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Energiespeicherungsanalytik

Batteriespeichersysteme sind ein wesentlicher Bestandteil des Energiesektors. Sie sind jedoch komplexe Systeme, die besondere Aufmerksamkeit erfordern. Das primäre Ziel der Speicherbesitzer ist es, den größtmöglichen Gewinn aus dem Speichersystem zu ziehen, ohne ein zusätzliches Risiko einzugehen. An dieser Stelle kommt die Batterieanalytik ins Spiel.

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TWAICE / 11. Mai 2022
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Batterieanalytik: Der Wendepunkt bei der Energiespeicherung

Weltweit sind bereits mehr als 25 GWh an stationären Batteriespeichern installiert. Diese Zahl wird rasch zunehmen, denn Batteriespeicher sind ideal geeignet, um die Herausforderungen der Energiewende zu bewältigen. Im Gegensatz zu den meisten anderen Kraftwerkstechnologien können Batterien nicht nur Energie liefern, sondern sie auch speichern. Und das innerhalb von Millisekunden. Damit eignen sie sich für zahlreiche Anwendungsfälle, sowohl vor dem Zähler als auch hinter dem Zähler. Darüber hinaus machen sinkende Batteriepreise Investitionen attraktiver. Zusammengenommen sorgen diese Faktoren für einen Boom bei Batteriespeichern, der Schätzungen zufolge bis 2030 eine installierte Kapazität von 900 GWh erreichen wird (BNEF).

Viele der Marktteilnehmer - Systemintegratoren, Anlagenbesitzer, aber auch Partner und Finanzdienstleister - nennen als Hauptgründe für die Entscheidung, ein Batterieprojekt nicht voranzutreiben, technische Risiken in Verbindung mit Herausforderungen des Marktes und einem sich ändernden regulatorischen Umfeld. Zu den Marktrisiken gehören schwankende Preise, während neue Vorschriften einen Business Case zunichte machen können (oder ihn manchmal auch in die Höhe treiben). Ein Beispiel für einen kugelsicheren Business Case ist Kalifornien. Hier wurde das Marktrisiko so gut wie ausgeschaltet, da die Einnahmen der meisten Projekte durch langfristige Stromabnahmeverträge (PPA) gesichert sind. Folglich sind Projekte mit Hunderten von MWh keine Seltenheit mehr. Jede Änderung - ob positiv oder negativ -, aber auch jedes Batteriespeicherprojekt im Allgemeinen, erfordert eine sorgfältige Bewertung der Auswirkungen, die die Nutzung auf die Batterie haben wird.

Herausfordernde technische Risiken

Batterien sind komplexe elektrochemische Systeme und bringen einige technische Herausforderungen mit sich. Als neue Anlageklasse stellen viele Akteure, die sich noch nie mit Batterien beschäftigt haben, fest, dass sie für ihren Erfolg unerlässlich sind. Um ein gemeinsames Verständnis zu gewährleisten, sollten wir ein paar Klarheiten schaffen:

  • Batteriespeicher sind im Allgemeinen eine sehr sichere und zuverlässige Technologie. Doch wie jedes andere technische System können auch Batteriezellen oder andere Komponenten ausfallen. Die Folgen hängen von der Schwere und der Reaktion ab. Im besten Fall kommt es zu moderaten Leistungseinbußen oder ungeplanten Wartungsarbeiten. Im schlimmsten Fall, wenn die Probleme nicht sofort behoben werden oder eine wichtige Komponente ohne Vorwarnung ausfällt: ungeplante Ausfallzeiten mit größeren Reparaturen. Ein auffälliges Beispiel sind die Brände in Batteriespeichern, z. B. in Korea und Arizona (2018 bzw. 2019), die in den Medien große Aufmerksamkeit erregten. Die Wahrscheinlichkeit liegt bei weniger als 1:1.000.000, aber wenn es passiert, ist es eine Katastrophe großen Ausmaßes.
  • Ausfallzeiten sind ein technisches Risiko, das sich direkt in ein finanzielles Risiko überträgt. Auch wenn Ausfallzeiten auf den ersten Blick nicht dramatisch erscheinen, hängen bestimmte Anwendungsfälle von der Verfügbarkeit einer Batterie ab. Wenn Energie nicht verfügbar ist, wenn sie benötigt wird, drohen Vertragsstrafen oder, einfacher ausgedrückt, eine sehr hohe Rechnung. Energielösungen mit Batteriespeichern können bis zu 90 % der Stromrechnung eines Unternehmens einsparen (EM-Power Europe 2021) - fällt der Speicher während der Spitzenlastzeit aus, gibt es keine Einsparungen für dieses Jahr (und das Unternehmen zahlt trotzdem für den Speicher).
  • In einem fortgeschrittenen Stadium der Batterielebensdauer besteht das Risiko, dass die Leistungs- oder Kapazitätsanforderungen nicht mehr erfüllt werden. Dies führt zum Ausschluss bestimmter Märkte und Anwendungsfälle, birgt aber auch das Risiko unerwarteter Strafen.

