VERSCHIEDEN BATTERIESPEICHERSYSTEME: WIRKUNGSGRADE UND KOSTEN
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05.07.2016 M. Ebel / M. Rothert
VERSCHIEDEN BATTERIESPEICHERSYSTEME: WIRKUNGSGRADE UND KOSTEN
SMA Solar Technology AG
AGENDA
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Lithium-Eisenphosphat-Batterien
Kopplungsart des Speichersystems
Hochvolt-Batteriespeichersyteme - Effizienz und Kosten 3
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LITHIUM-EISENPHOSPHAT-BATTERIEN
> Li-Eisenphosphat LFP (LiFePO4) ist eine Unterart der Li-Ionen Batterien
> Auf der positiven Elektrode (Kathode) wird statt dem sonst üblichen Kobaltoxid, Manganoxid oder Nickel Mangan Kobalt Lithiumeisenphosphat genutzt.
> Sauerstoff ist im Eisenphosphat deutlich fester gebunden als im Kobalt oder Mangan Oxid
> LFP wird derzeit z. B. angeboten von:
> Sony (Fronius, Kostal, Sonnen)
> BYD
> Hoppecke
> Tesvolt
> Vielen weiteren, vornehmlich chinesischen Herstellern!
Aufbau eine Li-Ionen Zelle Quelle : Wikipedia
" Achtung: Li-Eisenphosphat ist nicht eigensicher !!! 05.07.2016 3
VOR- UND NACHTEILE LI-EISENPHOSPHAT
" Samsung, LG, Panasonic setzen nicht auf LFP ➜ Synergie mit Autobranche " Sony, BYD setzen stark auf LFP ➜ BYD nutzt es auch im Automobil
Vorteile Nachteile
> Zelle ist thermisch stabiler > Geringere Schadensauswirkung im
Fehlerfall > Hohe Zyklenfestigkeit und kalendarisch
Lebensdauer > Mehr Zyklen, längere Lebensdauer,
geringer Zyklenkosten
> Sehr konstante Spannungslage > Bessere und einfachere Auslegung
Wechselrichter
> Höheres Gewicht und Volumen: > Wenig Synergien mit der
Automobilbranche > Geringere Zellspannung:
> Mehr Zellen überwachen
> Geringere Leistungsdichte: > Batterie muss größer ausgelegt werden
> Extrem flache Spannungskennlinie: > SOC Bestimmung ist schwierig
Unterschiede bis heute nicht erkennbar
> Kosten > Systemsicherheit > Langzeiterfahrung
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Lithium-Eisenphosphat-Batterien
Kopplungsart des Speichersystems
Hochvolt-Batteriespeichersyteme - Effizienz und Kosten 3
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KOPPLUNGSART DES SPEICHERSYSTEMS
> Immer DC/AC-Steller notwendig
> Bei Batteriespannung größer 360 V oder 620 V günstige einstufige Topologie möglich
> Vollständige Entkopplung vom PV-Wechselrichter
AC-Netz > Batteriespannung =
Zwischenkreisspannung (360 oder 620 V)
> Abstimmung auf Zwischenkreisregelung
> Entkopplung über DC/DC-Steller sinnvoll
> Stark abhängig vom PV-Wechselrichter
Zwischenkreis > Batteriespannung =
PV-Spannung (150 – 800 V je nach PV-Wechselrichter)
> MPP-Tracking darf nicht beeinflusst werden
> Entkopplung über DC/DC-Steller sinnvoll
> Bedingt unabhängig vom PV-Wechselrichter
PV-Seite
PV-Wechselrichter PV-Wechselrichter PV-Wechselrichter
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GÄNGIGE SYSTEMKONSTELLATIONEN FÜR SPEICHERSYSTEME - WANDLUNGSSTUFEN
620 V
120 - 600 V 150 - 450 V
360 V
100 - 500 V
230 V
SMA (SBS)
SMA (SBSE) SolarEdge
Fronius Kostal
AC-Kopplung /4 Wandlungsstufen
DC-Kopplung / 3 Wandlungsstufen
Solarwatt
100 - 250 V
150 - 500 V
DC-Kopplung - 3 Wandlungsstufen
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Lithium-Eisenphosphat-Batterien
Kopplungsart des Speichersystems
Hochvolt-Batteriespeichersyteme - Effizienz und Kosten 3
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VERFÜGBARE HOCHVOLT-SPEICHERSYSTEME – ANWENDUNGEN
" AC-gekoppelte Batteriewechselrichterlösungen bieten die höchste Flexibilität
Sunny Boy Storage
Fronius
SolarEdge
Sunny Boy Smart Energy
Kostal
Solarwatt
PV-Bestandsanlagen PV-Neuanlage
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EFFIZIENZ VON HOCHVOLT-SPEICHERLÖSUNGEN HÄUFIGKEITSVERTEILUNG ENTLADEBETRIEB
" Entladebetrieb findet zu 85 % unter 750 Watt Entladeleistung statt (Grundlastversorgung bei Nacht)
" Hohe Wirkungsgrade im unteren Leistungsbereich enorm wichtig
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25
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Ent
lade
betr
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Entadeleistung [kW]
Jahresverbrauch 3407 kWh
Jahresverbrauch 4097 kWh
Jahresverbrauch 4800 kWh
> Anteil der Leistungen an den Gesamtstunden des Entladebetriebs eines Jahreszyklus
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Quelle: Fronius
