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Neue Energiespeicher für das Stromnetz Erfahrungen aus dem EKZ Projekt
J. Poland und A. Oudalov (ABB), M. Koller (EKZ), Smart Cities – Projekte, Werkzeuge und Strategien für die Zukunft, Basel, 3.12.2014
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1MW BESS im Schweizer Verteilernetz Agenda
Einführung ABB und BESS Das 1 MW BESS der EKZ Erfahrungen Bemerkungen zum Betrieb, Regelung, zu
Marktpreisen und Batteriealterung Zusammenfassung
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Kommende Herausforderungen für Stromnetze Langfristige Technologietreiber für Energiespeicher
Wind & Solarenergie
Erdgas & Erdöl-Preise
Probleme mit Spannungsqualität
T&D Bottlenecks
Ancillary Services
Erneuerbare Energien
Stabilisierung durch: Interconnections, T&D Upgrades, Flexible Erzeugung, Demand Side Management, und Energiespeicher
© ABB Group
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Energiespeicher im Weltweiten Stromnetz Installierte Leistung im Jahr 2014
130’000 MW
Compressed Air Energy Storage, 440 MW
Sodium-Sulfur Battery, 320 MW
Lithium Ion Battery 290 MW
Lead-acid Battery, 80 MW
Flywheel energy storage, 40 MW
Redox Flow battery, 13 MW
Pumped hydro
Source: Fraunhofer Institute, EPRI, ABB, DOE Global Energy Storage Database © ABB Group
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Energiespeicher im Stromnetz
ESS
Integration of renewables 1-100 MW,1-10h Peak shaving
0.5-10 MW, 1h
220 kV
110 kV 20 kV ring
20 kV
Conventional Central
Generation
Variable Renewable Generation
220 KV
Load leveling for generation utilization 10-1000 MW, 1-8h
ESS
110 kV Industry/ Large Commercial
Load Center
20 kV
ESS
Spinning reserve In case of line loss 10-500 MW, 0.25-1 h
Load leveling for postponement of grid upgrade 1-10 MW, 1-6h
ESS
ESS Frequency Regulation 1-50 MW, 0.25-1h
220 kV
110 kV
ESS
Solar PV time shift 1-100 kW, 2-6h
ESS
0.4 kV
Residential/Small Commercial ESS
Micro-grid
Stabilization 0.1-5 MW, 5 min
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Batterie-Energiespeicher Wichtige Anwendungen
Power Station Wind power
Solar power Residential
loads
Industrial loads
© ABB Group
Peak Shaving
Spinning Reserves
Load Levelling
Frequency Regulation Voltage Support
Capacity firming
Ramp rate control
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Schnelle Reaktionszeit
Reduktion maximalen dynamischen Frequenzabweichung dank schneller Reaktion der Batteriespeicher
Batteriespeicher können im Rahmen der Energiewende abnehmende Massenträgheit im System ersetzen
Flexible Dimensionierung
Warum BESS
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Systemkomponenten Umrichter
Batterien
Regelung & Algorithmen
Schutz
Trafos und Schaltanlagen
BESS: ABB Produkte und Dienstleistungen
Turnkey BESS
Packaged BESS
Komponenten
Systemintegration
Service
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Einige von ABB installierte Energiespeicher
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www.abb-energystoragesolutions.com/
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ABB Forschungsschwerpunkte im Bereich BESS
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Batterie- technologien
Thermisches Management
Alterungs-modelle
Betrieb und Regelung
Vorhersage / Optimierung
Dimensio-nierung
Anwendungs- gebiete Markt / Kosten-
optimierung
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EKZ 1 MW BESS
Batteriekontainer
Transformator
Wechselrichter 1MVA
Kopplungstrafo SCADA
Batteriemodule
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EKZ 1 MW BESS Spezifikation
Eigenschaft Wert Bemerkungen Leistung 1 MW Laden sowie Entladen Kapazität 580 kWh 250 kWh @ 1 MW System Integrator ABB Hersteller Batterie LG Chem Batterietyp Li-Ion Anzahl Zellen 10368 Lebensdauer1 3500 Cycles 2 Zyklen/Tag, 250 kWh Systemkosten2 ~2 Mio EUR ~500k Batterie Effizienz 80%-90% Round Trip
1 Garantierte Lebensdauer, tatsächliche Lebensdauer vermutlich höher 2 Basis sind Preise von 2011
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Erfahrungen Effizienz in zwei Betriebsjahren
Komponenten
Batterie: round trip 90 – 95% (höher bei höherer Leistung)
Wechselrichter: one way 97% (tiefer bei höherer Leistung)
System
Zyklen mit 50% DoD bei 50% Nominalleistung (±500 kW, je 30 min)
Round trip ohne Auxiliary: 90%
Round trip mit Auxiliary: 85%
