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Ist dieser Batteriezyklus es wert? Maximierung des Energiespeicherlebenszykluswerts mit erweiterten Steuerelementen
Sep 13, 2018

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Eine übliche und wünschenswerte Nutzung von Energiespeichern wird häufig als "peak shaving" bezeichnet, dh die Menge an Strom, die über eine bestimmte Grenze hinaus aus dem Netz bezogen wird. Dies wird typischerweise präziseren Diensten zugeordnet, wie z. B. der Angemessenheit der Ressourcen (z. B. Peaker-Plant-Substitution) oder Übertragungs- oder Verteilungsaufschub-Deferral (dh Alternativen ohne Kabel). Die Dimensionierung, Verfügbarkeit und Lage des Energiespeichers für diese Dienste ist kritisch, aber die erforderliche Abfertigung kann selten sein, wenn das Netz unter Spannung steht, um den erwünschten Vorteil zu erzielen, eine alternative große Kapitalinvestition zu verschieben oder zu vermeiden.

 

Andere Dienstleistungen, wie beispielsweise spinnende und nicht drehende Reserven, können auch bei Energiespeicherung mit sehr niedrigen Betriebskosten wünschenswert sein, da sie im Wesentlichen Energiespeicher benötigen, um als eine Reserve ohne Abfertigung zu dienen. Der Energiespeicher kann diese Dienste möglicherweise auch während des Ladevorgangs anbieten, indem er sich verpflichtet, den Ladevorgang bei Bedarf zu beenden.

 

Die Frequenzregulierung, der unmittelbare Ausgleich von Netzangebot und -nachfrage, ist differenzierter. Auf der einen Seite kann Batteriespeicher seinen Versand fast augenblicklich ändern, um Ungleichgewichte im Netz auszugleichen, im Gegensatz zu herkömmlichen Generatoren, die eine beträchtliche Trägheit aufweisen. Die mit der Frequenzregelung verbundenen kontinuierlichen Lade- / Entladezyklen belasten jedoch die am häufigsten eingesetzte Batterietechnologie Lithium-Ionen. Während die Teilnahme an den Frequenzregulierungsmärkten zunächst lukrativ sein kann, sollte dies gegen Kapazitätsverlust, Effizienz und vorzeitige Ersetzung von Batteriemodulen in diesen Projekten abgewogen werden.

 

Die Energie-Zeitverschiebung, manchmal Arbitrage genannt, ist ein weiterer nuancierter Dienst. Während das Kaufen (oder Aufladen) von Energie zu niedrigen Preisen und das Verkaufen (oder Entladen) zu hohen Preisen eine gute Idee zu sein scheint, muss die Preisstreuung die Effizienzverluste des Roundtrip und die Degradierung einer möglichen Tiefentladung der Batterie überwinden.

 

Die Bewertung von Energiespeicherprojekten kann eine komplizierte und standortspezifische Angelegenheit sein. Aufgrund der begrenzten Energie in einer Energiespeichervorrichtung ist das Modellieren des Ladezustands über die Zeit wesentlich, um zu verstehen, welche Dienste zu einem realisierbaren Geschäftsfall zusammen gestapelt werden können. Um diese Art der Modellierung und Simulation zu unterstützen, entwickelte und veröffentlichte das EPRI mit Unterstützung einer kalifornischen Energie-Kommission das öffentlich verfügbare Storage Value Estimation Tool

 

Branchenansätze zur Bewältigung der Verschlechterung der Batteriespeicherung

 

Die Verschlechterung der Batteriespeicherung manifestiert sich typischerweise in einem Verlust der Energieerhaltungskapazität, einer Verringerung der Leistungslieferfähigkeit und -effizienz und schließlich des Ersetzens von Batterien. Abhängig von dem Zustand eines Batteriesystems kann der Austausch nur die Änderung von wenigen abgenutzten Modulen oder einen vollständigen Austausch bedeuten.

 

Anbieter von Batteriespeichern bieten manchmal Lebenszeitgarantien unter angenommenen Betriebsbedingungen oder einem vermuteten Serviceversand. Zum Beispiel können sie eine 10-jährige Lebensdauer garantieren, wenn das Batteriesystem nur einmal pro Tag in voller Tiefe getaktet wird. Dies kann in Fällen, in denen sich das Energiespeichersystem im Laufe der Zeit ändert, begrenzt sein, wenn sich der Bedarf der Anlage ändert, was während eines 10-20-jährigen Projektlebens wahrscheinlich ist. Andere Entwickler liefern differenziertere Informationen, die "äquivalente Zyklen" bewerten können, denen das Batteriesystem unterzogen werden kann, bevor es ersetzt werden muss.

