Energiespeichersysteme Energie intelligent speichern mit IRIS © 2015 Sebastian Hörlin, Julian Schultes Produktvorstellung am 17.03.2015 Integrating Renewables Into Storage Gliederung TEIL 1: Speicher und Anwendung 1 2 3 4 5 Motivation Vorstellung Produkt Nutzen 4.1 Betriebs- und Anlagensicherheit 4.2 Energiekostensenkungen 4.3 Teilnahme am Regelenergiemarkt 4.4 Sonstige Anwendungsmöglichkeiten Anwender / Zielgruppe 5.1 Beispiel TEIL 2: Technik 7 8 9 10 Aufbau des Speichersystems 7.1 Batterietechnologie 7.2 BMS 7.3 Wechselrichter 7.4 Schnittstellen Modellierung der Energieeffizienz EMV-Messung Fazit Integrating Renewables Into Storage Energie intelligent speichern mit IRIS Integrating Renewables Into Storage TEIL 1: Speicher und Anwendungen Integrating Renewables Into Storage 1 Motivation Bedürfnisse und Anforderungen der Lead-User von mittelständischen (SME-) Unternehmen Lösungen zur Senkung der Energiekosten Lösungen für Netzstabilität und USV Eigenständiges Lastmanagement Sinnvolle Speicherlösungen für Erzeugeranlagen Integrating Renewables Into Storage 2 Vorstellung IRIS Energy GmbH Integrating Renewables Into Storage Gründung: 2013 Geschäftsführer: Bernhard Schultes Gesellschafter: Schultes Maschinenbau GmbH Standort: Am Beetacker 5 (D) 63856 Bessenbach www.iris-energy.de Integrating Renewables Into Storage 2 Vorstellung Entwickler Bernhard Schultes, I.R.I.S – Energy GmbH M.Sc. Dipl.-Ing.(FH) Sebastian Hörlin, DHG Engineering GmbH Prof. Dr. Armin Dietz, ELSYS Technische Hochschule Nürnberg Dipl.-Ing. Reinhard Gross, BNO Consult Integrating Renewables Into Storage Überblick Speicherarten Thermische Energie (Wärmespeicher, Fernwärmespeicher, ...) Chemische Energie (Akkumulator, Wasserstoff, ...) Kinetische Energie (Schwungrad, ...) Potenzielle Energie (Feder, Pumpspeicher, ...) Elektrische Energie (Kondensator, ...) Integrating Renewables Into Storage 3 Produkt Batterie- Energiespeicher (Akkumulator) S 30/30 2 Speichergrößen (30 kWh, 40 kWh) Auf Lithium- Eisen PO4 Zellen – Basis Mit integriertem Wechselrichter (Eigenentwicklung) Intelligentes Batteriemanagementsystem (Eigenentwicklung) Modulares System Integrating Renewables Into Storage 3 Produkt Energiespeicherlösung für Anwender Erneuerbarer Energien Integrating Renewables Into Storage 4 Nutzen Betriebs- und Anlagensicherheit USV und Notstromversorgung Energiekosten senken Eigenverbrauch, Spitzenlastreduzierung, Blindleistungsreduzierung Teilnahme am Regelenergiemarkt Minutenreserve und Primärregelleistung Energieversorgung durch Inselbetrieb Off- Grid Lösung Integrating Renewables Into Storage 4 Nutzen 4.1 USV und Notstromversorgung Betriebs- und Anlagensicherheit Stromausfälle und Netzschwankungen verursachen Anlagenausfälle Hohe Folgekosten (Wiederanfahren der Anlagen, Maschinenschäden, Produktionsausfall, Datenverluste) Lösung: Energiespeicher für Notstrom und USV einsetzen schützt vor Netzeinbrüchen und Spannungsschwankungen verhindert Anlagenausfälle Integrating Renewables Into Storage 4 Nutzen 4.1 USV und Notstromversorgung Betriebs- und Anlagensicherheit Einsatzgebiete: Serveranlagen und Backup- Systeme Schließanlagen und Kassensysteme Kühlsysteme Produktionsanlagen Prozesstechnik Werkzeugmaschinen Integrating Renewables Into Storage 4 Nutzen 4.1 USV und Notstromversorgung Betriebs- und Anlagensicherheit Vorteile des IRIS Systems: Wartungsarm Kapazität (30 kWh) skalierbar Sehr schnell Umschaltdauer <10 ms Integrating Renewables Into Storage 4 Nutzen 4.2 Eigenverbrauch Energiekosten senken Viele Unternehmen verfügen über Erzeugeranlagen (PV- Anlage, BHKW, ... ) regenerativ erzeugte Energie direkt verbrauchen Integrating Renewables Into Storage 4 Nutzen 4.2 Eigenverbrauch Energiekosten senken Beispielanwendung: Elektroauto Ladestation Kopplung der PV-Anlage auf dem Dach mit Ladestationen für Elektroautos Integrating Renewables Into Storage 4 Nutzen 4.2 Spitzenleistungsreduzierung Energiekosten senken Reduzierung von Lastspitzen in Unternehmen, hier können Einsparungen von ca. 8 € je kW und Monat erzielt werden. signifikante Einsparungen möglich Integrating Renewables Into Storage 4 Nutzen Kompensationsanlage 4.2 Blindleistungskompensation Kompensation von Blindleistung, die im Unternehmen durch induktive oder kapazitive Verbraucher entsteht. bereits integriert Keine extra Kompensationsanlage erforderlich Keine Kosten für Blindleistung mehr S 30/40 Integrating Renewables Into Storage 4 Nutzen 4.3 Regelenergiemarkt Teilnahme am Regelenergiemarkt Problemstellung mit regenerativ erzeugter Energie Schwankende Verfügbarkeit Teurere Pumpspeicher- und Gaskraftwerke zur Netzstabilisierung notwendig Wenig Ausbaupotential von Pumpspeicherkraftwerken Gaskraftwerke sind für Regelenergie unwirtschaftlich Bedarf Primärregelleistung in Deutschland: Anfang 2013: 576 MW Anfang 2015: 670 MW 16 % Integrating Renewables Into Storage 4 Nutzen 4.3 Regelenergiemarkt Teilnahme am Regelenergiemarkt Voraussetzungen für Teilnahme Mindestens 1 MW (= 36 IRIS Speicher) muss bereit gestellt werden Räumliche Verteilung ist erlaubt Lösung: Viele kleine Energiespeicher verteilt an Anwender zur Netzstabilisierung Minutenreserve Primärregelleistung Integrating Renewables Into Storage 4 Nutzen Standard Kapazität Nutzung des Speichers 30 kWh Eigenverbraucherhöhung Spitzenlastreduzierung Notstrom & USV Integrating Renewables Into Storage 4 Nutzen Kapazität bei Teilnahme am Regelenergiemarkt Nutzung des Speichers 15 kWh Teilnahme am Regelenergiemarkt Eigenverbraucherhöhung Spitzenlastreduzierung Notstrom & USV 15 kWh Primärregelleistung Minutenreserve Integrating Renewables Into Storage 4 Nutzen Primärregelleistung Minutenreserve 36 Speicher = 1 MW Vergütung Integrating Renewables Into Storage Provider Primärregelleistung Minutenreserve Handel an Börse Vergütung Integrating Renewables Into Storage 4 Nutzen 4.3 Regelenergiemarkt Teilnahme am Regelenergiemarkt Tabelle 1: Vergütung für die Bereitstellung von Primärregelleistung in Deutschland Jahr geringster Preis 2013 durchschnittlicher Preis 2013 höchster Preis 2013 geringster Preis 2014 durchschnittlicher Preis 2014 höchster Preis 2014 Preis je MW und Woche 2.266 € 2.984 € 9.253 € 2.611 € 3.544 € 8.744 € 18 % Integrating Renewables Into Storage 4 Nutzen 4.4 Off- Grid Lösung Energieversorgung durch Inselbetrieb Sicherstellung der Energieversorgung in abgelegenen Regionen Deutliches Kostensenkungspotenzial, Stromerzeugung mit Dieselgenerator kostet in etwa 1 € je kWh Mit einem Speicher kann das Potential von regenerativer Stromerzeugung deutlich besser ausgenutzt werden Integrating Renewables Into Storage 4 Nutzen 4.4 Off- Grid Lösung Energieversorgung durch Inselbetrieb Beispielanwendung: Telekommunikationsbranche IRIS Energiespeicher statt umweltschädlicher und wartungsintensiver Systeme Stabilisierung instabiler Stromnetze Durch modulares System anpassbar an den jeweiligen Standort und Einsatzfeld Integrating Renewables Into Storage 4 Nutzen 4.4 Ersatz für Netzausbau Energieversorgung durch Inselbetrieb Vermeidung von Netzausbau der z.B. durch den Zubau von Energieerzeugungsanlagen notwendig wäre Höhere Akzeptanz in der Bevölkerung Integrating Renewables Into Storage 4 Nutzen „dual use“ von mehreren Nutzungsmöglichkeiten Im Prinzip können alle Nutzungsmöglichkeiten miteinander kombiniert werden Bereitstellung von Regelenergie und Notstromversorgung Eigenverbrauchserhöhung und Regelenergie Integrating Renewables Into Storage 4 Nutzen USV bei Anschluss an Regelenergiemarkt Integrating Renewables Into Storage 4 Nutzen Durch das Prinzip des „dual use“ kann die Wirtschaftlichkeit erheblich gesteigert werden, sodass attraktive Renditen erzielt werden können! Integrating Renewables Into Storage 5 Anwender / Zielgruppe 5.1 Beispiel: Mittelständischer Betrieb Schultes Maschinenbau GmbH Ausgangslage: Produktionsunternehmen Große Dachfläche Hoher Stromverbrauch Lastspitzen Instabiles Stromnetz Integrating Renewables Into Storage 5 Anwender / Zielgruppe 5.1 Beispiel: Mittelständischer Betrieb Schultes Maschinenbau GmbH PV-Anlage Energiespeicher Betriebs- und Anlagensicherheit USV und Notstromversorgung Energiekosten senken Eigenverbrauch, Spitzenlastreduzierung, Elektroauto Ladestation Teilnahme am Regelenergiemarkt Minutenreserve und Primärregelleistung Integrating Renewables Into Storage 5 Anwender / Zielgruppe Integrating Renewables Into Storage TEIL 2: Technik Integrating Renewables Into Storage Technik Aufbau Lithium- Eisen PO4 Zellen Batteriemanagementsystem Integrierter Wechselrichter Integrating Renewables Into Storage Gängige Batterietechnologien Lithium- EisenPO4 Zellen Integrating Renewables Into Storage Vorteile von Lithium- Eisen- PO4 Zellen Lithium- EisenPO4 Zellen + + + + + + Gleichbleibendes, sehr hohes Qualitätsniveau Zyklenfestigkeit Geringes Gewicht (Mobilität) Kein Memory- Effekt Sehr hoher Systemwirkungsgrad Betrieb über breiten Ladungsgrad problemlos möglich Eigensichere Zellen Jede Zelle wird vermessen Anordnung erfolgt in Abhängigkeit von festgestellten Parametern Integrating Renewables Into Storage Batteriemanagementsystem Eigenständiges Steuergerät, das die Überwachung und Sicherheit eines Batteriesystems gewährleistet! Integrating Renewables Into Storage IRIS Batteriemanagementsystem + + + Eigenentwicklung Ausgleich der Zellen durch ActiveBalancing Überwachung jeder einzelnen Zellspannung und jeder Zelltemperatur Frühzeitige Erkennung von drohenden Ausfällen Längere Lebensdauer Bei Über- oder Unterschreitung: System schaltet automatisch ab („Not- Aus“) Integrating Renewables Into Storage Herkömmliches BMS Spannung in den einzelnen Zellen ist immer unterschiedlich Unterschiedliche Ladungszustände beeinflussen den Speicher Ausgleich er Zellen erfolgt über „Verbrennen“ der Energie durch Widerstände Energie wird vernichtet und die Zellen bauen über die Jahre immer mehr ab! Integrating Renewables Into Storage IRIS BMS mit Active- Balancing Spannung in den einzelnen Zellen wird durch allerneuste Steuerungstechnik/ Mikroelektronik ausgeglichen Bei Ladungsunterschieden wird die Energie innerhalb des Speichers optimal umverteilt Das IRIS BMS ermöglicht eine längere und zuverlässigere Lebenszeit! Integrating Renewables Into Storage Integrierter Wechselrichter + + + Einer der stärksten Wechselrichter für diese Speichergröße auf dem Markt Spezielle Entwicklung für Energiespeicheranwendungen sehr hoher Wirkungsgrad „dual use“ für Nutzung und Teilnahme am Regelenergiemarkt Vielfältige Anschlussmöglichkeiten: Direkter PV-Eingang, Möglichkeit Windkraft anzuschließen BHKW, Stromgenerator, Wasserkraft, etc. Integrating Renewables Into Storage Technik Schnittstellen Industrie- BUS Ethernet Anschluss Display Integrating Renewables Into Storage Technik Aufbau Das Speichersystem ist so konzipiert, dass Erzeugungs- und