Effizienzmessung nicht standardisiert
Tatsächliche Effizienz hängt stark von dem Einsatz (Lastprofile) ab
Dasselbe gilt für die Batteriealterung
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Inselbetrieb / Microgrid
December 5, 2014 | Slide 14 © ABB
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Beispiel im Inselbetrieb
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Netzqualität vergleichbar mit netzparallelem Betrieb bei kleinerer Kurzschlussleistung
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Primärregelung
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Präqualifikation zur Lieferung von Primärregelung
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Nachladestrategie für permanente Verfügbarkeit Zwei Methoden
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Nachladestrategien am Beispiel
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Vorausschauendes SoC Management
Vorhersage von Frequenz- und SoC-Entwicklung basierend auf historischen Daten
SoC Management via Intraday-Markt
Gegenwärtige Marktregeln in Deutschland:
Gebot bis 45 min vor Bezug
Bezugsintervall ist 15 min oder 60 min
Im EKZ BESS noch nicht implementiert
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Markt für Primärregelung in der Schweiz
Quelle: swissgrid
Auktionssystem seit 2009
Wöchentliche Auktionen im Pay-as-Bid Verfahren (kein Marktpreis, günstigste Gebote werden akzeptiert)
Je nach Investitionskosten rechnen sich Batterien für die Primärregelung bereits heute
Kältewelle
Speicherseen leer
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Erwarteter Preisverfall bei Li-ion Batterien ($/kWh)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
2010 2015 2020 2025 2030Bloomberg New Energy Finance Navigant Research Deutsche Bank IHS (iSuppli)
Die Verbreitung von BESS wird nicht durch den Batteriepreisverfall allein vorangetrieben. Massgeblich ist eine Kombination aus Regulierung, Preisgefüge und Technologie.
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Regulatorische Entwicklung Batteriespeicher, Netzregelung USA
December 5, 2014 | Slide 23 © ABB
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Regulatorische Entwicklung Batteriespeicher, Netzregelung Europa
December 5, 2014 | Slide 24 © ABB
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Beispielrechnungen Batteriealterung Verschiedene Profile Primärregelung
December 5, 2014 | Slide 25 © ABB
Lebensdauer Batterie
Alterung wg. Lastzyklen
Lebensdauer Batterie
Alterung wg. Lastzyklen
Swissgrid, 2011 6 Jahre 27% 13 Jahre 90%
Kleineres Netz, 2012
1 Jahr 95% 5.3 Jahre 95%
PJM RegD, 2013 1.7 Jahre 78% 2.2 Jahre 98%
Batterie 1 (Graphit-Anode) Batterie 2 (LTO)
• Vorhersage basiert auf Alterungsmodellen (mit Herstellerdaten identifiziert) • Batteriegrösse: 20 min • Umgebungstemperatur: 25°C • SoC Management: gleitender Durchschnitt • Lebensende der Batterie bei 80% Restkapazität
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Zusammenfassung
Batteriespeicher bieten schnelle Reaktion
wichtig für Netzstabilität beim Ausbau der erneuerbaren Energien
EKZ Batteriespeicher präqualifiziert für Primärregelung
Erfolgreicher Testbetrieb eines Inselnetzes / Microgrids
Umfeld von Markt und Regulierung immer noch schwierig
Kommerzielle Batteriespeicher für die Primärregelung unter heutigen Bedingungen denkbar
Zukünftige Entwicklung hängt von vielen Faktoren ab
Auswahl von Batterie, BESS, Operationsstrategie ist massgeblich von der Anwendung abhängig
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Publikationen
December 5, 2014 | Slide 27 © ABB
A. Oudalov, D. Chartouni, and C. Ohler: Optimizing a Battery Energy Storage System for Primary Frequency Control, IEEE Transactions on Power Systems, 2007
C. Yuen, J. Poland, A. Effinger: The use of BESS for Integration of Wind Energy, 17th Power Systems Computation Conference, 2011
B. Xu, A. Oudalov, J. Poland, A. Ulbig, G. Andersson: BESS Control Strategies for Participating in Grid Frequency Regulation, IFAC World Congress 2014
M. Koller, T. Borsche, A. Ulbig and G. Andersson: Review of Grid Applications with the Zurich 1 MW Battery Energy Storage System, Electric Power Systems Research, 2014
M. Koller, J. Schmidli and B. Völlmin: Frequency regulation and microgrid investigations with 1 MW battery energy storage system, CIRED, 2014
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