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%

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40%

50%

60%

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25

Ant

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lade

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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

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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%

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6,0%

8,0%

10,0%

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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%

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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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