Bestehende Garantien können diesen Herausforderungen nur teilweise gerecht werden oder werden unerschwinglich, da es für den Versicherer unmöglich ist, das Risiko zu bewerten. Kurz gesagt: Batterien bieten große Chancen, aber auch hohe, jedoch überschaubare Risiken. Werfen wir einen Blick auf Batterieanalytik, um zu verstehen, warum.

Batteriealterung und Analytik

Batterieanalytik bedeutet, mit Hilfe von Software mehr aus der Batterie herauszuholen - nicht nur im Betrieb, sondern auch bei der Auswahl der richtigen Batteriezelle oder der Auslegung des Gesamtsystems. Vorerst liegt der Fokus auf den Möglichkeiten, den Betrieb von Batteriespeichern im Feld zu optimieren.

Warum ist Batterieanalytik so wichtig?

Die Degradation von Batterien, auch Alterung genannt, hat erhebliche Auswirkungen auf die Leistung während ihrer Lebensdauer. Mit der Zeit werden zwei wesentliche Auswirkungen sichtbar: Kapazitätsabnahme und Erhöhung des Widerstands , was zu einer geringeren verfügbaren Energie und Leistung führt. Die Gesamtkapazitäten werden häufig in einem KPI gemessen, der als Gesundheitszustand (SoH) bezeichnet wird. Dieses Alterungsverhalten und der Gesundheitszustand werden von zahlreichen Faktoren bestimmt und können von einem Batteriesystem zum anderen stark variieren. Zwei Batterien mit einem SoH von 90 % können je nach ihrer früheren Behandlung eine sehr unterschiedliche Restnutzungsdauer haben. Schauen wir uns einige dieser Faktoren an:

  1. Temperatur: Dies hat einen großen Einfluss, aber je nach Situation und Zelle (Chemie) können verschiedene Temperaturbereiche von Vorteil sein. Als Faustregel gilt: Wenn sich die Batterie im Leerlauf befindet, verhindern niedrige Temperaturen eine zu starke kalendarische Alterung (d. h. eine Alterung, die mit der Zeit ohne Verwendung eintritt), während mäßig warme Temperaturen (z. B. 30 °C) die beste Option für starke Zyklen sind.
  2. C-Rate: Verschiedene Batterietypen werden für unterschiedliche Anwendungsfälle verwendet. Im Allgemeinen haben hohe C-Raten einen größeren Einfluss auf die Alterung als niedrige C-Raten.
  3. (Durchschnittlicher) Ladezustand (SoC): Während es wünschenswert ist, viel Energie zur Verfügung zu haben (je nach Anwendungsfall), können höhere durchschnittliche SoCs die Alterung beschleunigen. Zu niedrige SoCs können den Business Case gefährden, da nicht genügend Energie zur Verfügung steht. Zu niedrige SoCs sollten immer technisch durch das Batteriemanagementsystem verhindert werden, um Schäden zu vermeiden).
  4. Entladetiefe (DoD): Dies bezieht sich auf die Energiemenge, die zu einem bestimmten Zeitpunkt aus dem Speicher entnommen wird. Bei einer Batterie, die sich von 80 % auf 35 % SoC entlädt, entspricht dies einer DoD von 45 %. In der Regel sind niedrigere DoDs vorteilhaft, wobei fünf Schwankungen von 20 % weniger schädlich sind als ein voller Zyklus. Somit haben 10 Zyklen in einem Arbitragebetrieb eine größere Auswirkung auf die Verschlechterung der Batterie als 10 Zyklen in Hilfsdiensten.

