Erfahrungen aus dem EKZ Projekt - Smart City Energiespeicher für das Stromnetz Erfahrungen aus dem...

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

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

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

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

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

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

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

December 5, 2014 | Slide 7 © ABB

Systemkomponenten Umrichter

Batterien

Regelung & Algorithmen

Schutz

Trafos und Schaltanlagen

BESS: ABB Produkte und Dienstleistungen

Turnkey BESS

Packaged BESS

Komponenten

Systemintegration

Service

© ABB Group December 5, 2014 | Slide 8

Einige von ABB installierte Energiespeicher


www.abb-energystoragesolutions.com/

ABB Forschungsschwerpunkte im Bereich BESS


Batterie- technologien

Thermisches Management

Alterungs-modelle

Betrieb und Regelung

Vorhersage / Optimierung

Dimensio-nierung

Anwendungs- gebiete Markt / Kosten-

optimierung

EKZ 1 MW BESS

Batteriekontainer

Transformator

Wechselrichter 1MVA

Kopplungstrafo SCADA

Batteriemodule

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

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

Inselbetrieb / Microgrid


Beispiel im Inselbetrieb


Netzqualität vergleichbar mit netzparallelem Betrieb bei kleinerer Kurzschlussleistung

Primärregelung


Präqualifikation zur Lieferung von Primärregelung


Nachladestrategie für permanente Verfügbarkeit Zwei Methoden


Nachladestrategien am Beispiel


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

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

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.

Regulatorische Entwicklung Batteriespeicher, Netzregelung USA


Regulatorische Entwicklung Batteriespeicher, Netzregelung Europa


Beispielrechnungen Batteriealterung Verschiedene Profile Primärregelung


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

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

Publikationen


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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