

Kohlenstoffbasiert

Anodenmaterialien (Lithium/Lithium-Ionen)

LiMn2O4 (LMO)

LiFePO4 (LFP)

LiCoO2, Li[NixCoyMnz]O2 (NMC),

Li[Ni0,8Co0,15Al0,05]O2 (NCA)

e.g.: MnO2

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Quelle: MEET, Münster.

"4V"

0

1

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3

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250 500 750 1000 1250 1500 1750 3750 3500

Pote

ntia

l vs.

Li/L

i+ / V

0

Kapazität / Ah kg-1

Kathodenmaterialien (Lithium/Lithium-Ionen)

Graphite

"3V"

"5V"

Li4Ti5O12 (LTO) Silizium

(Si) Lithium- Metall Si-C-Composite

Metalloxide (Conversionsmaterialien)

x Li2MnO3/(1-x)LiMO2 (M= Mn, Ni, Co) LiNi0,5Mn1,5O2 LiCoPO4

LiMnPO4 Li2FeSiO4, organische Kathoden

Sn-C-Composite

Zinn (Sn)

Anodenmaterialien (Lithium/Lithium-Ionen)

Kohlenstoffbasiert

Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Entwicklungspotentiale

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Zylindrische Zelle

Prismatische Zelle

Pouch-bag Zelle

Source: Axeon, Our Guide to Batteries, 2015.

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Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Bauarten

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Umfangreiche Erfahrung in der Herstellung und hohe Verfügbarkeit Massenprodukt

Standard Formate (z.B. 18650, 21700)

Packungsdichte (Systemebene) aufgrund des zylindrischen Designs limitiert

Zwischenräume kann zur Kühlung der Zellen genutzt werden

Kleines Format hohe Flexibilität für das Pack Design

Nutzung in der Elektromobilität:

Tesla (USA)

Kreisel (Austria)

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Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Bauarten – Zylindrische Zelle

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Hohe Anforderungen an Montage (Kontaktierung und Befestigung)

Hohe mechanische Beanspruchbarkeit

Im Vergleich zu Pouch-bag Zellen geringeres Oberflächen/Volumen- Verhältnis schlechtere Kühleigenschaften

Source: Mikolajzak, Kahn, White, u. A., nfpa.org.

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Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Bauarten – Zylindrische Zelle

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Gehäuse aus einer mit Kunststoff beschichteten Aluminiumfolie („Coffee-Bag-Zelle“) Gewichtseinsparung höhere Energiedichte möglich

Keine Standardgrößen

Polymer-Elektrolyt / Vakuum gewährleistet eine höhere Stabilität und eine geringere Gefahr einer Leckage

Vergleichsweise geringe mechanische Belastbarkeit

Source: Mikolajzak, Kahn, White, u. A., nfpa.org.

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Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Bauarten – Pouch-bag Zelle

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Volumenänderungen bei Lade- und Entladevorgängen können durch die Dehnbarkeit des Foliengehäuses sehr gut ausgeglichen werden

Stabilisierung der geschichteten Aktivmaterialen durch ein Vakuum

Flächige Form begünstigt Wärmeabfuhr

Aufwendige Befestigungsmaßnahmen

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Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Bauarten – Pouch-bag Zelle

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Hohe Kapazitäten auf dem Markt (bis zu 200Ah)

Aufwendigerer Herstellprozess als bei Rundzellen höhere Produktionskosten

Einfache Montage

Mechanisch ungünstiger Aufbau (Wickel im Rechteckgehäuse)

Schlechte Kühleigenschaften

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Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Bauarten – Prismatische Zelle

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Wesentliche Vorteile:

Hohe Energiedichte

Hohes Leistungs- zu Kapazitätsverhältnis

Niedriger Wartungsaufwand

Niedrige Selbstentladung

Hohe energetischer Wirkungsgrad

Hohe kalendarische Lebensdauer

Hohe Zyklenlebensdauer

Wesentliche Nachteile:

Sicherheit: Eigene Schutzeinrichtungen notwendig

Noch vergleichsweise hohe Investitionskosten

„Thermal runaway“ möglich, z.B. im Falle von Überladung oder bei Beschädigung

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Lithium-Ionen Batterien – Grundlagen Fakten und Charakteristiken

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Konsumerprodukte Mobiltelefone Notebooks Power Tools etc.

