Sol-ion PV-Batteriesystem, 2010 - ISEA RWTH Aachen

Sol-ion
Forschung
Research
Sol-ion PV-Batteriesystem
Sol-ion
Sol-ion PV-Battery System
Die staatliche Förderung zur Netzeinspeisung von Sonnenenergie motivierte in den letzten Jahren zahlreiche Privatpersonen, Photovoltaik (PV) - Anlagen im Leistungsbereich
5 kW auf ihren Eigenheimen zu installieren. Getrieben durch
die aktuelle Fassung des Erneuerbare Energien Gesetzes (EEG),
in der der lokale Eigenverbrauch gegenüber der Direkteinspeisung finanziell begünstigt wird, wird der Einsatz eines
Batteriespeichers zu einer interessanten Option.
The governmental aid for photovoltaic (PV) energy injected to
the low voltage grid motivated numerous private individuals
to install a 5 kW PV generator on the roof of their homes.
Driven by the recent version of the German Renewable Energy Sources Act (EEG), which economically favors local self
consumption over direct feed-in, the application of a battery
storage becomes an interesting option.
Mit ihrem Entwurf des EEG vom Januar 2009 schaffte die Bundesregierung erstmalig einen finanziellen Anreiz zum Eigenverbrauch am Ort der Erzeugung. Durch die letzte Änderung
des Gesetzes vom August 2010 wurde dieser Anreiz weiter
ausgebaut. Das europäische Verbundprojekt Sol-ion greift die
Chance aus diesem Gesetz auf, indem es eine Lithium-Ionen
(Li-Ion) Batterie in ein PV-Umrichtersystem integriert, um eine
zeitliche Entkopplung der Gewinnung und der Einspeisung von
Sonnenenergie zu ermöglichen und damit den Anteil lokal verbrauchter Energie zu erhöhen. Zur Verifikation des Konzepts
werden insgesamt 75 Prototypensysteme in Deutschland und
Frankreich (Festland und Überseesysteme) installiert werden.
With its draft of the EEG from January 2009, the German government for the first time incentivized the self consumption at
the site of generation. With the latest change of the EEG this
incentive was further enforced. The European joint research
project Sol-ion seizes the chance given by this law by integrating a lithium-ion (li-ion) battery into a PV converter system enabling temporal decoupling of the generation and
injection and thereby for an increase of locally consumed energy. In order to verify the concept, 75 prototype systems will
be installed in Germany and France (mainland and overseas
departments).
Together with the German and
French companies voltwerk, Saft,
Gemeinsam mit den deutschen
Tenesol and E.ON and the reund französischen Unternehmen
search institutes Fraunhofer IWES
voltwerk, Saft, Tenesol und E.ON
(Kassel), INES (France) and ZSW
sowie den Forschungsinstituten
(Ulm/Stuttgart), ISEA works on
Fraunhofer IWES (Kassel), INES
the development of a system that
(Frankreich) und ZSW (Ulm/Stuttwill be able to store energy from
gart) arbeitet das ISEA derzeit an
the sun into a powerful li-ion bateinem System, mit dem Sonnentery and feed it to the household
energie in einer leistungsfähigen
on demand. The handling of this
Grundlegende Systemtopologie mit Li-Ion Batterie
Li-Ion Batterie gespeichert und bei Basic Topology of the System with Li-Ion Battery
project is interdisciplinary, beBedarf an den Haushalt abgegeben
cause on the one hand there are
werden kann. Die Bearbeitung dieses Projekts erfolgt interdishigh demands to the battery, in particular because of the long
ziplinär. Einerseits werden, insbesondere durch die lange Syssystem lifetime of 20 years, and on the other hand a sophistitemlebensdauer von 20 Jahren, hohe Anforderungen an die
cated system of power electronics is required in order to conBatterie gestellt, andererseits ist aber auch ein ausgeklügeltes
trol all energy flows. ISEA is involved in both areas of
leistungselektronisches System zur Steuerung der Energiecompetence with its work groups Power Electronics as well as
Electrochemical Energy Conversion and Storage Systems.