Verbrauchsanlagen direkt integriert werden können Integrating Renewables Into Storage Technik Aufbau Leistung 30 kW je Modul Batteriespannung 210 V Batteriekapazität 41 kWh oder 59 kWh je Modul nutzbare Kapazität 30 kWh oder 41 kWh je Modul ... S 30/40 Energiespeicher 41 kWh + Wechselrichter 30 kW Energiespeicher 41 kWh Energiespeicher 41 kWh Integrating Renewables Into Storage Technik Steigerung der Energieeffizienz Beispiel: Laden des Speichers mit Strom aus einer PVAnlage mit heutigem Standardsystem Integrating Renewables Into Storage Technik Steigerung der Energieeffizienz Beispiel: Laden des Speichers mit Strom aus einer PVAnlage mit IRIS - Konzept Integrating Renewables Into Storage Technik Steigerung der Energieeffizienz: • Bei einem Wirkungsgrad von 98 % je Wandlungsstufe ergibt sich somit: 𝜂𝑃𝑉−𝐵𝑎𝑡𝑡 (𝑎𝑙𝑡) = 0,98 ∙ 0,98 ∙ 0,98 ∙ 0,98 = 0,92 𝜂𝑃𝑉−𝐵𝑎𝑡𝑡 (𝐼𝑅𝐼𝑆) = 0,98 • Bei einem Batteriespeicher mit 30 kWh und 600 Ladezyklen je Jahr ergibt sich eine Einsparung von 1200 kWh. • Bei Speicheranlagen mit 100 MWh und 600 Ladezyklen je Jahr ergibt sich eine Einsparung von ca. 4000 MWh. Integrating Renewables Into Storage Technik Modellierung der Energieeffizienz von Batterie und DC/DC Wandler: • Modellierung des Speichersystems (Batterie und DC/DC Wandler) • Durch Modellierung und den daraus resultierenden Erkenntnissen ist ein energieoptimaler Betrieb möglich • Lade- und Entladerate des stationären Speichers 1 C, dadurch Vermeidung hoher Temperaturen in der Batterie (Lebensdauer) Integrating Renewables Into Storage Technik Ri (Ω) Ubatt (V) Grundlage für die Modellierung sind die Batteriespannung und der Innenwiderstand als Funktion des Ladezustand: State of Charge (%) State of Charge (%) Integrating Renewables Into Storage Technik Modellbildung Batterie: Integrating Renewables Into Storage Technik Wirkungsgradkennfeld Batterie: Hier dargestellt ist ein berechnetes Wirkungsgradkennfeld beim Ladevorgang. Integrating Renewables Into Storage Technik Modellierung DC/DC Wandler: • Für die Modellierung des DC/DC Wandlers wurden nur die beiden Hauptverlustanteile, Durchlassverluste und Schaltverluste berücksichtigt. • Ansteuerverluste, Vorwärtssperrverluste der Halbleiter, sowie Verluste für die Kühlung wurden hier vernachlässigt. • Durchlassverluste als Funktion des Stroms • Schaltverluste als Funktion von Strom, Spannung und Taktfrequenz Integrating Renewables Into Storage Technik Wirkungsgradkennfeld des DC/DC Wandlers: Hier dargestellt ist ein berechnetes Wirkungsgradkennfeld eines des DC/DC Wandlers. Integrating Renewables Into Storage Technik Integrating Renewables Into Storage Fazit Lange Lebensdauer Höchstmaß an Sicherheit Teilnahme am Regelenergiemarkt Kompakte Größe Extrem leistungsstarkes System Höchstmaß an Kompatibilität und Flexibilität Modulares, schlüsselfertiges System Hohe Wirtschaftlichkeit Fernwartung möglich Integrierter Wechselrichter Vielfältige Anschlussmöglichkeiten Integrating Renewables Into Storage Fazit Größte Herausforderung der Energiewende ist die Speicherung Durch genaue Kenntnis der Effizienz auch im Teillastbetrieb kann ein optimaler Betrieb erreicht werden energetische Simulation Der Speicher kann gleichzeitig für mehrere Nutzungsmöglichkeiten eingesetzt werden Durch die parallele Nutzung können deutliche wirtschaftliche Vorteile und attraktive Renditen erzielt werden Lösung für Anlagen- und Betriebssicherheit sowie Energiekostensenkungen Integrating Renewables Into Storage Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Integrating Renewables Into Storage
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