Netzunabhängige und netzgekoppelte PV Systeme Batteriesysteme für Primär- und Sekundärregelung Elektrische Leichtfahrzeuge Elektrische und hybride Automobile Elektrische und hybride Lastwagen und Busse Elektrische und hybride gewerbliche Leichtfahrzeuge Elektrische und hybride landwirtschaftliche Maschinen Elektrische und hybride Schiffe Elektrische und hybride Flugzeuge etc.

Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Überblick

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Source: Gocke/GIZ

Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche „Pico PV“

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Source: Phocos

1 - 3 Wp PV ersetzt eine Kerosinlampe

0,5 W – 3 W LED als Lichtquelle

0,5 Ah to 5 Ah Batteriespeicher

(4 – 8 h Betriebszeit pro Tag)

Blei und NiMh Batterien und zunehmend

Lithium-Ionen Batterien (Li-FePO4)

Viele Systeme besitzen zusätzlich eine USB

Schnittstelle für Mobiltelefone

Pico PV Systeme mit höheren Leistungen

können auch kleine LCD TVs versorgen

Einige Systeme ermöglichen über eine

„plug & play” Funktionalität eine

leichte Erweiterung

Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche „Pico PV“

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Unbekannte Hersteller: Große Streuung und große Kapazitäts-verluste

Renommierte Hersteller: Kapazitäts-verlust < 20%

Lagertests: Lithium-Ionen Batterien bei 60°C während 30 Tagen mit einem Ladezustand von 50 %

Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche „Pico PV“ – Batterietests

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Grafik: Fraunhofer ISE; Solarpraxis AG

PV generator Charge controller Loads

Battery

Anwendungen

Beleuchtung

Radio, TV

Laden von Mobiltelefonen und anderen portablen Geräten

Selten: Kühlschränke

Typisches Systemdesign

- PV Modul: 50 Wp

- Batterie: 12 V, 70 to 120 Ah

- Last: 150 - 250 Wh/day

Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche „Solar home systems“ – Beispiel mit einer Bleibatterie DC-System

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Lithium-Ionen Batterie (LiFePo4)

12,8 V / 7 Ah

LED “Sunflower“: 270 lm

LED “Röhre“: 270 / 450 lm

3 Leistungsausgänge: 5 A gesamt

1 USB Ausgänge: 1,5 A

PV Eingang max. 25 V

Photos: Phaesun GmbH / Zimpertec GmbH

Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche „Solar home systems“ – Beispiel mit einer Lithium-Ionen Batterie DC-System:

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Battery AC Loads

DC Loads

DC Bus

Meist unter 400 Wp

Lasten:

Beleuchtung, Radio, Ventilator, etc.: ~ 120 W

Kühlung von Impfstoffen: ~ 60 W

AC-System

Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche „Solar home systems“ – Beispiel mit einer Bleibatterie

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Beispiel: Autarke Umweltmessstation

Stromversorgung: DC-Systemspannung: 12 V PV-Generator: 110 Wp Direkt-Methanol

Brennstoffzelle: 65 W Batteriespeicher (Blei):

660 Ah, C10 Energiemanagementsystem

Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Autarke technische Stromversorgungen

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Beispiel: Rappenecker Hof im Schwarzwald Stromversorgung: DC-Systemspannung: 48 V PV-Generator: 3,8 kWp Wasserstoff-Brennstoffzelle:

4 kW Dieselgenerator: 12 kW Windgenerator: 1,8 kW Batteriespeicher (Blei):

45 kWh

Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche PV-Einzelhausversorgungen

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Beispiel: Rappenecker Hof im Schwarzwald Stromversorgung: DC-Systemspannung: 48 V PV-Generator: 3,8 kWp Wasserstoff-Brennstoffzelle:

4 kW Dieselgenerator: 12 kW Windgenerator: 1,8 kW Batteriespeicher (Blei):

45 kWh

Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche PV-Einzelhausversorgungen

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Last:

Spitzenlast: 200 kW

Jährlicher Verbrauch: 574 MWh

PV-Diesel-Hybridsystem:

PV-System (incl. LE): 1,5 Euro/Wp

Batteriesystem: 220 Euro/kWh

Diesel Invest: 273 $/kW

Diesel Treibstoffkosten: 1$/l

Diesel Wartungskosten: 0,7 $/h

Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche PV-Inselnetze – Beispiel Uganda

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Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche PV-Inselnetze – Beispiel Uganda

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Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche PV-Inselnetze – Beispiel American Samoa

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Quelle: K. Kelty, Tesla: Tesla and the Gigafactory, 2017.

