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Energiespeichertechnologien: Entwicklungstendenzen und Anwendungstrends
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DRESDEN
FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR VERKEHRS- UND INFRASTRUKTURSYSTEME IVI
Dr.-Ing. Ulrich Potthoff Zeunerstraße 38 01069 Dresden [email protected] www.ivi.fraunhofer.de +49 351 4640 638
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ÜBERBLICK
Fraunhofer IVI
Entwicklungstrends
Speichertechnologien
Forschungsprojekte
mobile Anwendungen
stationäre Anwendungen
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Forscher
fraunhofersche Linien im Sonnenspektrum
Erfinder
neue Verarbeitungs-methoden für optische Gläser
Unternehmer
Glashütte, Optisches Institut
Joseph von Fraunhofer (1787 - 1826)
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Fraunhofer-Gesellschaft
anwendungsorientierte Forschung
60 Institute >18.000 Angestellte
Kunden
Industrie
öffentliche Auftraggeber
München
Holzkirchen
Freiburg
Efringen- Kirchen
Freising Stuttgart
Pfinztal Karlsruhe Saarbrücken
St. Ingbert Kaiserslautern
Darmstadt Würzburg
Erlangen
Nürnberg
Ilmenau
Schkopau
Teltow
Oberhausen
Duisburg
Euskirchen Aachen St. Augustin Schmallenberg
Dortmund
Potsdam Berlin
Rostock
Lübeck Itzehoe
Braunschweig
Hannover
Bremen
Bremerhaven
Jena
Leipzig
Chemnitz
Dresden
Cottbus Magdeburg
Halle
Fürth
Wachtberg
Ettlingen
Kandern
Oldenburg
Freiberg
Paderborn
Kassel
Gießen Erfurt
Augsburg
Oberpfaffenhofen
Garching
Straubing
Bayreuth
Bronnbach
Prien
Hamburg
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vier Abteilungen:
Verkehr, Energie und Umwelt
intermodale Verkehrsinformations- und Managementsysteme
Strategie und Optimierung
Fahrzeug- und Verkehrssystemtechnik
Forschungsgruppe der TU Dresden seit 2010
Ortung, Information und Kommunikation
Fraunhofer IVI Forschungsgebiete
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Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI
90 Mitarbeiter
50 studentische Hilfskräfte
Budget ~ 7,2 Mio. Euro (2012)
vier Abteilungen
Forschungsgruppe der TU Dresden
Institutsleiter Dr. Matthias Klingner
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Elektromobilität
Strategieentwicklung und energiewirtschaftliche Machbarkeitsstudien
elektrisches und thermisches Energiemanagement
Modellierung, Simulation und Regelung technischer Speichersysteme
Abteilung Verkehr, Energie und Umwelt
Dr. Ulrich Potthoff Telefon +49 351 4640-638 [email protected]
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Energiewandler und Speichersysteme
effiziente Energiewandlung
ressourcenschonende Energiebereitstellung
sparsame Energienutzung
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Energiewandler und Speichersysteme
»Leitmarkt« Elektromobilität Deutschland, Nutzfahrzeuge, stationäre Speicher
Avisierte Märkte
Komponenten- und Systemhersteller
Industrieunternehmen
Bundes- und Länderministerien
BMBF, BMVBS, SMWA
Europäische Union
Auftraggeber / Partner
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historische Stadtrundfahrt
AutoTram®
Innovative Elektromobilität im ÖPNV
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AutoTram® Demonstrator für E-Mobilität im ÖPNV
AutoTram® Demonstrator
Länge 18 m, Breite 2.5 m
Gewicht 19 t
3 ASM, max. 60 km/h
bahntypisches Design
bustypische Merkmale
hybrider Antriebsstrang
dualer Energiespeicher
prädiktives Energiemanagement
Leichtbaukonstruktion
Mehrachslenkung
hohe Transportkapazität
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AutoTram® Extra Grand
AutoTram® Extra Grand
Länge 30 m, Breite 2.5 m
Gewicht 44 t
2 Powerpacks
bahntypisches Design
bustypische Merkmale
hybrider Antriebsstrang
dualer Energiespeicher
prädiktives Energiemanagement
Leichtbaukonstruktion
Mehrachslenkung
hohe Transportkapazität
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Hybrider Antriebsstrang Konzept
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fahrzeug- und wegseitiger Energiespeicher basierend auf Doppelschichtkondensatoren
Hochleistungsübertragung 1000A, 700 V
Hochleistungs-DC/DC-Wandler
Kontaktsystem
vollautomatische Schnellladung
Docking System - Schnellladevorgänge im ÖPNV
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Docking System - Schnellladevorgänge im ÖPNV Ladestation IVI-Dockingstation (Fa. M&P)
2 kWh Nutzenergie
40 kW Leistungsaufnahme (380 VAC)
300 kW Leistungsabgabe (600 VDC)
20 m³ Container, 3t Gesamtgewicht
neu: 2,5 kWh, 600 kW, 700 VDC, Volumenreduktion, EDLC-basiert
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Anwendungstrends Projektbeispiel Elektromobilität BMU
ENUBA - Elektromobilität bei schweren Nutzfahrzeugen zur Umweltentlastung von Ballungsräumen
Siemens AG München, Technische Universität Dresden, Fakultät Verkehrswissenschaften (keine IVI Beteiligung)
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Hybrider Antriebsstrang
Brennstoffzellencluster
Brennstoffzelle HY-80 Ballard
Nennleistung 2 x 80 kW
nutzbare Leistung 70 kW (+/- 5 %)
Spannung 280 - 400 VDC
Gewicht 218 kg
Volumen 250 l
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Hybrider Antriebsstrang
Schwungradspeicher
Gyrobus 1955
FlyWheel EMAFER RoV-II CCM
Energieinhalt 5.3 kWh / 4 kWh
Leistung 200 kW / 325 kW max.