 

Ein Degradationsmanagement-Ansatz, der von der Industrie angewendet wird, besteht darin, die physikalische Kapazität des Systems zu überdimensionieren, während die Nennkapazität konstant gehalten wird. Dieser Ansatz ermöglicht es Batteriesystemen, die Erwartungen des Kunden über einen längeren Zeitraum zu erfüllen, indem die Verschlechterung verborgen bleibt. Als Nachteil erhöht dieser Ansatz die Vorlaufkosten der Ausrüstung. Andere Ansätze können das Hinzufügen von Batteriespeicherkapazität über die Zeit umfassen, wenn sich das System verschlechtert, was zusätzliche Flexibilität bieten kann, um den Projektbedarf über die Zeit zu beurteilen, während zukünftige angenommene Kostensenkungen in der Zukunft genutzt werden.


Faktoren, die die Verschlechterung der Batteriespeicherung beeinflussen


Lithium-Ionen-Batterien repräsentieren die große Mehrheit der aktuellen Energiespeichereinsätze. Zwischen 2013 und 2018 stellt es 94% der eingesetzten Kapazität der Batteriespeicherung in den USA dar [1]. Es sollte angemerkt werden, dass andere Speichertechnologien hier nicht behandelt werden, die unterschiedliche Verschlechterungstreiber aufweisen können. Darüber hinaus sind Lithium-Ionen-Batterien eine vielseitige Klasse mit einer Reihe von verschiedenen chemischen Zusammensetzungen und Formaten; Dieser Abschnitt zielt darauf ab, indikative Beschreibungen zu geben und versucht nicht, all diese Nuancen zu untersuchen.

 

Der Abbau von Lithium-Ionen-Batterien wird durch mehrere Variablen beeinflusst. Bekannte Verschlechterungsfaktoren umfassen: Betriebstemperatur, durchschnittlicher Ladezustand über seine Lebensdauer und Tiefe der Lade-Entlade-Zyklen. Ein fundiertes Degradationsmanagement ist für die wirtschaftliche Planung und den Betrieb von Energiespeicherprojekten sowie für Garantien oder Leistungsgarantien, die von den Ausrüstungslieferanten bereitgestellt werden können, entscheidend.

 

Der erste Treiber der Verschlechterung des Batteriespeichers bezieht sich auf die Zeit bei einem durchschnittlichen Ladezustand, der vom zyklischen Betrieb getrennt ist. Empirische Daten zeigen, dass Lithium-Ionen-Batterien im Ruhezustand in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Ladungszustand, in dem sie gespeichert sind, ihre Energiespeicherkapazität verlieren [2].

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Abbildung 2. Kapazitätsverschlechterung von Lithium-Ionen-Batterien für verschiedene Kombinationen von durchschnittlichem Ladezustand und Temperatur. Zum Beispiel zeigt das grüne Diagramm die Verschlechterung einer Batterie, die bei 65% Ladezustand und 60 ° C arbeitet

 

Fig. 2 zeigt, dass die Energieerhaltungskapazität bei erhöhten Temperaturen schneller abnimmt, wenn der Ladezustand höher ist. Die Berücksichtigung dieser Verschlechterungstreiber ist vorteilhaft für die Vorhersage der Alterung während des Planungsprozesses. Im Betrieb können Lithium-Ionen-Batteriespeichersysteme die Lebensdauer durch ein effektives Wärmemanagement und durch die Vermeidung langer Dauern bei hohem Ladezustand verlängern. Dies muss jedoch gegen die potentiellen Effizienzeffekte des aktiven Wärmemanagements abgewogen werden, ebenso wie das Potenzial für Energiespeicher, die für unerwarteten Versand benötigt werden. Für die Steuerung dieser Kompromisse sind besonders Bedarfsprognosen und Strategien zur Steuerung der Energiespeicherung wichtig.

 

Der Lade- und Entladezyklus des Lithium-Ionen-Batteriespeichers ist eine weitere wichtige Quelle der Degradation. Tiefere Zyklen beeinflussen die Verschlechterung der Lithium-Ionen-Batterie stärker als die der flachen.

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Abbildung 3. Auswirkungen der Kapazitätsretention auf die Zyklustiefe der Entladung

Abbildung 3 veranschaulicht diese Beziehung. Außerdem haben einige Batterien die Eigenschaft, den Abbau im späteren Leben zu beschleunigen, wie die "Knie" -Form in Abbildung 3 zeigt.