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Beispiel: Studie für den Standort Assuan in Ägypten Betriebsführungsstrategie

Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Photovoltaik-Batteriespeicher-Kraftwerke

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Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Photovoltaik-Batteriespeicher-Kraftwerke

Beispiel: Studie für den Standort Assuan in Ägypten Vergleich der Stromgestehungskosten für verschiedene

Batterietechnologien

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Erhöhte direkte Nutzung der PV

Einsatz von Batteriespeichern Verringerung der Strombezugskosten

Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Photovoltaik-Batteriesysteme für den Eigenverbrauch

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Simulationsstudie für ein EFH mit 4900 kWh/a Stromverbrauch

PV-Generatorgröße: 6 kWp

Variation der Kapazität des Lithium-Ionen Batteriesystems

Reduzierung der Einspeisung um ca. 30 %

Nur ~ 20 % müssen vom Netz bezogen werden


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Programmable AC load

Test system (Labview) with data acquisition (Gantner / Janitza)

PCS

Battery

Grid Smart-meter

PV -> GRID

PV -> BAT

BA

T ->

GR

ID

PV Simulator: 16 kW 1000V DC

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Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Photovoltaik-Batteriesysteme für den Eigenverbrauch Systemtests – Wirkungsgrade

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Avg. Settling time BAT A: 8.37s ; BAT B: 45.14s BAT C: 20.61s ; BAT D: 6.48s

Avg. Settling time BAT A: 8.11s ; BAT B: 38.33s BAT C: 23.37s ; BAT D: 6.03s

Settling time of battery system (PV varying, load constant)

Settling time of battery system (PV constant, load varying)

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Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Photovoltaik-Batteriesysteme für den Eigenverbrauch Systemtests – Effektivität

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Zielkosten für 4 Eigenverbrauchs-anwendungen

Privat (EFH)

Bürogebäude

Industrie

Kommune


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Zyklen pro Jahr 221 75 256 227

Speicherkosten ct / kWh 28 81 24 27

Aktuelle Kosten berechnet mit Investitionskosten von 600 €/kWh Zielkosten für 4 Eigenverbrauchs-

anwendungen

Privat (EFH)

Bürogebäude

Industrie

Kommune


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Stromkosten des Energieversorgungssystems

Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Photovoltaik-Batteriesysteme für den Eigenverbrauch Beispiel: Gewerbliche Anwendung „Bäckereiproduktionsbetrieb“

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Battery storage 120 kW / 150 kWh

Heat pump 25, 35 and 45 kWel

CHP unit 6 -12 kWel

PV system 142 kWp

Loads

DSO

LSO

Boarder of property

Current sensor

Optimierungskriterium:

Minimierung der Netzabhängigkeit –

Physikalisch und nicht bilanziell !

Source: derena

Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Quartiersspeicher: Beispiel „Weinsberg“ – Systemdesign

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0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26[Kalenderwoche in 2015...2016]

Batteriespeicher...

...äquivalente Vollzyklen pro Tag (Laden)[% der Nennkapazität] {Jahr:_66.49%}

...äquivalente Vollzyklen pro Tag(Entladen) [% der Nennkapazität]{Jahr:_54.02%}

...Wirkungsgrad (Energie Out/In)[%] {Jahr:_81.26%}

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Normalized charge per day [% of CN]

Normalized discharge per day [% of CN]

Daily average energy efficiency [%]

Annual average values: Charging with 67 %

of nominal capacity Discharging with 54 %

of nominal capacity Energy efficiency: 81 %

Battery storage

Calendar week 2015 / 2016

Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Quartiersspeicher: Beispiel „Weinsberg“ – Monitoring

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Interaktion zwischen Primär-, Sekundär- und Tertiärregelleistung

Source: www.gtai.de

Lithium-Ionen Batterien – Anwendungsbereiche Netzdienstleistungen – Beispiel Regelleistung

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Source: www.gtai.de

Primärregelleistung: Preisentwicklung und „Break-even“ Berechnung für Batteriesysteme


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Source: www.gtai.de

Installierte Batteriekapazitäten für Primärregelleistung in Deutschland


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Source: K.-H. Tönges, Younicos: Business case battery, 2015.