Drehzahl 25.000 min-1
Spannungsniveau 500 VDC - 750 VDC
Gewicht 420 kg / 950 kg
Lebensdauer 150.000 h
kardanische Ausführung
Quelle: Oerlikon
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Maxwell® Modul BMOD0165 P048 B01:
Kapazität 165 F
Nominalspannung 48,6 V
Hochleistung-System:
5 Stränge à 11 Module
Energieinhalt 3 kWh
max. Spannung 535 V
Hybrider Antriebsstrang
Doppelschichtkondensator
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Li-Tec® High-Energy-Zelle:
Kapazität 40 Ah
Nominalspannung 3,6 V
Batteriesystem:
3 Stränge à 8 Module à 12 Zellen
Energieinhalt 42 kWh
max. Spannung 400 V
Luftgekühltes Batteriepack der AutoTram
Hybrider Antriebsstrang
Lithium-Ionen Batterie
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Energiewandler und Speichersysteme
verkehrsrelevante Kernthemen
Hochleistungstraktionsenergiespeicher
Dualspeichersysteme
Batteriekühlsysteme
beobachterbasierte Batterie- managementsysteme
GPS-basierte Energie- managementsysteme
Energiesystemtechnik
Regelungs- und Steuerungstechnik
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Energiemanagement Dualspeicher
Dualspeicher als kombinierter Hochleistungs-/Hochenergiespeicher
routenabhängiges Energiemanagement
prädiktive Regelung
Echtzeit-Optimierung
Exemplarischer Verlauf P, E
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Batteriesystementwicklung Modellbasierte Ansätze
SOC/SOH Schätzung
nichtlineares Systemverhalten
extended Kalman-Filter, Markov
stochastische Unbestimmtheitsmodelle
Echtzeitfähigkeit
prädiktive thermische Steuerung
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Projektbeispiel Basta – Batterie Stationär in Sachsen
Energiewende fluktuierende Einspeisung
hochkapazitives Batterie-Speicherwerk
Entwicklung neuer Batteriechemie Niedertemperatur Natrium-Schwefel
Zell-, Modul-, Systemkonzeption
simulationsgestützter Entwurf und prototypischer Aufbau
System- und Netzintegration
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Projektbeispiel Li-S-Cell Verbundprojekt
zyklenstabile, intrinsisch sichere Batteriezellen
Energiedichten > 400 Wh/kg (Li-Ionen derzeit 150 Wh/kg)
sichere Zellchemie
skalierbare Produktionsverfahren
flexible Integration
Anwendung: HORUS www.airclip.de Inspektion, Thermographie, 3D
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Netzeinspeisung erneuerbarer Energien
EEG-Einspeisung Regelzone 50Hertz März 2013
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 00
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
EE
Ein
spei
sung
(MW
)
Tage vor 31.03.2013
SolarWindBiomasse
Datenquelle: 50Hertz Transmission GmbH
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Großspeicher
LESSY - Lithium-Elektrizitäts-Speicher-System
1 MW, 700 kWh
4.700 Lithium-Eisenphosphat-Zellen
LiTec (Daimler-Evonik-Joint-Venture), STEAG,
Umfang 4,9 Mio. EUR
Völklingen (Saarland)
Systemdienstleistung
Younicos, Vattenfall
1 MW, 6 MWh
Natrium-Schwefel Batterie
Berlin, Adlershof
Primärregelleistung, 200ms
Plan 10 MW, 10 MWh
Quelle: Younicos
Quelle: LESSY
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Regelenergie
Primärregelung
Solidaritätsprinzip durch synchron verbundene ÜNB
automatische Aktivierung innerhalb von 30 sec
abzudeckender Zeitraum: 0 < t < 15 min
Sekundärregelung
energetischer Ausgleich der Regelzone und Frequenzregelung
automatische Aktivierung durch betroffenen ÜNB
vollständige Erbringung innerhalb von maximal 5 min
Minutenreserve
telefonischer und fahrplangestützter Abruf durch ÜNB
vollständige Aktivierung binnen 15 Minuten