Die Realität ist komplizierter. Jeder Batterietyp reagiert sehr unterschiedlich auf jeden dieser Stressfaktoren. Und wenn - um eine Degradation der Batterie zu verhindern - die Batterie zu vorsichtig im Hinblick auf die beschriebenen Stressfaktoren betrieben wird, wird viel Potenzial verschenkt.

Warum also nicht einfach von Anfang an viel mehr Kapazität in den Speicher einbauen (Übergröße oder Überstapelung genannt)? Erstens, weil die anfänglichen Investitionskosten in die Höhe schießen und Ihren Business Case ruinieren würden. Die meisten Benutzer werden bestrebt sein, so viel Speicherplatz wie möglich zu nutzen. Das führt zum zweiten Punkt: Während vor ein paar Jahren die Optimierung für einen bestimmten Anwendungsfall im Vorfeld eine gute Idee gewesen sein mag, sind die Anwendungsfälle inzwischen komplexer geworden. Mehrfachnutzungsstrategien oder ein Wechsel der Betriebsstrategie nach einer gewissen Zeit werden für eine hohe Rentabilität zwingend erforderlich. Infolgedessen hat die Dimensionierung des Systems zu Beginn an Bedeutung verloren, und die Einsatzplanung erfolgt regelmäßig, was neue Erkenntnisse über die aktuellen Batteriekapazitäten und die Auswirkungen verschiedener Betriebsstrategien erfordert.

Die TWAICE Cloud-Analyseplattform liefert Erkenntnisse und Lösungen auf der Grundlage von Felddaten. Der Differenzierungsfaktor ist der End-to-End-Ansatz mit der Analytik als Herzstück. Nach der Verarbeitung und Zuordnung der Daten führt die Analyseschicht der Plattform verschiedene analytische Algorithmen, elektrische, thermische und Alterungsmodelle sowie Modelle des maschinellen Lernens aus. Diese Vielfalt an analytischen Ansätzen ist der Schlüssel zum Ausgleich von Qualitätsunterschieden bei der Dateneingabe und bildet auch die Grundlage für die breite und wachsende Palette an Lösungen.

Senkung der Stromgestehungskosten mit Batterieanalytik

Wer ein Batteriesystem kauft, will eine garantierte Leistung. Daher ist es wichtig, dass Hersteller und Integratoren solcher Systeme die bestmögliche Garantie bieten. Die Verfolgung und Simulation der Auswirkungen der Nutzung auf die Leistung und die entsprechende Garantie ist der Schlüssel zur Erschließung dieses Potenzials.

Integratoren stehen vor der Herausforderung, die Garantien mehrerer Anbieter zu einer Systemgarantie für ihre Kunden zu kombinieren. Dazu gehören auch mehrere Leistungsgarantien, die von der Kapazitätsleistung bis zur Verfügbarkeitsleistung reichen und oft sogar eine Garantie auf die Roundtrip-Effizienz beinhalten. Um einen Überblick über ihre Leistungsgarantien zu haben, müssen Integratoren Daten sammeln, (manuelle) Analysen durchführen und die Leistung und den Garantiestatus an ihre Kunden weitergeben. Im Falle eines Garantieanspruchs müssen die vereinbarten Bedingungen wiederhergestellt und der Anspruch an den Zelllieferanten weitergeleitet werden. Die Komplexität steigt mit der Vielfalt der ein- und ausgehenden Garantien - sie ist eher die Regel als die Ausnahme, und es gibt keine Standardverträge.

Neben den strategischen Überlegungen dürfen wir nicht die operativen Vorteile eines durch Analysen erweiterten Überwachungstools vergessen. Betriebs- und Wartungsteams profitieren von einer präziseren Datenanalyse in Echtzeit, z. B. können fehlerhafte oder gealterte Module erkannt und vom Serviceteam ausgetauscht werden.

Es gibt noch eine weitere Herausforderung, die gelöst werden kann. Heute ist es für Integratoren schwierig, die Garantiebedingungen im Falle einer neuen Betriebsstrategie neu zu verhandeln, da die Auswirkungen auf die Leistung unbekannt sind. Die erforderliche Transparenz und Vorhersagbarkeit kann durch prädiktive Batterieanalytuj geschaffen werden, die die Auswirkungen auf die Systemleistung sowie auf die Garantiebedingungen simulieren.

