Gebäudeintegration von gebrauchten Batterien als Second-Life Stromspeichersysteme. Eine techno-ökonomische und ökologische Bewertung
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Publikationsdatum
2016
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04 - Beitrag Sammelband oder Konferenzschrift
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Übergeordnetes Werk
Status-Seminar «Forschen für den Bau im Kontext von Energie und Umwelt»
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15
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Zürich
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Zusammenfassung
In vorliegendem Beitrag wird die Untersuchung der Nachnutzung von gebrauchten Batterien aus der Elektromobilität als Second-Life Stromspeicher (engl.: “Battery Energy Storage“ (BES)) in Gebäuden hinsichtlich technischer, ökonomischer und ökologischer Kriterien beschrieben. Basierend auf energiepolitischen Szenarien der Schweiz (Energieperspektiven 2050) werden eine Nettokapitalwert (engl.: „Net Present Value“ (NPV))- Analyse und eine Ökobilanzierung durchgeführt.
Die Ergebnisse zu einem typischen Einfamilienhaus mit variierenden PV und Second-Life BES Systemgrössen (1-30 kWp und kWh) zeigen keinen positiven NPV25 (Investitionszeitraum 25 Jahre) gegeben Rahmenbedingen aus dem Jahre 2015 und einer betrachteten Anzahl CL (engl.: „Cycle Life“) von 800-6400. Für ein Second-Life BES mit mindestens 4800 CL resultiert eine optimale nutzbare Speicherkapazität von 2 kWh (≈ 10.7 Wh/m2 Energiebezugsfläche (AE)). Die optimale Systemgrösse der PV-Anlage beträgt dabei 3 kWp (≈ 16 Wp/m2 AE). Demgegenüber zeigt die Gesamtsystem-Betrachtung (PV inkl. Second-Life BES) eines typischen Mehrfamilienhauses ein NPV25 von durchschnittlich 1300-1500 CHF, gegeben eine Anzahl CL von 4800-6400. Die optimalen Systemgrössen betragen hierzu im Durchschnitt der betrachteten Szenarien 14 kWp (≈ 13 Wp/m2 AE) und 5 kWh (≈ 4.7 Wh/m2 AE) Speicher-kapazität.
Der Vergleich von Second-Life BES zu herkömmlichen Stromspeichern (engl.: „conventional“ (C)) zeigt beim MFH nahezu bei allen untersuchten Systemgrössen einen Kostenvorteil für Second-Life BES. Die Stromgestehungskosten des Second-Life BES betragen 57 Rp./ kWh bei 4800 resp. 49 Rp./ kWh bei 6400 CL (gemittelt zwischen den untersuchten Szenarien). Der Kostenvorteil gegenüber C-BES beträgt dabei 110 % resp. 80 %.
In einer Sensitivitätsanalyse werden die Basiskosten (Gehäuse, Verkabelung, Wechselrichter und Installation) und der Strompreis als Parameter mit grösstem Effekt auf die Profitabilität von BES identifiziert.
Basierend auf energiepolitischen Szenarien der Schweiz kann mit einer Substitution von C-BES durch Second-Life BES von 0.34 – 0.60 % im Jahre 2035 und 1.3 – 2.0 % im Jahre 2050 zum jährlichen Reduktionsziel der CO2-Emissionen beigetragen werden. Voraussetzung dafür ist die Nutzung des verfügbaren Materials aus der Elektromobilität. Zudem liegt dieser Rechnung eine Substitutionsrate der Nennkapazität von C-BES Systemen mit Second-Life BES von 14 % zugrunde.
Ein Anschlusspunkt für nachfolgende Forschungsarbeiten liegt in der Gestaltung von Ta-rifsystemen, die einen höheren Anreiz zur Stromspeicherung geben. Dabei ist in der Betrach-tung des Umweltnutzens von Second-Life BES die rasante Entwicklung von alternativen Bat-terietechnologien stärker zu berücksichtigen.
In this paper, the results from a techno-economic and ecological analysis of the extended usage of batteries from electric vehicles in residentials as Second-Life Battery Energy Storage (BES) are given. The Net Present Value (NPV) and the ecological benefits of Second-Life BES are assessed in the framework of the energy perspectives 2050 of the Swiss federal government.
The results show no positive NPV25 (time frame investigated: 25 years) for a typical singlefamily house (SFH) with varying PV and Second-Life BES sizes (1 to 30 kWp and kWh), given the framework conditions of 2015 and an assessed range of 800-6400 battery Cycle Life (CL). For a PV-Second-Life BES system with at least 4800 CL, an optimal size of 2 kWh (≈ 10.7 Wh/m2 energy reference area (AE)) and 3 kWp (≈ 16 Wp/m2 AE) result for Second-Life BES and PV respectively. Compared with these findings, a typical multi- family house (MFH) yields a NPV25 of 1300 to 1500 CHF on average, provided that 4800-6400 CL are available. A system size of 14 kWp (≈ 13 Wp/m2 AE) and 5 kWh (≈ 4.7 Wh/m2 AE) are found to be optimal here.
The comparison of Second-Life BES with Conventional (C)-BES systems generally shows a cost advantage of Second-Life BES for all assessed system sizes for MFH. The Levelized Cost of Electricity (LCOE) (averaged value of the energy scenarios) for the Second-Life BES are 57 Rp./ kWh and 49 Rp./ kWh for 4800 CL and 6400 CL respectively. This means a cost advantage of 110 % for 4800 CL and 80 % for 6400 CL compared to C-BES.
A sensitivity analysis shows that base costs (case, cabling, AC/DC inverter and installation) and the electricity price are most effective parameter to enhance the profitability of Second-Life BES systems.
Based on the Swiss energy policy scenarios, a 0.34 to 0.60 % contribution to the yearly CO2 reduction objectives in the year 2035 and 1.3 – 2.0 % in the year 2050, respectively, can be achieved by the substitution of C-BES with Second-Life BES. This result implies a usage of the material potential of Second-Life BES provided by electric vehicles in Switzerland. Furthermore, a 14 % substitution rate of the nominal capacity of C-BES with Second-Life BES is assumed.
The development of tariff-schemes which give more incentives for BES and the consideration of alternative BES-technologies are subject of further research.
Schlagwörter
BES, Second-Life, NPV, PV, Ökobilanzierung
Fachgebiet (DDC)
Veranstaltung
Startdatum der Ausstellung
Enddatum der Ausstellung
Startdatum der Konferenz
08.09.2016
Enddatum der Konferenz
09.09.2016
Datum der letzten Prüfung
ISBN
ISSN
Sprache
Deutsch
Während FHNW Zugehörigkeit erstellt
Ja
Publikationsstatus
Veröffentlicht
Begutachtung
Peer-Review der ganzen Publikation
Open Access-Status
Lizenz
Zitation
MENN, Claudio, Achim GEISSLER und David Pascal KIM, 2016. Gebäudeintegration von gebrauchten Batterien als Second-Life Stromspeichersysteme. Eine techno-ökonomische und ökologische Bewertung. In: Status-Seminar «Forschen für den Bau im Kontext von Energie und Umwelt». Zürich. 2016. S. 15. Verfügbar unter: https://doi.org/10.26041/fhnw-774