abzudeckender Zeitraum: t > 15 min bis 4 Viertelstunden
Quelle: regelleistung.net
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Regelenergie
Vermarktungsstrategien
EEG-Festvergütung
Direktvermarktung, Managementprämie, Marktprämie,…
rationale Bietstrategie
Angebote positive SRL, Nebenzeit
Schwarmverhalten
Spieletheorie
Zeit
#Auktion
Leis
tun
gsp
reis
EU
R/M
W
Leis
tun
gsp
reis
EEX, SRL Pos. NT, 2011-2013
Simulation Bietverhalten
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Fraktaler Lastausgleich
hierarchische Struktur unterschiedlicher Verbrauchergruppen
Kosteneinsparung beim Leistungspreis aufgrund Lastspitzendämpfung und erhöhtem Eigenversorgungsgrad
Beitrag zur verbesserten Netzintegration erneuerbarer Energiequellen unter fluktuierender Einspeisung
Lastspitze P
t
Lastspitzendämpfung
Verbrauchergruppe 1
Verbrauchergruppe 2
Verbrauchergruppe 3
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Fraktaler Lastausgleich durch asynchrone Ladestrategien dezentraler eCar - Flotten
Parameter
Lebenszyklus Batterie Jahre 10
Fahrleistung tgl. km 50
el. Verbrauch PKW (0,1…0,25) kWh/km 0,25
Ladeleistung Type-2 (3,7/11/22) kW 11
Arbeitspunkt AP=50 % für pos./neg. RE kW 5,5
tgl. Verbrauch kWh 12,5
tgl. Ladedauer @ AP h 2,3
erforderliche Nutzeranzahl für 24h Abdeckung # 10,6
äquiv. 24h Regelleistungsbereitstellung eines Fahrzeugs kW 0,52
Anzahl Fzg. für 1 MW Regelleistungskraftwerk # 1920
RL Leistungspreis (wöchentl.) EUR/MW 2.500
RL Erlös (wöchentl.) EUR 1,30
RL Erlös Lebenszyklus = Subventionspreis je Fzg. EUR 677
Netzzustand
Frequenz
Spannung
dezentrale, autonome, kommunikationsfreie Ladeleistungsregelung
systemimmanente Netzselbstregelung
selbst organisierendes Regelungsprinzips
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Erbringung positiver und negativer Regelenergie durch Leistungsabsenkung und –anhebung
11 kW Ladeleistung (Type-2 Stecker) Ladesystem 50%-Nominalarbeitspunkt 5,5 kW
gesteuerte zeitliche Lastverschiebung ermöglicht Erlös aus Regelenergiedienstleistung
Betrag geschätzt 5 - 15 % Batterieneupreis
dezentrales, europaweit wirkendes Regelenergiekraftwerk
11 kW
Lade-leistung
50% APpositive
Regelenergie
negativeRegelenergie
GrundlastLadeleistungsbezug Zeit
Fraktaler Lastausgleich durch asynchrone Ladestrategien dezentraler eCar - Flotten
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HYPOS – Hydrogen Power Storage & Solution East Germany
fluktuierende Netzeinspeisung von Wind- und Solarstrom
regenerative Erzeugung von Wasserstoff
stoffliche Energiespeicherung, PtG
Erbringung von Systemdienstleistung Regelenergie
Geschäftsmodell intermediäres Regelkraftwerk
H2-Pipeline
ElektrolyseurRück-
verstromungBSZ, GuD
H2-Kavernen-speicher
E-Netz
intermediäres Regelkraftwerk
Gasnetz
Direkt-einspeisung Methanisierung
Nah
- und
Fer
nwär
men
etz
Mobilitäts-szenarien
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autartec® – Funktionstragende Strukturkomponenten für Gebäude und Siedlungen
weitgehend autarke Strom-, Wärme- und Wasserversorgung
dezentrale Wasseraufbereitung
hochkapazitive Strom- und Wärmespeicherkapazitäten im Hausbereich
Strukturintegration elektrischer und thermischer Speichersysteme
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Fokussierung Speicher
Synergiepotential und Konvergenz mobil-stationär
Speichertechnologie (Energie- vs. Leistungsdichte)
Systemarchitektur Dualspeicher
Smart grid / Laststeuerung
Potential gesteuerter Verbraucher
speicherbasierter Lastausgleich
Zusammenfassung Thesen
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