Mit gebrauchten Akkus konkurrenzfähiger

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Um es kurz und knapp zu sagen: Die Weiterverwendung von Batterien aus Elektroautos hat nicht nur einen ökologischen Aspekt, sondern wird auch helfen, Großspeicherprojekte umzusetzen. Die wirtschaftliche Bewertung von Speicherprojekten zeigt, dass ein Batteriespeicher meist mehrere Aufgaben erfüllen muss, um eine gute Wirtschaftlichkeit zu erreichen. Jede dieser Aufgaben bringt in der Regel einen gewissen Beitrag zur Gesamtwirtschaftlichkeit eines Speichers. Manche Aufgaben sind gut miteinander kombinierbar, andere wiederum weniger. Manche Aufgaben haben einen größeren Anteil an der Wirtschaftlichkeit oder bilden sogar deren Basis, andere sind eher als Ergänzungen zu sehen.

In sehr vielen Fällen ist zum Beispiel die Lastspitzkappung (Peak-Shaving) die wesentliche Säule der Wirtschaftlichkeit, sei es beim Strombezug eines Industrieunternehmens oder im Netz eines kleineren oder mittleren Stadtwerkes, das für die bezogenen Leistungsspitzen ebenfalls oft hohe Netzentgelte zahlen muss (siehe pv magazine, März 2018, Seite 8). Fast ebenso häufig ist bei größeren Projekten aber immer noch die Regelleistungserbringung, speziell die Bereitstellung von Primärregelleistung, die wirtschaftliche Basis einer Speicherinvestition.

Am Donnerstag, den 13. September um 14:00, können Sie mit Hans Urban über das Second-Use Konzept diskutieren. Er wird uns im größeren Rahmen erläutern, wie Refinanzierungskonzepte für Stadtwerke, Energieversorger und Industriekunden funktionieren.

Der Erlös, den ein Speicher mit Primärregelleistungvermarktung, kurz PRL, erzielen kann, ist einerseits recht einfach anhand des momentanen Marktpreises zu berechnen, andererseits ist die Preisstabilität für längere Zeiträume nur schwer abzuschätzen, was sich auf die Verlässlichkeit von langfristigen Wirtschaftlichkeitsprognosen für Speicher nicht unbedingt positiv auswirkt. Manche Speicherinvestoren überlegen auch, diese Erlöse mittelfristig durch Erlöse aus kurzfristigen Stromhandelsgeschäften zu ersetzen, aber derzeit kann das Niveau der Primärrregelleistungseinkünfte damit noch nicht erreicht und adäquat ersetzt werden. Das führt zu einem verstärkten Kostendruck auf die Großspeicher.

Second-Life-Batterien für PRL-Speicher

Insbesondere bei größeren Speichersystemen für den gewerblichen Einsatz können statt neuen Batteriesystemen auch sogenannte Second-Life-Systeme, also gebrauchte Akkus aus Fahrzeugen, zum Einsatz kommen. Batterieelektrische Fahrzeuge waren zwar in den letzten Jahren noch relativ wenig verbreitet, dennoch stehen derzeit schon größere Posten an ausrangierten Akkupaketen aus den ersten Serienfahrzeugen zur Verfügung. Betrachtet man den rasanten Anstieg der ­Zulassungszahlen seit Mitte 2017, wird diese Entwicklung schnell weitere Dynamik aufnehmen.

Gerade auch wegen der kurzen Innovationszyklen in diesem noch jungen Bereich werden in vielen Fällen Produkte nicht deswegen aus dem Verkehr genommen, weil ihre Lebenszyklen schon weitgehend abgelaufen sind, sondern vielmehr werden in laufende Fahrzeuge mitunter Akkupakete einer neueren Generation eingesetzt, weil inzwischen größere Kapazitäten zur Verfügung stehen und zu besseren Reichweiten und somit zu mehr Praxistauglichkeit führen. Da im stationären Betrieb das Verhältnis von Kapazität zu Gewicht aber eine eher untergeordnete Rolle spielt, steht hier in den nächsten Jahren eine relevante Größenordnung an Akkukapazität für netzdienliche Anwendungen zur Verfügung.