Geringe Rentabilität und lange Amortisationszeiten sind zwei der größten Herausforderungen, denen sich Eigentümer bei der Planung und dem Betrieb ihrer Batteriespeicherprojekte stellen müssen. Die Energiepreise sind schwankend und unvorhersehbar, und das regulatorische Umfeld unterscheidet sich international und sogar innerhalb eines Landes. So hat beispielsweise der deutsche Markt für primäre Frequenzregelung (PFR) in den letzten Jahren einen erheblichen Preisverfall erlebt. Um die Rentabilität wiederherzustellen, erwägen viele Anlageneigentümer eine Anpassung ihrer Betriebsstrategie oder arbeiten an einer Mehrzweckbetriebsstrategie. Das komplexe Alterungsverhalten von Batterien erschwert jedoch die Optimierung und Auswahl der rentabelsten Strategie. Eine kontinuierliche Nutzung von Batterieanalytik kann für den Kunden auf vielfältige Weise Wert schaffen:

  • Die Berücksichtigung der Batteriealterung bei der Planung von Betriebsstrategien hilft dem Eigentümer, besser zwischen verschiedenen Strategien zu entscheiden. Auf diese Weise kann die optimale Betriebsstrategie gewählt werden, um ein Gleichgewicht zwischen den erwarteten Einnahmen und der Batterielebensdauer herzustellen und die Gesamtrendite der Investition zu erhöhen - vor und während des Betriebs.
  • Beim kommerziellen Betrieb eines Speichers kann eine Abschätzung der wahren Kosten für Alterung pro Zyklus und Energie in die Marktoptimierungssoftware und die Preisplanung einfließen - täglich oder bei Bedarf auch häufiger. Dies steigert die Wirtschaftlichkeit.
  • Außerdem weiß der Eigentümer, dass der Speicher während der gesamten geplanten Dauer für die gewählte Strategie genutzt werden kann. Das Risiko einer vorzeitigen Minderleistung des Speichers wird minimiert, da präventiv Gegenmaßnahmen ergriffen werden können.

Batterien einen Alterswohnsitz geben - Analytik für 2ndlife Anwendungen

Das 2nd Life von Batterien ist ein kontroverses Thema. Einige Experten argumentieren, dass die Kosten für die Wiederverwendung zu hoch sind und Batterien zweckgebunden sein sollten, um ihr volles Potenzial zu erreichen. Folglich glauben sie nicht an die wirtschaftliche Machbarkeit oder Plausibilität von 2nd-Life-Anwendungen und bevorzugen das Recycling anstelle der Wiederverwendung.

Andere Experten bemängeln, dass gebrauchte Batterien recycelt werden können, wenn sie noch in gutem Zustand sind und in anderen Anwendungen einen hohen Wert haben.

Die Herausforderung wird immer darin bestehen, effizient die Batterien auszuwählen, die noch für eine 2nd-Life-Anwendung geeignet sind. Es muss eine ökonomische und ökologische Bewertung im Hinblick auf den potenziellen Nutzen einer zweiten Lebensdauer im Vergleich zur Alternative erfolgen. Der Schlüssel hierzu ist eine effiziente Bewertung des Batteriezustands sowie der zu erwartenden Leistung in der 2nd-Life-Anwendung - Batterieanalytik auf der Grundlage bereits vorhandener Daten ist die Lösung.

Betrachten wir die wirtschaftlichen Aspekte: Die hohen Wiederverwendungskosten in Verbindung mit der geringeren Rentabilität der meisten Second-Life-Batterien bedeuten, dass es derzeit kaum einen Anreiz gibt, eine gebrauchte Batterie zu kaufen. Die Kosten für die Wiederverwendung sinken jedoch, und auch die anderen Probleme können gelöst werden - beides durch Batterieanalytik.

  • Der Batteriestatus kann auf der Grundlage historischer Daten bestimmt werden, und die Kosten für die Wiederverwendung, die größtenteils aus Prüfstandstests und den damit verbundenen Logistikkosten für den Transport der Batterien von A (1. Lebenszyklus) nach B (Testeinrichtung) nach C (Montage des 2. Lebenszyklus) bestehen, können minimiert werden. Die historischen Batteriedaten können verwendet werden, um einen präzisen SoH-Wert zu ermitteln, so dass physische Tests vermieden werden können und die Wiederverwendungskosten erheblich gesenkt werden.
  • Alle regulären Optimierungen der Energiespeicherung, die zuvor diskutiert wurden, gelten auch für 2nd-Life-Batterien. Die Einbeziehung von Batterieanalytik, möglicherweise in Kombination mit einer verlängerten Garantie, kann die Rentabilität von Projekten mit 2nd-Life-Batterien erhöhen.