Primärregel-

leistung Ort:

Schwerin


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Quelle: K.-H. Tönges, Younicos: Business case battery, 2015.

Primärregelleistung Batteriespeicher versus fossilen Kraftwerken


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Quelle: SMA

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Systemdesign für Lithium-Ionen Batteriesysteme Anpassung an marktverfügbare Batteriewechselrichter in stationären Anwendungen – Bsp. PV-Heimspeicher

Wechselrichter

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Batteriemodule mit kommerziell verfügbaren Lithium-Ionen Zellen (NMC)

44,4 V / 40 Ah / 12 Zellen

> 1500 Zyklen (DOD ca. 95 %)

Wirkungsgrad > 95 %

Optimierte Luftkühlung

Batteriemodule mit Prototypen Zellen (LTO / LiMnFePO4) FhG ISIT

23 V / 25 Ah / 10 Zellen

7000 Zyklen (DOD > 95 %)

Wirkungsgrad > 93 %

Inhärent sichere Zellen

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Systemdesign für Lithium-Ionen Batteriesysteme Batteriemodule für stationäre Anwendungen (2 Bsp.)

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5.33 kWh Batteriespeicher

3 Module parallel

5.75 kWh Batteriespeicher

2 Module in Serie

5 Stränge parallel

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Systemdesign für Lithium-Ionen Batteriesysteme Batteriemodule für stationäre Anwendungen – 2 Beispiele für PV-Heimspeicher

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Gestell

Herausnehmbare Module

Standardstecker

Aluminium Gehäuse

Schlüsselschalter

CAN Bus Schnittstelle

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Systemdesign für Lithium-Ionen Batteriesysteme Konstruktion für einen PV-Heimspeicher

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1.0 C

0.5 C

0.2 C

Labortests – Wirkungsgrad

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Systemdesign für Lithium-Ionen Batteriesysteme Batteriemodul für einen PV-Heimspeicher

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t=0min t=7min

t=11min t=18min

Labortests – Erwärmung bei einer Entladung mit 1C ohne aktivierte Kühlung

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Labortests – Temperaturverlauf mit aktivierter Kühlung

ΔT meist unter 1 K

ΔT nahezu konstant

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1.Betriebsfenster, sicherer Arbeitsbereich

2.Auflösung Anoden-Kupfer 3.a) Li-Plating beim Überladen b) Li-Plating bei Tieftemperatur 4.Möglicher Defekt der SEI-

Schicht bei Grafitanoden, Gasdruck steigt, evtl. langsamer Thermal Runaway

5.Temperatur steigt, Ausgasen, Brand,…

6.Ausgasen,Seperator schmilzt, Brand,…

7.Thermal Runaway, Brand, Sauerstoff aus Oxiden wird freigesetzt und verschlimmert das Brandverhalten

Zellspannung

Zellt

emp

erat

ur

Quelle: Sicherheitsleitfaden BSW

Thermisches Management Bedeutung

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Source: Bopp, Döring et. al.: Report on Types and Hazards of Electrical Energy Storage Systems, 2016.

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Thermisches Management Temperaturbereich für Lithium-Ionen Batterien

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Batteriemanagementsystem Überblick und Funktionsblöcke

Zustandsbestimmung Ladezustand Alterungszustand Weitere Zustände (optional)

Regelsystem Aktoren und Schalter Batteriemodelle Lastmanagement Energiemanagement (optional)

Fehlermanagement Sicherheit der Zellen

Therm. Management Thermische Batt.modelle Thermische Regelung

Messung und Monitoring Zellspannungen Zelltemperaturen Strom

Kommunikation Intern Mit externen

Komponenten

Battery Management

System

Sicherheitsebene

Funktionale Ebene

Regelebene

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Batteriemanagementsysteme Das „Problem“ der Zustandsschätzung

