Energie Zukunft Tirol Speichersysteme der Zukunft · 2016-04-13 · Joaquín Klee Barillas Zentrum...

Joaquín Klee Barillas

Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung

Baden-Württemberg (ZSW)

Batteriespeicher vor

dem Durchbruch?

Energie Zukunft Tirol

Speichersysteme der Zukunft 11. April 2016, Innsbruck, Österreich

Energie Zukunft Tirol - Speichersysteme der Zukunft | 11.04.2016 | Innsbruck | Joaquín Klee Barillas

ZSW eLaB

Labor für Batterietechnologie

- 2 -

- Materialsynthese

- Elektrochemie

- Zelldesign

- Zellfertigung

- Post-Mortem-Analyse

Zellfertigung

- Elektrischer Test in

thermischer Umgebung

- Lebensdauer

- Performance

- Zelle, Modul, System

- Bis 320 kW

Test

- Elektrisch (Kurzschluss,

Überladung

- Thermisch (Ofen, Brand)

- Mechanisch (Presse,

Vibration, Schock)

- 3 Testbunker

Sicherheit

- Charakterisierung

- Modellierung

- Simulation

- BMS-Algorithmen

- Modul-/Systemdesign

- Anwendungsanalyse

Systemtechnik

6.600 m² neue Labor-

und Büroflächen

Fertigstellung 2011

75 Mitarbeiter im

Bereich Batterien

ZSW eLaB


Motivation

Batteriespeicher in Haushalt und Gewerbe

Reduktion der Energiekosten

Vorsorge vor steigenden Energiekosten

Kontrolle und Planbarkeit der Energiekosten

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Netz


Speicherhersteller – Übersicht

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Etwa 50 Systemanbieter und –hersteller.

Über 200 Systeme verschiedener

Speichergröße

Batterietechnologie

Zellhersteller

Anschlussart

Wechselrichter

Lithium-Ionen-Technologie meist

angeboten (über 80%) geführt von

LFP und NMC.

Speichertechnologie – Übersicht

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Quelle:

Centrales Agrar-Rohstoff Marketing- und Energie-Netzwerk (C.A.R.M.E.N), Marktübersicht Batteriespeicher, 2015.


Über 30.000 Speichersysteme installiert in 2,5 Jahren.

Speichernachfrage nimmt zu.

PV-Anlagen- und Speichermarkt in Deutschland

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Quelle: Martin Rothert, Development of the German Storage Market after the Expiration of the first Support

Scheme by the BMWi, 10th IHRES, Düsseldorf 2016.


Anforderungen der Batterietechnologien

für Stationäre Anwendungen

Lebenserwartung

Hohe Zyklenfestigkeit (>3000 Zyklen)

Niedrige kalendarische Alterung

Niedrige Selbstentladungsrate

Sicherheit

Thermisch Stabil

Robust

Nicht entzündbar

Möglichst Umweltfreundlich

Kosten

Einfacher Herstellungsprozess

Niedrige Beschaffungskosten

Performance

Hohe Energiedichte

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Quelle:„Filderstadt: Brand eines Photovoltaik-Stromspeichers“, Zeitschrift für das

gesamte Feuerwehrwesen, für Rettungsdienst und Umweltschutz, April 2014.

Quelle:“Slow down the laptop battery loss“, Laptop batteries Canada, 11. Juni 2012.

Quelle: Richard Van Noorden, „The rechargeable revolution: A better battery”,

Nature – International weekly journal of science, 5. März 2015.


Übersicht der Batterietechnologien

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Lithium-Ionen Blei

NiFe

Redox-Flow Aqueous hybrid Ionen

Quelle: http://www.aquionenergy.com Quelle: http://redflow.com/

Quelle: http://www.a123systems.com/

Quelle: www.bae-berlin.de/

Quelle: https://www.ensotec.de/


Batterietechnologien – Übersicht

Lithium-Eisen-Phosphat (LFP)

Aufbau:

Beliebiges Zellformat

zylindrisch, pouch, prismatisch

Sicherheit:

Überwachungselektronik nötig

Balancingelektronik

thermisches Durchgehen bei ca. 270 °C

robuste Zellchemie

Performance:

85 - 95% Wirkungsgrad

3 - 5 %/Monat Selbstentladung

> 5000 Zyklen

ca. 90 - 120 Wh/kg

ca. 3000 W/kg

ca. 15 Jahre Lebensdauer

80-100 % Entladetiefe

Kosten:

ab ca. 1000 €/kWh

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B-Box (BYD)

Eco (Sonnenbatterie)

Quelle: http://www.energie-experten.org, http://http://batteryuniversity.com, Centrales Agrar-Rohstoff

Marketing- und Energie-Netzwerk (C.A.R.M.E.N), Marktübersicht Batteriespeicher, 2015.