Es dürfte kaum jemanden geben, der vom ökologischen Standpunkt her diese Zweitverwendung von Kapazitäten aus dem Automotive-Bereich nicht sehr begrüßen würde. Noch sind Recyclingkapazitäten für Batteriezellen erst im Aufbau, sodass die enthaltenen Wertstoffe bis dato kaum zurückgewonnen werden können. Man kann aber sicher davon ausgehen, dass nach einem „zweiten Akkuleben“, also in einigen Jahren, ausreichende Recyclingkapazitäten zur Verfügung stehen werden. Die Rohstoffe aus diesen Zellen werden also dann wohl ihr drittes Leben beginnen.

Doch der Einsatz dieser gebrauchten Batteriesysteme hat vor allem auch einen wirtschaftlichen Aspekt, werden sie doch von den Autoherstellern zu weitaus geringeren Preisen abgegeben, als man für neue Systeme ausgeben müsste. Hier sind zwar zusätzliche Aufwendungen für die mechanische Unterbringung, für die Spannungsanpassung und gegebenenfalls für Garantierückstellungen zu berücksichtigen, aber dennoch ist die Systemtechnik im Vergleich zur Neubeschaffung immer noch wesentlich günstiger, sodass man mit Blick auf die gesamte Wirtschaftlichkeit auch von einem zusätzlichen „virtuellen Erlöspfad“ der Zweitverwertung sprechen könnte, der die Rendite des gesamten Projektes nochmals ein wenig attraktiver macht.

Lebensdauer von Second-Life-Batterien

Betrachtet man nun die sehr knappe Wirtschaftlichkeit von Speichern in reiner Primärregelleistungsanwendung, so kommt der Zuverlässigkeit und Haltbarkeit der Akkupakete eine wesentliche Bedeutung zu, denn eine Investition mit knapper Rendite ist dann interessant, wenn sie zumindest kein hohes Risiko beinhaltet. Während die Lebensdauer der verwendeten leistungselektronischen Komponenten und der restlichen Peripherie in der Regel recht gut abgeschätzt werden kann, gibt es zur Lebensdauer von Lithiumzellen in ihren verschiedenen Technologien noch keine sehr langfristigen Erkenntnisse. Allerdings lässt sich zusammenfassen, dass eine Alterung von Zellen immer von mehreren Faktoren beeinflusst wird.

Um die Zuverlässigkeit der Second-Life-Batterien abzuschätzen, muss man sich die grundsätzlichen Alterungsmechanismen vergegenwärtigen. Die kalendarische Alterung beschreibt die „natürliche“ chemische Altersgrenze einer Zelle. Auch wenn die Zelle nicht belastet wird, begrenzen dennoch chemische Prozesse die Zelllebensdauer. Hier hat auch der SOC, also der Ladezustand oder „State of Charge“ einen ganz wesentlichen Einfluss, denn die Zelle altert zum Beispiel bei 50 Prozent weit weniger als nahe 0 Prozent (komplett entladen) oder bei 100 Prozent (komplett geladen). Das ist auch einer der Gründe, warum die intelligente Betriebsführung eines Speichersystems die Alterung sehr positiv beeinflussen kann.

Der zweite wesentliche Hauptfaktor ist die zyklische Alterung, also die Alterung durch das Laden und Entladen. Hier gibt es sehr viele beeinflussende Parameter, wie zum Beispiel die Häufigkeit, aber auch die Höhe der jeweiligen Belastung, die Zelltemperatur während der Belastung und auch die Gradienten der Temperatur im Inneren der Zelle, weshalb dem Thermomanagement meist eine sehr hohe Bedeutung zukommt.

Es gibt einige wesentliche Unterschiede zwischen dem Einsatz im stationären Primärregelleistungs-Geschäftsmodell im Vergleich zum Einsatz im mobilen Fahrzeug, die die Umsetzung des Second-Use Konzepts ermöglichen:

  • Batteriesysteme im stationären Einsatz werden in der Regel in klimatisierten Gebäuden und Behältern untergebracht und bei idealen Temperaturbedingungen betrieben. Im Vergleich zu einem Einsatz im Fahrzeug, wo die Zellen bei Temperaturen von minus 25 Grad bis oft über 35 Grad Außentemperatur nicht nur gelagert, sondern auch mit Volllastzyklen betrieben werden, lässt der Einsatz im idealen Temperaturfenster eine vergleichsweise viel höhere Restlebensdauer erwarten.
  • Stationäre Speicher arbeiten meist mit Belastungsraten von maximal 1C, also einem Laststrom, der die Zelle in minimal einer Stunde lädt oder entlädt. In Fahrzeugen sind Belastungen bis 3C vollkommen üblich, auf vollen Entladestrom (beim Beschleunigen) folgt oft im nächsten Moment (beim Rekuperieren des Fahrzeuges) der volle Ladestrom und das Ganze im ungünstigsten Fall noch bei minus 25 Grad.
  • In Fahrzeugen treten üblicherweise sehr starke mechanische Wechselbelastungen auf, die zu sporadischen Frühausfällen führen können. Im stationären Einsatz entfallen diese Einflüsse komplett.

