2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Energiespeicher für stationäre und mobile Anwendungen Prof. Dr. Mirko Bodach University of Applied Sciences Zwickau, Fakultät Elektrotechnik [email protected] +49 375 536 1454 1 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Gliederung 1. Motivation 2. Energiespeichertechnologien - Vergleich verfügbarer Speichersysteme - Lebensdauer - Qualität - Sicherheit Stationäre Speicher - Haushaltsenergiespeicher - Netzenergiespeicher 3. 4. Zusammenfassung 2 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Einleitung 3 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Motivation 4 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen 5 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Elektrischer Energiebedarf Welt: Derzeitiger Elektroenergiebedarf pro Jahr ca. 20.181 TWh (72,7 EJ) ca. 14 % Nuklear 41 % Kohle 5 % Öl 21 % Gas 9 % Rest Deutschland: Derzeitiger Elektroenergiebedarf pro Jahr ca. 600 TWh ca. 28 % Nuklear (jetzt 16%) 26 % Braunkohle (jetzt 25%) 18 % Steinkohle (jetzt 18%) 11 % Gas (jetzt 12%) 17 % Rest (jetzt 29 %) [2014 Statista] 6 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Sicherheit I: Blackout in Italien 28.09.2003 4:00 Uhr 27.03.2015 7 7 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Elektrischer Energiebedarf in Deutschland für E-Mobility ca. 42 Mio. PKW derzeit mit ca. 11.600km / a 2020 Ziel der Bundesregierung: 1 Million E-Fahrzeuge Annahme: 20kWh pro 100 km (incl. eta) 11,6 Mrd km elektrisch 2,32 TWh / a zusätzlich 2.320 kWh /a PKW 10 Mio. E-Fahrzeuge: 23,2 TWh zusätzlich 40 Mio. E-Fahrzeuge: 92,8 TWh zusätzlich Rein energetische Bilanz ohne zeitlichen Bezug! Ladezeit 1h Ladezeit 4h Wunsch: Ladezeit 5min 20kWh Leistung 20 kW Leistung 5 kW Leistung 240 kW Kleiner Ortsnetztrafo im 10kV-Mittelspannungsnetz für 1 PKW ! Schnellladung ist durch Akku und Ladeelektronik begrenzt! 9 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen 380/110 kV 380/220 kV 27.03.2015 220/110 kV 110/10(20) kV 10(20)/0.4 kV 11 11 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen P [ kW] Fluktuationen der Leistung aus PV 2 1,6 1,2 0,8 0,4 0 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 Zeit Exemplarischer Verlauf der eingespeisten Leistung an einer 2kWpSolaranlage im August 2005 im mitteldeutschen Raum 12 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Fluktuation der Windleistung Wochengang Windpark Wochengang Windpark 3,50E+06 3,50E+06 3,00E+06 3,00E+06 3,00E+06 3,00E+06 2,50E+06 2,50E+06 2,50E+06 2,50E+06 Blindleistung [var] Blindleistung [var] Wirkleistung [Watt] Wirkleistung [Watt] 3,50E+06 3,50E+06 2,00E+06 2,00E+06 2,00E+06 2,00E+06 1,50E+06 1,50E+06 1,50E+06 1,50E+06 1,00E+06 1,00E+06 1,00E+06 1,00E+06 5,00E+05 5,00E+05 5,00E+05 5,00E+05 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 -5,00E+05 -5,00E+05 -5,00E+05 -5,00E+05 05.05.1997 06.05.1997 07.05.1997 08.05.1997 09.05.1997 10.05.1997 11.05.1997 12.05.1997 13.05.1997 05.05.1997 06.05.1997 07.05.1997 08.05.1997 09.05.1997 10.05.1997 11.05.1997 12.05.1997 13.05.1997 Datum Datum 13 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Herausforderungen bei der Netzintegration von REQ und Elektrostraßenfahrzeugen mit Energiespeichern Energiespeichersystem Energieversorgungsnetz Energie- und Leistungsdichte Kalendarische und zyklische Lebensdauer Ladeakzeptanz bei niedrigen Temperaturen Schnellladefähigkeit Weite Temperaturbereiche Sicherheit Zwingende Voraussetzung Hohe Ladeströme für Schnellladung (BAB) Gleichzeitigkeitsfaktor nahezu 1 Frequenz- und Spannungshaltung Überlastfähigkeit der Komponenten des Energieversorgungsnetzes Power Quality Leistungsfähige, zuverlässige, sichere und langlebige Energiespeichersysteme und hinreichend dimensionierte und stabile Energieversorgungsnetze! 