Innere Zustände müssen bekannt sein, z.B. für

Prognose der verbleibenden Betriebszeit in einer Anwendung

Bestimmung der Leistungsfähigkeit

Zeitpunkt des Batterieaustausches

Innere Zustände können nicht direkt gemessen werden:

Innenwiderstand

Ladezustand (SOC)

Alterungszustand (SOH)

Verwendung von „einfach“ messbaren Größen wie Klemmspannung, Strom und Temperatur

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SOC/SOH

Ah counting

Open circuit voltage

Particle filter

Fuzzy Model based

Neural network

Kalman filter

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Batteriemanagementsysteme Zustandsschätzung – Ansätze

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Batteriemanagementsysteme Ladezustandsbestimmung

Ah Zählung: Integration von Messfehlern

Häufig genutzter konventioneller Ansatz:

OCV Korrektur in Kombination mit Ah Zählung

Rekalibrierung des SOC Wertes mit OCV benötigt Ruhephasen

Flache OCV Charakteristik mit Hysterese-Verhalten bei LiFePO4

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Rekursiver stochastischer Zustandsschätzer

Robust gegenüber Messfehler

Keine Ruhephasen für Rekalibrierung des SOC notwendig

Schnelle Identifikation der Startwerte

Verbesserte Performance für gealterte Batterien

Nachteile:

Optimaler Schätzer nur für Prozesse mit Gaußschem Rauschen

Nur für lineare Systeme geeignet

Für nicht-lineare Systeme: Extended or Unscented Kalman Filter

B’ H’

A’

+ +

wk vk+1

B

H

A

+

-K

Process

Model(Kalman Filter)

Output:Estimation

Measurement:System Output

Measurement:System Input

Z -1

Measurement ModelProcess Model

1ˆ +kx−+1ˆ kx

1~

+kz

kx̂

1ˆ +kz

1+kx

kx

1+kzku

+

Z -1

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Batteriemanagementsysteme Ladezustandsbestimmung – Kalman Filter Ansatz

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Ergebnisse: Stromsensor:

Mess-Offset: 5 %

Messrauschen: 2 %

Spannungssensor:

Messrauschen: 2 %

Ah Zählung:

RMSE des SOC: 2 %

Extended Kalman Filter:

Initialer SOC: 50 %

RMSE des SOC: 0.35 %

Schnelle Konvergenz des Extended Kalman Filter

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SOC reference SOC SOC Ah counting SOC

Extended Kalman filter SOC

Batteriemanagementsysteme Extended Kalman Filter zur Ladezustandsbestimmung

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CC CV

Definierte Volladung der Batterie

Ladestrom definiert (z.B. 1 C)

Konstantstromladung (I-Phase)

Konstantspannungsphase (U-Phase)

Abbruch bei Unterschreitung von definiertem Ladestrom (z.B. C/20)

Konstanstromentladung mit definiertem Strom (z.B. 1 C) bis zu einer definierten Spannungsgrenze

Das Ergebnis ist sehr genau (abhängig von den Messgeräten).

Aber: nicht im laufenden Betrieb anwendbar die Batterie kann für mehrere Stunden nicht verwendet werden.

Batteriemanagementsysteme Alterungsbestimmung – Standardverfahren

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Prinzip des Dual Extended Kalman Filter

Zwei entkoppelte parallele Kalman Filter

Austausch der berechneten Zustände state of charge und state of health

Compute a priori estimation (Prediction)

Compute a posteriori value

(Correction)

Sta

te F

ilter

Initi

aliz

atio

n

Compute a priori estimation (Prediction)

Compute a posteriori value

(Correction)

Wei

ght F

ilter

Initi

aliz

atio

n

New measured value

Θ−ˆ

x̂−

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Batteriemanagementsysteme Alterungsbestimmung – Extended Kalman Filter

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Ergebnisse

Gealterte Batterie: 80 % SOH

Kathode: NMC

Anode: Graphit

2,45 Ah, 3.6 V

DEKF: Dual Extended Kalman Filter; MA: Mean Average

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Batteriemanagementsysteme Alterungsbestimmung – Extended Kalman Filter

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Manganoxid zeigt die größte Alterung bei einem Ladezustand (SOC) um die 30%

Die meisten Materialien wie LiCoO2, NCA, NMC zeigen eine verstärkte Alterung bei hohen Ladezuständen

NMC –Mischmaterialien zeigen eine verstärkte Alterung im mittleren Ladezustand

Lagerung bei diesem SOC bzw. häufiges zyklisieren um diesen SOC führt zu beschleunigter Alterung

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Source: Jossen, Weydanz.