Beispiel LFP-Systeme


Aufbau:

Beliebiges Zellformat

zylindrisch, pouch, prismatisch

Sicherheit:

Überwachungselektronik nötig

Balancingelektronik

thermisches Durchgehen bei ca. 210 °C

geringe Selbsterwärmung

Performance:



> 5000 Zyklen

ca. 150- 220 Wh/kg


80-100 % Entladetiefe

Kosten:

ab ca. 1000 €/kWh

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neeoQube (AKASOL)

All-in-one (Samsung SDI)


Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC)

Quelle:


Beispiel NMC-Systeme



Blei-Gel-Heimspeicher

Aufbau:

Robust

Gehäuse mit dickeren Wandstärken

Geschlossenes System

kein Nachfüllen von Wasser notwendig

Sicherheit:

Sicherheitsventil vorhanden

keine EX geschützte Räume erforderlich

kein Knallgasabgabe

Performance:



ca. 3000 Zyklen

ca. 30 - 40 Wh/kg

ca. 250 – 500 W/kg


50 % Entladetiefe

Kosten:

kostengünstigste Speicherlösung im PV-Bereich

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Quelle: http://www.energie-experten.org, http://http://batteryuniversity.com,

Centrales Agrar-Rohstoff Marketing- und Energie-Netzwerk (C.A.R.M.E.N), Marktübersicht Batteriespeicher,

2015.

SunDepot (BAE)

SolStore Set (IBC Solar)

Beispiel Blei-Gel-Systeme



Redox-Flow-Batterien

Aufbau und Funktionsweise:

Flüssiges Speichermedium

Pumpen der Elektrolyte durch die

elektrochemische Zelle

Leistung und Energiemenge unabhängig

voneinander Skalierbar

Sicherheit:

Nicht brennbar

Kein Explosionsgefahr

Performance:

Energetischer Wirkungsgrad von 75%

Mind. 10000 Zyklen

Bis zu 20 Jahren Lebensdauer

Zwischen 15-80 Wh/L (mediumsabhängig)

100 % Entladetiefe

Kosten:

ab ca. 2000 €/kWh

Niedrige Herstellungskosten

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RedFlow (ZinkBromid) EverFlow (VRFB)

Quelle: C.A.R.M.E.N, Marktübersicht Batteriespeicher, 2015.

H. Fink, Redox-Flow-Batterien: “Technik, Chancen und Einsatzgebiete“, Stromspeicher –

heute erzeugen, morgen verbrauchen, 27. Sept. 2012, München.

http://www.schmid-group.com/

Beispiel Redox-Flow-Systeme



Aqueous-hybrid-Ionen Batterie


Wässriger pH-neutraler Elektrolyt (natriumbasiert)

Mangan-Oxid-Spinel Kathode

Aktivkohle Anode

Sicherheit:

Kein Kühlmanagement

Keine Überwachungselektronik

Nicht entzündbar, toxisch und korrosiv

Performance

Energetischer Wirkungsgrad von 85%

Mind. 10000 Zyklen

Ca. 20 Wh/L


Kosten:

Einfacher Herstellungsprozess

Keine reguläre Wartung

ab ca. 1000 €/kWh

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Quelle: http://www.aquionenergy.com/,




Nickel-Eisen-Heimspeicher

Aufbau:

Robust

Sicherheit:

Überladungs- & Tiefentladungsresistent

Keine Sicherheitselektronik nötig

keine aktive Brandlast

Performance:

65 – 85 % Wirkungsgrad


ca. 15000 Zyklen

ca. 30 - 50 Wh/kg

ca. 100 W/kg


70 % Entladetiefe

Kosten:

ab ca. 2000 €/kWh

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Quelle: http://www.energie-experten.org, http://http://batteryuniversity.com, Centrales Agrar-Rohstoff

Marketing- und Energie-Netzwerk (C.A.R.M.E.N), Marktübersicht Batteriespeicher, 2015.