14 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Energiespeichertechnologien 15 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Vergleich verfügbarer Speichersysteme Metall-Luft Schwungrad (E) Stunden tEntlade bei PNenn Pumpspeicher Flow-Batterien NaS CAES DSK (E) Blei-Säure Ni-Cd Energiemanagement LiIon Sekunden Minuten Andere Batterien 1 kW Überbrückungsleistung Schwungrad (P) Energiequalität und Unterbrechungsfreie Stromversorgungen DSK (P) 10 kW 100 kW SMES 1 MW 10 MW 100 MW 1 GW PNenn 16 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen CAES (Compressed Air Energy Storage) Adiabate CAES: Wirkungsgrad bis 70% 17 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Pumpspeicherkraftwerke Wirkungsgrad bis 80% Neubau solcher Kraftwerke – Unwahrscheinlich (keine Genehmigung) Bsp. Goldisthal 18 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Schematischer Aufbau Superkondensator Aluminium-Stromableiter + Elektrode Aktivierter Kohlenstoff Elektrolyt Separator + Elektrode Aluminium-Stromableiter Quelle: EPCOS C A d 19 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Schematischer Aufbau LiIon-Akku 20 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Vergleich zu Lithiumsystem - Supercap Fahrzyklus Hybrid-Kleinwagen Testzyklus (abgeleitet aus Kleinwagenfahrzyklus) [Bodach / Hiller_ETG] 21 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Zyklisierung nach Hybridzyklus; N = 50 Lithium-Akku Nesscap [Bodach / Hiller_ETG] 22 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Duale Energiespeicher Lastprofil / Fahrprofil Akkumulator Ergebnis Dualer Energiespeicher - Höhere Reichweite durch effektive Nutzung der Rekuperationsenergie (hier ca. 20% bei +40kg EDLC) Lebensdauererhöhung des Akkumulators Superkondensator 23 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Herausforderungen an ein modernes Energiespeichersystem Energieeffizient (Lade- und Entladewirkungsgrad) Lange Lebensdauer (kalendarisch und zyklisch) Preiswert Skalierbar Meist vergessen: Sicherheit! 24 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Lebensdauer 25 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Motivation NESSCAP: 10 Years/ 1 Mio. Cycles@ 25°C (cylindrical) 10 Years / 500.000 Cycles @ 25°C (prismatic) Nippon Chemi-Con: 2000h @ 60°C Maxwell: 1500h @ 65°C 10 Years @ 25°C over 1 Mio. Cycles LS-Cable: 10 Years / 500.000 Cycles Nichicon: 10 Years / 500.000 to 1 Mio. Cycles @25°C Wima: 10 Years / 500.000 Cycles Samwha: 1000h @ 60°C 26 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Temperaturverteilung 29 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Qualität 32 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen - OEM I - OEM II Identische Datenblattangaben Identische Testbedingungen Unterschiedliche Hersteller 33 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Sicherheit 35 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Beispiel: Zerstörende Tests an Supercaps (incl. chem. Analyse) OEM I bis III [DA Kurth ETG] [Hiller, Veit, Bodach ETG] 37 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Stationäre Speicher 38 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Leistungspreisreduktion [Quelle: Zwanziger, P.: „Energieeffiziente Antriebslösungen steigern die Produktivität“, METAV Düsseldorf, 2008] 42 