Menn, Claudio

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Autor:in: Kim, David Pascal ×

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    Publikation
    Gebäudeintegration von gebrauchten Batterien als Second-Life Stromspeichersysteme. Eine techno-ökonomische und ökologische Bewertung
    (2016) Menn, Claudio; Geissler, Achim; Kim, David Pascal [in: Status-Seminar «Forschen für den Bau im Kontext von Energie und Umwelt»]
    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.
    04 - Beitrag Sammelband oder Konferenzschrift
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    Publikation
    Gebäudeintegration von gebrauchten Batterien als Second-Life Stromspeichersysteme
    (Hochschule für Architektur, Bau und Geomatik FHNW, 09/2015) Menn, Claudio; Geissler, Achim; Kim, David Pascal; Dorusch, Falk
    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 technischen, ökonomischen und ökologischen 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“ (CL)) 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 einer 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) Speicherkapazität. 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 ist hierzu 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 im Jahre 2035 0.34 – 0.60 % und im Jahre 2050 1.3 – 2.0 % 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 Tarifsystemen, die einen höheren Anreiz zur Stromspeicherung geben. Zudem ist in der Betrachtung des Umweltnutzens von Second-Life BES die rasante Entwicklung von alternativen Batterietechnologien stärker zu berücksichtigen.
    05 - Forschungs- oder Arbeitsbericht
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    Publikation
    Quantifizierung des Umweltnutzens von gebrauchten Batterien aus Elektrofahrzeugen als gebäudeintegrierte 2nd-Life-Stromspeichersysteme
    (Wiley, 08/2015) Kim, David Pascal; Geissler, Achim; Hengevoss, Dirk; Menn, Claudio [in: Bauphysik]
    Aufgrund der Energieperspektiven 2050 des schweizerischen Bundesamtes für Energie (BFE) wird das zukünftige Potenzial von gebrauchten Lithium-Ionen-Batterien aus Elektrofahrzeugen als stationäre Stromspeicher in Gebäuden untersucht. In drei Szenarien wird der Umweltnutzen für das Jahr 2035 und 2050 ermittelt. Hierzu wird berechnet wie viel Kapazität an herkömmlichen Speichern durch eine gewisse Kapazität an wiederverwendbaren gebrauchten Batterien substituiert werden kann. Das Substitutionspotenzial wird mit ausgewählten Wirkindikatoren wie dem Treibhauspotenzial (GWP) und dem kumulierten Energieaufwand (CED) analysiert. Im Jahr 2050 können dadurch 760 bis 1170 MWh an herkömmlichen Speichern durch 2nd-Life-Speicher substituiert werden. Dabei kann das Treibhauspotenzial pro Jahr um 11'000 bis 16'000 t CO2 Äq gesenkt und der kumulierte Energieaufwand um 207'000 bis 305'000 GJ verringert werden. Die Resultate zeigen, dass der Einsatz von 2nd-Life-Batterien in stationären Anwendungen einen signifikanten Beitrag zur Reduktion der Umweltbelastung von Batterien beitragen kann.
    01A - Beitrag in wissenschaftlicher Zeitschrift