Aging

Batteriemanagementsysteme Einfluss der Betriebsbereiche auf die Alterung

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Batteriemanagementsysteme Teil eines optimierten Energiemanagements

Kommunikationsschnittstelle zwischen EMS und BMS

Modellbasiertes Energiemanagement

Last- und Erzeuger- management

Optimierter Betrieb des Batteriesystems

Regelung der Energieflüsse

Modellbasiertes Batteriemanagement

SOC Vorhersage in Abhängigkeit des prognostizierten Lastprofils

Wirkungsgrade in Abhängigkeit des prognostizieren Lastprofils

Information über Alterung

P

SOC

Wetter- vorhersage

Erzeuger- und Lastmodelle

Lastprofil für Batteriesystem

Batteriemodell

SOC Vorhersage

EMS

BMS

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Einfluss der Betriebsbedingungen auf die Alterung

Optimierte Betriebsführungsstrategien

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Aging model

Thermal model

Algorithm for SOC/SOH

estimation

Load profile

Current,Voltage,

Time

Power fan,Ambient

temperature

SOC

SOH

PrognosisΔSOH/ΔtPrognosis temperature

...

Model parameter: Cell technology, cell size, etc.

Algorithm for Prediction of

ΔSOH/Δt

Electrical equivalent

circuit model

ΔSOH: - Degradierung der Kapazität ΔC - Anstieg des Innenwiderstands ΔRi

Batteriemanagementsysteme In-situ Lebensdauerprognose

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AC gekoppeltes System

PV-Generator und Batteriesystem über separate Wechselrichter mit dem AC-Netz gekoppelt

Hocheffizienter PV-Wechselrichter

Kopplung des 24 V / 48 V Batteriesystems über Trafo-Wechselrichter (bisher !!!)

Installierte Speicherkapazität weitestgehend unabhängig skalierbar von der PV-Anlage

Bestehende PV-Anlagen relativ leicht mit Batteriesystem nachrüstbar

Zwischenspeicherung von Netzstrom möglich


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DC gekoppeltes „Niedervolt-System”

DC-Spannung: 24 V oder 48 V

Weit verbreitet in kleineren netzunabhängigen Anwendungen

Einige der Inselwechselrichter arbeiten auch netzparallel

In dezentralen netzgekoppelten Anwendungen einsetzbar

Geringere Systemkosten möglich

Niedrigere Gesamt-Wirkungsgrade

Trafo-Wechselrichter

Sämtliche Energieflüsse über diesen Trafo-Wechselrichter

Zwischenspeicherung von Netzstrom möglich


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DC gekoppeltes „Hochvolt-System”

Trafoloses Konzept

Batteriesystem über DC/DC-Steller an Zwischenkreis des Wechselrichters angeschlossen

Separater DC-DC-Steller mit MPP-Tracking für PV-Generator

Hoher Gesamtwirkungsgrad möglich

Hohes Kostensenkungspotential

Wechselrichterbrücke arbeitet bei den derzeit verfügbaren Produkten nicht bidirektional

Keine Zwischenspeicherung von Netzstrom möglich

???

???


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Hohe Wirkungsgrade

Bleibatterien in PV-Anwendungen bis zu 86 % (in Off-grid Systemen erreicht)

Lithiumbatterien in PV-Anwendungen ca. 95 % (in PV-Systemen möglich)

Hohe kalendarische Lebensdauer

Bleibatterien in PV-Anwendungen ≤ 10 Jahre (Erfahrungswerte Off-grid)

Lithiumbatterien in PV-Anwendungen ca. 20 Jahre (Herstellerangaben!)

Zyklenzahl: Bis zu 3000-4000 Zyklen (bei typischer Auslegung) in netzgekoppelten PV-Anwendungen über einen Zeitraum von 20 Jahren (!)

Bleibatterien: Entladetiefe (DoD) von 50 % 1500-2000 Vollzyklen

Konvent. Lithiumbatterien: 6000 Zyklen bei DoD von 60 % (Herstellerangabe!)