Batterieanalytik bietet Dienste gemeinsame mit Drittanbietern

Als neutrale Instanz und Anbieter von prädiktiver Batterieanalytik schafft TWAICE Vertrauen und bildet die Basis für Partnerschaften, z. B. mit Munich RE bei Versicherungsdienstleistungen und mit dem TÜV bei Restwertermittlungen und Zertifizierungen.

Batterieanalytik ist das entscheidende Unterscheidungsmerkmal

Es gibt ein großes ungenutztes Potenzial. In einem Markt mit steigenden Volumina, sinkenden Preisen und einer zunehmenden Konsolidierung hat dies - wenig überraschend - zu einem starken Wettbewerb geführt, und es gibt immer noch viele neue Akteure, die versuchen, in diesem dynamisch wachsenden und sich entwickelnden Markt Fuß zu fassen. Eine wettbewerbsfähige Preisgestaltung ist zu einer notwendigen Voraussetzung geworden, um auf einem Markt zu bestehen, auf dem es sowohl mächtige Anbieter (Batterie- und PCS-Hersteller) als auch mächtige Kunden (Versorgungsunternehmen und IPPs mit immer größeren Pipelines) gibt. Natürlich werden die Integratoren versuchen, sich mit innovativen Produkten und zusätzlichen Lösungen von der Konkurrenz abzuheben - und sie werden versuchen, sich stärker vertikal zu integrieren.

Die sieben größten Akteure des Jahres 2021, auf die rund zwei Drittel der integrierten Kapazität im Jahr 2021 entfallen (im Vergleich zu rund 30 % zwischen 2016 und 2019), sind ein klares Indiz für eine anhaltende Marktkonsolidierung (BNEF: Energy Storage System Providers 2021). Dennoch versuchen aufgrund des hier beschriebenen dynamischen Wachstums immer wieder neue Akteure, sich auf dem Markt zu etablieren, um ihr Stück vom Kuchen zu bekommen. Um ihre Position zu sichern, erweitern die etablierten Unternehmen ihr Produktportfolio. Während vor einigen Jahren noch die physikalische Systemintegration im Vordergrund stand, bieten die meisten neben der mittlerweile fast zum Marktstandard gewordenen Energiemanagementsystem-Software (EMS) auch Software für das Batteriemanagementsystem (BMS) an, und einige bieten sogar Software für den Energiehandel. Auch O&M-Dienstleistungen und EPC (Engineering, Procurement, Construction) gehören inzwischen zum Standardportfolio. Dies ist notwendig, da diese Akteure von den Anbietern unter Druck gesetzt werden, nicht nur in Bezug auf die Preisgestaltung und die Mindestabnahmemengen, sondern auch aufgrund der Bestrebungen der Anbieter, ihre vorgelagerten Aktivitäten zu verstärken. Darüber hinaus gibt es auch eine nachgelagerte Integration durch Solar- und Batterieprojektentwickler, die ihre Systemintegrationsfähigkeiten verbessern, um direkt von Komponentenlieferanten zu beziehen, d.h. die Zwischenhändler zu überspringen.

Die Batterieanalytik wird zunehmend als Schlüssel zu mehr Marktzugkraft und höherer Rentabilität erkannt. Durch die Verbesserung der Transparenz der Projekte, für die noch Gewährleistungsverpflichtungen bestehen, oder durch die Förderung des Serviceangebots für Speicherbesitzer und -betreiber können sich die Nutzer vom Wettbewerb abheben.

Abschließend noch ein Wort aus der Sicht des Softwareanbieters: Es ist viel einfacher - und für den Kunden billiger -, sich in einer frühen Projektphase an den Speicher anzuschließen und die Datenqualität zu beeinflussen, als die Lösung in ein bestehendes Projekt einzubauen.

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27. August, 10:00 Uhr (ET) | 16:00 Uhr (CET)
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