flüsse erforderlich. Das ISEA ist mit den Arbeitsgruppen Leistungselektronik sowie Elektrochemische Energiewandlung und
Within the power electronics group, together with the
Speichersystemtechnik auf beiden Kompetenzfeldern vertrevoltwerk electronics GmbH, the battery converter was develten.
oped that connects the li-ion battery to the dc link and
charges or discharges it according to the operation parameIn der Arbeitsgruppe Leistungselektronik wurde zusammen mit
ters. During the past year, the implementation of this battery
der Voltwerk Electronics GmbH der Batterieumrichter entwiconverter, including the developed control algorithms, has
ckelt, der die Li-Ion-Batterie mit dem DC-Zwischenkreis verbeen finalized. In line with the prototype assembly that started
bindet und diese abhängig von den Betriebsparametern lädt
late summer, the converter was integrated into the full sysund entlädt. Im vergangenen Jahr konnte die Inbetriebnahme
tem. The battery converter successfully proved its function
dieses Batterieumrichters inklusive der entwickelten und imduring the implementation on system level.
plementierten Regelalgorithmen abgeschlossen werden. Im
Rahmen der Prototypenfertigung, die im Spätsommer gestarIn the field of battery technology, the main challenges are retet wurde, ist die Integration des Umrichters in das Gesamtsulting from battery aging due to the long system lifetime. The
system erfolgt. Bei der Inbetriebnahme auf Systemebene
work group Electrochemical Energy Conversion and Storage
konnte der Batterieumrichter seine Funktion erfolgreich unter
Systems is therefore conducting intensive laboratory tests,
Beweis stellen.
where the batteries undergo defined load scenarios. Additionally, the battery capacity of the prototype systems is measIm Bereich der Batterie stellen sich aufgrund der langen Sys-
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Sol-ion
Darüber hinaus werden auch regelmäßige Vermessungen der
Batteriekapazität in den Prototypensystemen durchgeführt
werden. Hierzu sind im vergangenen Jahr die
Vorbereitungen abgeschlossen worden. Die Vermessung der Initialkapazität erfolgt im Rahmen
der Inbetriebnahme der Systeme Anfang 2011.
Ziel der Messungen im Feld ist es zu überprüfen,
ob die aus den Laborversuchen abgeleiteten
Modelle auch unter realen Betriebsbedingungen Gültigkeit besitzen. Eine zentrale Frage ist
hierbei, inwiefern sich die Alterungseinflüsse,
die sich unter den definierten Belastungen im
Labor ergeben, für die Simulation von Lebensdauerzyklen überlagern lassen. Während die
Batterien beispielsweise im Labor mit Zyklen
immer konstanter Zyklentiefe beaufschlagt
werden, ergeben sich auf der anderen Seite in
der Anwendung Belastungsprofile mit überlagerten Zyklentiefen. Die Prototypenphase beinAdditional information on the project can be Integriertes Konzept des Sol-ion-Systems haltet daher auch eine umfassende
found on the homepage: www.sol-ion-project.eu Integrated concept of the Sol-ion system Messdatenaufzeichnung. Mit Hilfe der gesammelten Daten können die Modelle später unter
Betriebsbedingungen simuliert werden, für die reale Messwerte zur Verifikation vorliegen. Auf dieser Basis kann das MoVeröffentlichungen Publications
dellverhalten analysiert und optimiert werden. Mit Hilfe
D. Magnor, N. Soltau, M. Bragard, A. Schmiegel, R. W. De
präziser Modelle lassen sich später Aussagen über die BatteDoncker, D. U. Sauer; “Analysis of the Model Dynamics for the
Battery and Battery Converter in a Grid-connected 5 kW
riealterung für beliebige Anlagenkonfigurationen und BePhotovoltaic System”,
triebsstrategien vorhersagen, was eine Optimierung des
25th European Photovoltaic Solar Energy Conference and
Systemdesigns ermöglicht.