 

Das Verständnis und die Modellierung der Beziehung zwischen Betrieb und Degradation ermöglicht eine optimierte Planung von Energiespeicherprojekten, indem die Genauigkeit der Vorhersage von Erfolg oder Misserfolg verbessert wird. Es verbessert auch den Betrieb, indem es die Entwicklung von Dispatch-Strategien ermöglicht, die die Kosten der zyklischen Degradation berücksichtigen.

 

Modellierung der Degradation in der Energiespeicher-Projektökonomie

 

EPRIs StorageVET® kann verwendet werden, um zu verstehen, wie ein Energiespeicherprojekt entworfen und versandt werden kann, um den Wert des Projektlebenszyklus zu maximieren. Das Tool verwendet eine optimierungsbasierte Modellierung, um den Betrieb - Dispatch und Kapazitätsreservierung - des Speichersystems zu simulieren, das einen oder mehrere Grid-Dienste anbietet, während Aspekte wie Verschlechterung und Grid-Service-Kompatibilität im Auge behalten werden. Sie kann unterschiedliche relative Werte der Netzziele in Bezug auf Lade- / Entladeaktivitäten darstellen, um zu ermitteln, wie aggressivere Tätigkeiten zu höheren Einnahmen führen können, aber auch zu höheren Ersetzungskosten, was letztlich dazu beiträgt, den effektivsten Kompromiss zu finden [3].

 

Ein einfaches Beispiel, um den Kompromiss zwischen dem Wert der Operation und den Kosten der Degradation zu verstehen, wird bereitgestellt. Wir modellieren ein Batteriesystem, das eine Energie-Zeit-Verschiebung durchführt (Arbitrage). Die folgende Nettogegenwartswerttabelle entspricht dem System, wenn sie zwei Zyklen mit voller Ladung / Entladung jeden Tag für 10 Jahre durchführt, während der profitabelsten Zeiten eines jeden Tages. Am Ende des sechsten Jahres erfordert es einen Ersatz.

 

Das gleiche Projekt wird erneut modelliert, wobei dieses Mal jedoch nur ein Zyklus mit voller Ladung / Entladung pro Tag durchgeführt wird, während der profitabelsten Stunden. Dieses Szenario führte zu geringeren Einnahmen aufgrund der Energie-Zeitverschiebung. Dies wird jedoch durch die geringeren Kosten, die durch die Vermeidung eines Batteriewechsels während der zehnjährigen Projektlaufzeit entstehen, aufgewogen.

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Abbildung 4. Cashflow von zwei Projekten. Blau dargestellt folgt einer aggressiveren Strategie, die die Verschlechterung ignoriert, aber mehr Einnahmen erzielt. Orange verfolgt eine konservativere Strategie, die zu weniger Degradation führt.

 

Mit einem Tool wie StorageVET® oder einer ähnlichen Optimierungssoftware kann der Benutzer verschiedene "Penalty-Funktionen" für den Energiespeicherzyklus testen, wobei er im Wesentlichen die Optimierung so steuert, dass größere Mindestpreisspreads für das Energiespeichersystem erforderlich sind. Da sich die Auswirkungen der Degradation in der Zukunft häufig zeigen, ist es wichtig, dass Systembetreiber diese allgemeinen Kompromisse frühzeitig in Projekten erkennen.

 

Reale Energie-Speicher-Projekt-Zuverlässigkeit


Batteriespeicherprojekte sind im kommerziellen Sinn noch relativ jung. Daher lernt die Branche immer noch über die tatsächlichen Quellen von Degradation und Ausfallzeiten für integrierte Systeme.

Diese Systeme sind komplex mit vielen Subsystemen, in denen viele Sensoren, Kommunikationskanäle, Leistungselektronik, thermische Systeme und Computersysteme zusammenarbeiten, um Leistungsanforderungen zu erfüllen. Daher können eine unzureichend stabile Integration oder unerwartete Ereignisse zu Fehlern an verschiedenen Punkten im System führen.

 

EPRI und andere Einrichtungen, wie die US National Labs, arbeiten an der Entwicklung gemeinsamer Tests und Messungen sowohl von laborgeprüften als auch von kommerziell betriebenen Systemen. Eine Gruppe von EPRI-Mitgliedsunternehmen arbeitet derzeit an einer mehrjährigen Anstrengung, um eine gemeinsame Datenbank mit Aufzeichnungen über Energiespeicherleistungen aufzubauen und mehr über die beobachteten Ausfall- und Leistungsquellen in realen Energiespeicherprojekten zu erfahren. Der Aufbau einer Zuverlässigkeitsspur für Energiespeicherprojekte ist entscheidend für die Unterstützung kosteneffizienter Investitionen in Energiespeicher, die die Zuverlässigkeit und Erschwinglichkeit von Elektrizität für alle Mitglieder der Gesellschaft unterstützen.