EFFIZIENZ VON HOCHVOLT-SPEICHERLÖSUNGEN BEI MODULAREN BATTERIEKAPAZITÄTEN
500 Watt
4 %
Modulare Batteriekapazitäten führen zu unterschiedlichen Batteriespannungen: > Unterschiedliche
Lade- /Entladeleistungen
> Unterschiedliche Leistungselektronikwirkungsgrade in unserem Beispiel zwischen 4-8 % (Round-trip)
2000 Watt
2 %
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74
76
78
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82
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98
250 500 1000 1250 1500 2500
Wirk
ungs
grad
in %
Entladeleistung in Watt
Sunny Boy Storage mit 6.4 kWh / 350-450 V Batteriespannung
Fronius Symo Hybrid 5.0-3-S mit 6.0 kWh / 200 - 290 V Batteriespannung
Quelle: Fronius, SMA
EFFIZIENZ VON HOCHVOLT-BATTERIEWECHSELRICHTERN
ca. 8 %
ca.13 %
" In der Entladung haben AC-gekoppelte Batteriewechselrichter eine deutliche höhere Effizienz als DC-gekoppelte Speichersysteme (Grundlastbetrieb bei Nacht)
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HYBRID-SPEICHERSYSTEME IN DER NACHRÜSTUNG
DC-Kopplung mit Hybridwechselrichter AC-Kopplung mit Batteriewechselrichter
> Ursprünglich entwickelt für den Einsatz von PV-Neuanlagen
> Schnellster Weg zur Lösung für PV-Wechselrichterhersteller (ein MPP-Steller wird überarbeitet)
> Leistungselektronik auf PV-Anlagenleistung ausgelegt
> Typischer trafoloser PV-Wechselrichter hat sein Wirkungsgradoptimum im oberen Leistungsdrittel
> Ungenutze Komponenten für den Anschluss von PV-Modulen integriert
> Entwickelt für die Versorgung von Verbrauchern
> Generell Batteriewechselrichterleistung Faktor 2-3 kleiner als von installierter PV-Wechselrichterleistung
> Wirkungsgradoptimum eher im unteren Leistungsbereich
> Alle Komponenten werden im vollem Umfang genutzt
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HÄUFIGKEITSVERTEILUNG DES VERBRAUCHS
" Der Verbrauch variiert in einem sehr großen Bereich von 1.000 bis 20.000 kWh " Median 5.500 kWh beim Sunny Island
0,0%
2,0%
4,0%
6,0%
8,0%
10,0%
12,0%
14,0%
16,0%
18,0%
20,0%
Sunny Island
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HÄUFIGKEITSVERTEILUNG DER PV-ANLAGENGRÖßE (FSS)
" Die Leistung der PV-Anlage variiert in einem sehr großen Bereich von 2 bis 30 kWp " Median 7,8 kWp bei Sunny Island
0,0%
2,0%
4,0%
6,0%
8,0%
10,0%
12,0%
14,0%
Sunny Island
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HYBRID-SPEICHERSYSTEME IN DER NACHRÜSTUNG
" AC-gekoppelte Systeme bieten die Möglichkeit die Batteriewechselrichterleistung auf den Verbrauch und nicht auf die PV-Systemgröße auszulegen
620 V
258 V
Bsp. : Kostal Piko 10 BA AC-Ausgangsleistung 10 kW mit 6 kWh Nennkapazität max. 3,1 kW (Nennspannung 258 V
ca.80 %
500 Watt (5 % der WR-Nennleistung) 500 Watt (20 % der WR-Nennleistung) SBS 2.5
Bsp. : Sunny Boy Storage AC-Ausgangsleistung 2,5 kW mit 6,4 kWh Nennkapazität max. 2,5 kW (Nennspannung 350-450 V)
350-450 V
ca.96,5 %
Quelle: Kostal
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VERFÜGBARE HOCHVOLT-SPEICHERSYSTEME – KOSTEN
Sunny Boy Storage DC-Koppl. DC-Koppl.
HV-Battery HV-Battery HV-Battery
SMA Competitor A Competitor B
PV-Neuanlage mit PV 5 kW AC Battery Battery Inverter Meter
PV-Inverter 5 kW DC/DC Optimizer
Sunny Boy Storage DC-Koppl. DC-Koppl.
HV-Battery HV-Battery HV-Battery
SMA Competitor A Competitor B
PV-Bestandsanlage Battery Battery Inverter Meter additional Inverter
" AC-gekoppelte Hochvoltbatteriewechselrichtersysteme müssen nicht teurer sein als DC-gekoppelte Systeme
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ZUSAMMENFASSUNG
" Hochvolt-Batteriewechselrichter ermöglichen eine hohe Effizienz (speziell im Teillastbetrieb), kleine Bauform und niedrige Investmentkosten
Leistungselektronik: 1) Herstellungskosten halbieren sich beim Hochvolt-Batteriewechselrichter im Vergleich zu
Niedervolt-Batteriewechselrichter.
2) AC gekoppelte Hochvolt-Speichersysteme sind von der Flexibilität, Effizienz und Kosten immer die beste Lösung.
Batterien: 1) Kleinere Zellen (18650) müssen nicht spez. teurer sein als Großformatige.
Produktionskosten bei Hochvolt-Batterien und Niedervoltbatterien sind nahezu identisch.
2) Hochvoltbatterien werden am Markt an Bedeutung gewinnen.
3) LFP hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen, es gibt aber auch gute Gründe für andere Elektrodenmaterialien.
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