Exhibition, EU PVSEC, September 2010, Valencia, Spain
M. Bragard, N. Soltau, A. Schmiegel, R. W. De Doncker; “Design
and Implementation of a 5 kW Photovoltaic System with Li-Ion
Battery and Additional DC/DC-Converter“, IEEE Energy
Conversion Congress and Exposition, ECCE, September 2010,
Atlanta, Georgia
Weitere Informationen zum Projekt finden Sie auf der Internetseite: www.sol-ion-project.eu
K. Büdenbender, M. Braun, U. Thomas, A. Schmiegel, D. Magnor, J.C. Marcel; “Improving PV-Integration into the Distribution Grid - Contribution of Multifunctional PV-Battery Systems
to Stbilised System Operation“, 25th European Photovoltaic
Solar Energy Conference and Exhibition, EU PVSEC, September
2010, Valencia, Spain
A. Schmiegel, K. Koch, A. Meissner, P. Knaup, C. Jehoulet, H.
Schuh, M. Landau, M. Braun, K. Büdenbender, R. Geipel,
C. Vachette, D. U. Sauer, D. Magnor, J.C. Marcel; “The Sol-ion
System, an Integrated PV-System with Lithium-Ion Batteries
- System Performance –“
M. Braun, K. Büdenbender, D. U. Sauer, D. Magnor, A. Schmiegel; “Charakterisierung von netzgekoppelten PV-Batterie-Systemen - Verfahren zur vereinfachten Bestimmung der
Performance“, 25. Symposium Photovoltaische Solarenergie,
März 2010, Bad Staffelstein
A. Schmiegel, K. Koch, M. Dittmer, M. Braun, M. Landau, C.
Dick, M. Bragard, et al.; ”Das Sol-ion System - Ein System zur
Optimierung des Eigenverbrauchs von PV-Strom“, 25. Symposium Photovoltaische Solarenergie, März 2010, Bad Staffelstein
A. Schmiegel, P. Knaup, A. Meissner, C. Jehoulet, H. Schuh, M.
Landau, M. Braun, K. Büdenbender, D.U. Sauer, D. Magnor, H. D.
Mohring; “The Sol-ion System: A Stationary PV Battery System”, 5th International Renewable Energy Storage Conference, IRES, November 2010, Berlin
Dieses Projekt ist im Rahmen des Eurogia+ Clusters zertifiziert
und wird auf deutscher Seite gefördert durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU)
sowie auf französischer Seite durch das Ministère de l’Économie
des Finances et de l’Emploi (DGCIS).
This project is labelled by the Eurogia+ cluster and promoted by
the German Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety and the French Ministère de l’Économie des Finances et de l’Emploi (DGCIS).
Kontakt Contact
Dirk Magnor, [email protected]
Tel.: +49 241 80-96981
Michael Bragard, [email protected]
Tel.: +49 241 80-96939
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Research
Goal of those measurements is to prove if the models, derived
from the laboratory measurements, are valid under real operation conditions. The central issue is to check to what extent
the aging impact of the defined load profiles under laboratory
conditions can be superimposed in order to simulate full system life cycles. Contrary to the laboratory conditions, where cycles of constant
depth are applied to the batteries, the load conditions in the real world application are superimposed cycles with varying cycle depths. Therefore,
the prototype phase also includes a comprehensive data acquisition. The obtained data allows
running the models under operation conditions
for which real measurement data is available for
validating them. Based on this, the model behavior can be analyzed and optimized. Having precise models, it will be possible to predict battery
aging for arbitrary system configurations and operation strategies, allowing to optimize the system design.
temlebensdauer die größten Herausforderungen im Zusammenhang mit deren Alterungsverhalten. Die Gruppe Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik führt
daher unter anderem intensive Labortests zur Lebensdaueruntersuchung durch, in denen die Batterien definierten Belastungsszenarien unterzogen werden.
Forschung
ured on a regular basis. For this, the preparations were finalized within the past year. The initial capacity will be measured
in line with the implementation of the systems at the beginning of 2011.
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