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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 ulrich.potthoff@ivi.fraunhofer.de 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 ulrich.potthoff@ivi.fraunhofer.de

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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