Speziell für stationäre Anwendungen entwickelte Lithiumbatterien: 7000 Zyklen bei DoD von ca. 95 % (Herstellerangabe!)

Zusätzliche Netzdienstleistungen: Bis zu einem Zyklus pro Tag: 7300 Zyklen

System- und Netzintegration Anforderungen an das Batteriesystem

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Unabhängig von der Schaltungsart mindestens zwei Komponenten

1. Batterie-Wechselrichter und PV-Wechselrichter

2. DC/DC-Steller mit MPP-Tracking für PV-Generator und Wechselrichter

3. DC/DC-Steller mit MPP-Tracking für PV-Generator, DC/DC-Steller für Batteriesystem und Wechselrichter

Hohe Wirkungsgrade sämtlicher Wandlerstufen

Trafolose Wechselrichter Bei Variante 2. nicht möglich, falls DC-Niedervolt

Kommunikationsschnittstelle

Anbindung an Energiemanagementsystem

Kopplung an Batteriesystem im Falle von Lithiumbatterien:

Lithiumbatteriesysteme besitzen immer ein integriertes Batteriemanagement

Internes Batteriemanagement der Wechselrichter/Laderegler muss abschaltbar sein

Backup-Funktionalität: In Deutschland „nice to have“, international bei schwachen Netzen von Bedeutung

System- und Netzintegration Anforderungen an die Leistungselektronik

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Haus-Energiemanagement:

Optimierung des Eigenverbrauchs

Kommunikation mit Batteriesystem (Lithium) und Leistungselektronik

Zeitlich hoch aufgelöste Erfassung der Energieflüsse

Eigenverbrauchsoptimierung führt zu einer zeitlichen Konzentration der PV-Einspeisung nicht aber zu einer Problemlösung für die hohe PV-Penetration der NS-Netze

Verteilnetzmanagement:

Z.B. Ansatz über flexible Tarife für die Einspeisung von PV-Strom

Nutzung der „Smart Metering“ Strukturen

System- und Netzintegration Anforderungen an das Energiemanagement

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Konventionelle Speicherung hat keinen Entlastungseffekt für das Stromnetz

Quelle: J. Mayer (BSW), C. Wittwer (ISE), Batteriespeicher: Ein sinnvolles Element der Energiewende. Berlin, Pressefrühstück 25.1.2013

System- und Netzintegration Betriebsführungsstrategien für PV-Heimspeicher

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Quelle: J. Mayer (BSW), C. Wittwer (ISE), Batteriespeicher: Ein sinnvolles Element der Energiewende. Berlin, Pressefrühstück 25.1.2013

Netzdienliche Betriebsführung durch reduzierte Einspeisespitze entlastet Stromnetz Reduzierung der Spitzen um bis zu 40 % ohne Ertragsverluste bis zu 66 % mehr PV-Leistung im Netzabschnitt möglich


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Einflussmöglichkeiten Reduzierung der maximal erlaubten Einspeisung Z.B. KfW Förderprogramm: Maximale Leistungsabgabe am

Netzanschlusspunkt entspricht 60 % der installierten Photovoltaikanlagen-Leistung

Sollwert-Vorgabe vom Netz Laden- und Entladen nach Anforderungen des Netzes Aber: Batteriespeicher sind im Privatbesitz !!!

Lokale Steuerung über Aushandlung von Speicherkapazitäten / Flexibilitätsoptionen für einen definierten Zeitraum Technische Umsetzung sehr komplex

Anreizsystem Flexible Tarife für Einspeisung und Netzbezug Definition von „vernünftigen“ Zeitintervallen Konvergenz des

Strompreises …


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Quelle: Tesla, 2017.

Ausblick: Integration der Elektromobilität Im Einfamilienhaus

Und in Tiefgaragen von Mehrfamilienhäusern ???

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Quelle: A. Schillaci, Siemens, ees Europe, 2017.

Ausblick: Integration der Elektromobilität Ladeinfrastruktur mit stationären Batteriespeichern

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Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Dr. Matthias Vetter www.ise.fraunhofer.de [email protected]

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !!!

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Batteriespeicher in der stationären Anwendung...verfügbaren Lithium-Ionen Batteriezellen durch die...

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