Im Vergleich zum Einsatz in Fahrzeugen bei extremen Wechselbelastungen und extremen Temperaturen stellt also der Einsatz in einem industriellen Umfeld vergleichsweise wesentlich geringere Anforderungen für dieses „zweite Akkuleben“ dar.

Der PRL-Hybrid

Die Lebensdauer der Systeme mit Second-Use-Batterien lässt sich sogar noch verlängern, indem man Hybridsysteme nutzt. Wir haben bei Smart Power solche Systeme aufgebaut, in denen im Allgemeinen 80 Prozent der Kapazität mit Second-Use-Batterien, 20 Prozent mit neuen Zellen erbracht werden. In den meisten Fällen ist dabei die Primärregelleistung der maßgebliche Anwendungsfall. Aber auch in den Fällen, bei denen verschiedene Anwendungen kombiniert werden (zum Beispiel Primärregelleistung mit Peak-Shaving), überwiegt im zeitlichen Einsatz meist die Primärregelleistung. Für das Konzept ist das relevant, da von dem Geschäftsmodell die Tiefe der Zyklen abhängt und das Hybridkonzept eben am besten bei den Einsatzcharakteristika der Primärregelleistungserbringung funktioniert.

Technisch wird jeder Systemteil in dem Konzept mit getrennt steuerbaren Umrichtersträngen betrieben, sodass die Lastaufteilung zwischen gebrauchten und neuen Zellen zu jedem Zeitpunkt frei bestimmt werden kann.

Über einen optimierten Regelalgorithmus wird diese Anlage im Primärregelleistungseinsatz nun so angesteuert, dass bei den recht häufigen kleinen Leistungen und Regeleinsätzen nur die neuen Zellen zum Einsatz kommen. Die Einheiten mit den gebrauchten Zellblöcken werden dagegen dann zusätzlich aktiviert, wenn entweder die abgerufene Leistung oder auch deren Gradient von Anfang an einen gewissen Schwellwert überschreitet, also die Netzfrequenz vom Sollwert um einen entsprechenden Betrag abweicht, oder wenn die Einsatzzeit des Regeleingriffes länger anhält.

Mit diesem Algorithmus wird also erreicht, dass die neuen Zellen sehr häufige Zyklen und Einsatzzeiten erfahren, während die gebrauchten Zellen über weite Strecken beim optimalen SOC von 50 Prozent verweilen und nur selten als zusätzliche „Energiereserve“ mit herangezogen werden. Mit diesem Regelverfahren wird auch dem Umstand Rechnung getragen, dass Primärregelleistungsspeicher zwar im Rahmen der Präqualifikation grob formuliert über 30 Minuten die volle Leistung erbringen müssen, dass aber diese Anforderungen im praktischen Regelleistungseinsatz fast nie vorkommen. So werden mit diesem Verfahren folgende Vorteile erreicht:

  • Der Speicheranteil mit neuen Zellen erfährt im Normalbetrieb die meisten Zykleneinsätze.
  • Diese Zykleneinsätze der Neuzellen erfolgen mit hoher Performanz und gleichzeitig mit einem hohen Wirkungsgrad. Der mittlere Speicherwirkungsgrad wird damit im Normalbetrieb hauptsächlich durch die neuen Zellen bestimmt und ist im Mittel entsprechend hoch.
  • Die eingesetzten neuen Zellen stammen aus einer wesentlich neueren Generation als die gebrauchten Zellen. Performanz und Wirkungsgrad des gesamten Speichers sind damit trotz des Einsatzes günstiger Gebrauchtzellen auf dem jeweils aktuell neuesten technischen Stand.
  • Der Speicheranteil mit gebrauchten Zellen erfährt im Normalbetrieb nur sehr wenig Zyklen. Die Zyklenalterung dieses Teils wird dadurch sehr verlangsamt und die Lebensdauer damit verlängert.
  • Durch die Lastaufteilung ist es im Allgemeinen ausreichend, nur für den Teil mit den neuen Zellen ein aktives Thermomanagement vorzusehen. Der meist wesentlich größere Teil mit den gebrauchten Zellen kann mit einer vergleichsweise günstigen passiven Klimatisierung betrieben werden, was den Preis des gesamten Speichers positiv beeinflusst.
Grafik 1: Gesteuerter Alterungsprozess über den Lebenszyklus eines Primärregelleistungs-Hybrid-Speichers.