https://www.ensotec.de/

StromSafe (Fa. ensotec)

Beispiel Ni-Fe-System


Anforderungen der Batterietechnologien

für die Elektromobilität

Lebenserwartung

Hohe Zyklenfestigkeit (ca. 1000 Zyklen)



Sicherheit

Thermisch Stabil

Robust

Kosten

Niedrige Beschaffungskosten

Performance

hoher Wirkungsgrad bei verschiedenen Umge-

bungstemperaturen

Hohe Energie- und Leistungsdichte (abhängig

von der Anwendung: EV, PHEV, HEV)

kurze Ladedauer

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www.dreamstime.com


Mögliche Batterietechnologien der Zukunft

- 16 -

Dual-Kohlenstoff Semi-solid state

Solid state Lithium-Ionen

Quelle: http://powerjapanplus.com/

Quelle: http://24-m.com/

Quelle: http://www.prietobattery.com/



Dual-Carbon-Battery


Elektroden aus Kohlenstoff

Flüssiger organischer Elektrolyt

Beim Laden wandern die Li+ zur Anode und

die A- zur Kathode

100% recyclebar

Beliebiges Format

Sicherheit:

Geringe (minimale) Wärmeentwicklung

Keine Überladung möglich

Keine Dendritenbildung kein internen Kurzschluss

Performance:

4 V

Mind. 3000 Zyklen

Ca. 400 Wh/kg

Bis zu 20-mal schnellerer Ladungsphase als konventionale Li-Ionen Batterien

Kosten / Herstellung:

Keine Angaben

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Quelle: http://powerjapanplus.com/



Semi-solid Lithium-Ionen-Batterie


Semisolide Elektroden

Deutlich dicke Elektroden

Beliebiges Format

Sicherheit:

Wie bei gewöhnliche Lithium-Ionen Batterien

Performance

3-4 V

Mind. 3000 Zyklen

Ca. 220 Wh/kg und 300 Wh/L


Senkung des Herstellungsprozess und –schritte

Bis zu 80% schnellere Zellfertigung

Ca. 100 €/kWh (Jahr 2020)

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Quellen: http://24-m.com/, http://www.hybridcars.com/24ms-semi-solid-lithium-ion-battery-is-cheaper-and-faster-

to-build/



Solid-state Lithium-Ionen Batterie


Festkörper-Elektrolyt

Kathode- und Anode Materialien wie bei

gewöhnliche Li-Ionen Batterien (und andere)

3D Batteriearchitekturen möglich

Sicherheit:

Keine Dendritenbildung kein interner

Kurzschluss

Nicht entzündbar, toxisch und korrosiv

Performance

Bis zu 200 °C Betriebstemperatur


Ca. 600 Wh/L

Bis zu 10000 Zyklen


Hohe Herstellungskosten

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Quellen: Timothy S. Arthur et al., “Three-dimensional electrodes and battery architectures“, MRS

Bulletin, 2011


Fazit

Umfangreiches Angebot an PV-Speichersysteme

verschiedener Kapazitäten

verschiedener Batterietechnologien

verschiedener Anschlussart

Die steigende Strompreise machen den Kauf von Heimspeicher attraktiver

Der Durchbruch hat bereits stattgefunden, sowohl wirtschaftlich als auch

gesellschaftlich

Momentan kosten miteinander vergleichbare Blei- und Lithiumspeicher etwa gleichviel

weitere Preissenkung bei Lithium-Ionen Batterien erwartet

Vorhandene Speichersysteme im Markt bieten

hohe Sicherheit

lange Lebensdauer

hohe Performance

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Energie Zukunft Tirol - Speichersysteme der Zukunft | 11.04.2016 | Innsbruck | Joaquín Klee Barillas - 21 -

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

// Energie mit Zukunft

// Zentrum für Sonnenergie- und Wasserstoff-

Forschung Baden-Württemberg (ZSW)

Ulm:

Elektrochemische Energietechnologien mit eLaB

Solar-Testfelder:

Widderstall und Girona (ES)

Stuttgart:

Photovoltaik (mit Solab),

Energiepolitik und

Energieträger, Zentralbereich

Finanzen, Personal & Recht

Dipl.-Ing. Joaquín Klee Barillas

Lise-Meitner-Str. 24, D-89081 Ulm

[email protected]

+49-731-9530-536

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