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Leistungsprofil 200t- Servopresse [Quelle: Zwanziger, P.: „Energieeffiziente Antriebslösungen steigern die Produktivität“, METAV Düsseldorf, 2008] 43 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Testsystem „Haushaltsenergiespeicher“ Unterbrechungsfreie Stromversorgung im Haushalt (USV) Energiemanagement der Haushaltsverbraucher Einzellaststeuerung über das Energieversorgungsunternehmen Höchstleistungsbegrenzung (Load Leveling/Peak Shaving) Energiehandel mit Kauf und Verkauf Filter, Blindleistungsbereitstellung für das öffentliche Netz Erprobung des Speichers im Labormaßstab Abb.: Foto des Baugruppenträgers Abb.: Web-Visualisierung Zur Systemnutzung im Mehrfamilienhaus 45 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Energiemanagement mit zeitlich gestaffeltem Tarif Eigener Tarif in der Zukunft mit drei Tarifstufen: NT-Zeit : 23:00 bis 04:15 Uhr MT-Zeit: 04:15 bis 11:00 Uhr HT-Zeit : 11:00 bis 14:15 Uhr MT-Zeit: 14:15 bis 17:00 Uhr HT-Zeit : 17:00 bis 19:30 Uhr MT-Zeit: 19:30 bis 23:00 Uhr Ergebnis für Speicher an der WHZ: Kooperationsprojekt: Berechnungen aus den Gesamtkosten des Systems und einer Anlagennutzungsdauer von 25 Jahren ergeben, dass bei einem Preisunterschied von ca. 20 ct/kWh unsere Anlage kostendeckend arbeiten kann. Energiespeichersystem für BHKW Vortrag Dr. Neubert 15:00 Uhr FORUM enertec dezentral 46 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Modularer Aufbau erlaubt Einbindung verschiedener Energiespeichersysteme Bisher erfolgreich eingebundene Systeme Typ Blei-Säure OPZS und OPZV LiFePO4 Redox-Flow Zyklen 3000 bei 50%DoD 5000 bei 70%DoD Untersuchung läuft 20,1 kWh 14,4 kWh 130 kWh 48 V 51,2 V 48 V 450 A 600 A (2C) 1,2 kA (30 Sek. = 4C) > 1kA 20 A/100 Ah 300 A (1C) k.A. Energieinhalt Spannung Max. Entladestrom Ladestrom 47 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Hardware Umschaltzeit – USV Funktion t ≤ 3 ms 49 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Herausvorderung für zukünftige Energieversorgung: Ladeleistung von EV und HEV MS - Netz Ortsnetztransformator • Einbinden zukünftiger EV und HEV • Resultierende Netzrückwirkungen (z.B. Aufladung bei Nacht alle!!!) • Netzausbau erforderlich ? Gleichzeitigkeitsfaktor? [Becker/Bodach ETG09] 50 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Simulation [Becker/Bodach ETG09] 51 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Von der Zelle zum stationären Speicher Zelle 56 kWh Batterieeinheiten 560 kWh ; 1,1 MW (730-770 Ah) 20 Fuß Container nach [Saft] (Professur ist Mitglied im DKE Normungskeis für solche stat. Lithiumspeicher) 52 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Stationäre Energiespeicher 20 Fuß-Container der Firma Saft [Holger Schuh SAFT] Siestorage [SIEMENS] Energieinhalt: 2 MWh und Leistungen von 8 MW 53 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Energiespeichersysteme sind die zwingende Voraussetzung, um fluktuierende, erneuerbare Energiequellen an einen abweichend - fluktuierenden (mobilen) Energieverbrauch anzupassen… …hierzu ist noch intensive Forschungsarbeit zu leisten! Sinnvolle Marktlösungen benötigen derzeit noch einen gesetzlichen Rahmen!!! 54 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Unsere neueste Lösung in Zwickau… 27.03.2015 55 55 2. Symposium Energiespeicher, 19. März 2015, Bautzen Vielen Dank für Ihr Interesse ! Prof. Dr. Mirko Bodach University of Applied Sciences Zwickau, Fakultät Elektrotechnik [email protected] +49 375 536 1454 56
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