Grafik: pv magazine/Harald Schütt

Die Grafik 1 zeigt den Alterungsprozess der beiden Zelltypen im Primärregelleistungshybrid im qualitativen Vergleich, vereinfacht linear dargestellt. Die Second-Use-Zellen erfahren zuerst in ihrem mobilen Einsatz eine vergleichsweise schnelle Alterung und werden dann mit ihrer vorhandenen Restlebensdauer in den Second-Use-Einsatz überführt. Die Alterung dieser Zellen ist im weiteren Lebenszyklus aus den oben geschilderten Gründen wesentlich verlangsamt. Die neuen Zellen gehen sozusagen ohne Voralterung in den Primärregelleistungseinsatz, erfahren aber wegen der starken dynamischen Belastung eine vergleichsweise hohe Zyklenalterung.

Das Optimierungsziel des Betriebsalgorithmus wird nun so gewählt, dass die gesamte Anlage über die Einsatzjahre gleichmäßig „altert“ und am Schluss der Betriebsphase möglichst beide Batterieteile gleichzeitig das Ende der technischen und/oder wirtschaftlichen Lebensdauer erreichen. Zu diesem Zeitpunkt kann dann entschieden werden, ob oder in welcher Form die gesamte Anlage gegebenenfalls repowert werden kann.

Grafik 2: Auswertung der Häufigkeitsverteilung bisheriger Regelleistungseinsätze für das Jahr 2014.

Grafik: pv magazine/Harald Schütt

Wie erfolgt nun die Dimensionierung eine solchen Systems? Die Anfangsdimensionierung des gesamten Systems wird dabei so gewählt, dass theoretisch der wesentliche Teil der Zyklen, die bei der Primärregelleistungsvermarktung auftreten, durch das Neusystem abgedeckt werden. Die Leistung, mit der die Regelleistung erbracht werden muss, hängt von der Abweichung von der Sollfrequenz 50 Hertz ab. Bei den Abweichungen um bis zu 0,05 Hertz sind nur 25 Prozent der präqualifizierten Leistung nötig. Als Erfahrungswert für die Abweichungen, mit denen man rechen muss, dient eine Auswertung der Gauß-Verteilung bisheriger realer Regelleistungseinsätze im Netz (Grafik 2). Fast alle Einsätze spielen sich im Frequenzband 49,95 bis 50,05 Hertz ab. Da die Länge der Regelleistungserbringung festgelegt ist, lässt sich damit direkt darauf schließen, wie das Verhältnis neue Batterien zu Second-Use-Batterien optimal ist.

Insgesamt wird also mit diesem Verfahren eine wesentliche wirtschaftliche Optimierung von Primärregelleistungs-Batteriespeichern erreicht. Der Einsatz eines großen Prozentsatzes von Second-Use-Zellen ergibt eine hohe präqualifizierbare Leistung zu geringen Kosten. Durch die vergleichsweise geringe Beimischung hochperformanter Neuzellen wird die Lebensdauer der Gebrauchtzellen wesentlich verlängert und damit die Nutzungszeit des gesamten Speichers maximiert. Nicht zu vernachlässigen ist auch der positive Einfluss auf die Umweltverträglichkeit, da mit diesem Konzept vorhandene Rohstoffe weitergenutzt und neue Rohstoffe eingespart werden.

Der Autor Hans Urban ist in der Branche bekanntgeworden, als er den Solarbereich von Schletter zum Marktführer für Photovoltaik-Unterkonstruktionen aufgebaut hat. Seit drei Jahren ist er als Berater für diverse Unternehmen aktiv und unterstützt den Speicherentwickler Smart Power bei der Geschäftsentwicklung.

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