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BATTERIEANALYTIK: DER WENDEPUNKT DER ENERGIESPEICHERUNG

Batteriespeichersysteme sind sowohl wesentliche Bestandteile des Energiesektors, als auch komplexe Systeme, die besondere Aufmerksamkeit erfordern. Für Batteriebetreiber ist das primäre Ziel, die größtmögliche Effizienz aus einem Speichersystem herauszuholen, ohne dabei ein zusätzliches Risiko einzugehen. Hier kommt die Batterieanalytik ins Spiel.

Aufblühender Markt

Weltweit sind aktuell mehr als 25 GWh an stationären Batteriespeichern installiert. Allerdings wird diese Zahl schnell und deutlich ansteigen, denn Batteriespeichersysteme sind der optimale Weg, um die Herausforderungen der Energiewende zu bewältigen. Anders als die meisten Kraftwerkstechnologien sind Batterien nicht nur in der Lage Energie zu liefern, sondern diese auch innerhalb von Millisekunden zu speichern. Dadurch eignen sie sich für eine Vielzahl von Anwendungsfällen, sowohl Front-of-the-Meter als auch Behind-the-Meter. Darüber hinaus machen die immer weiter sinkenden Batteriepreise Investitionen immer attraktiver. Die Kombination dieser Faktoren bilden einen Boom bei Batteriespeichern, die Schätzungen zufolge bis 2030 eine installierte Kapazität von 900 GWh erreichen werden (BNEF).

Viele der verschiedenen Marktteilnehmer wie Systemintegratoren, Asset Owner, aber auch Partner und Finanzdienstleister, sehen das größte Hindernis bei Batterieprojekten bei zu hohen technischen Risiken in Verbindung mit den Marktherausforderungen und einem die sich ständig ändernden regulatorischen Umfeld. Marktrisiken beinhalten stark schwankende Preise, während neue Vorschriften ein Geschäftsmodell zerstören (oder es manchmal auch in die Höhe treiben) können. Ein Beispiel für einen intersanten Business Case ist Kalifornien. Hier wurde das Marktrisiko so gut wie ausgeschlossen, da die Einnahmen der meisten Projekte durch langfristige Stromabnahmeverträge (PPA) gesichert wurden. Folglich sind Projekte mit Hunderten von MWh keine Seltenheit mehr. Jede Veränderung, egal ob positiv oder negativ, aber auch jedes Batteriespeicherprojekt im Allgemeinen, erfordert eine sorgfältige Bewertung der Auswirkungen, auf die Nutzung der Batterie.

Herausfordernde technische Risiken

Batterien sind hochkomplexe elektro-chemische Systeme und bringen daher einige technische Herausforderungen mit sich. Für ein allgemeines Verständnis, werden im Folgendem ein paar Fakten festgehalten:

  • Batteriespeicher sind im Allgemeinen eine sehr sichere und zuverlässige Technologie, wie allerdings jedes andere technische System, können Batteriezellen oder Komponente auch versagen. Die Folgen hängen stark von der Schwere und der Reaktion ab. Im besten Fall erleidet die Batterieleistung eine moderate Reduktion oder eine ungeplante Wartung. Im schlimmsten Fall hingegen, wenn die Probleme nicht sofort behoben werden oder eine wesentliche Komponente ohne Vorwarnung ausfällt, sind sehr aufwändige Reparaturen zu erwarten. Ein extremes Beispiel ist ein Batterielagerbrand, wie 2018 in Korea und 2019 in Arizona. Beide erzielten eine riesige Medienwirksamkeit. Allerdings beläuft sich die Wahrscheinlichtkeit für solch eine Desaster auf unter 1:1,000,000. Sollte solch ein Brand aber tatsächlich auftreten, so handelt es sich um eine große Katastrophe.
  • Ausfallzeiten sind ein technisches Risiko, das sich direkt in finanzielle Risiken umsetzt. Selbst wenn Ausfallzeiten auf den ersten Blick nicht dramatisch erscheinen, so hängen bestimmte Anwendungen von der Verfügbarkeit einer Batterie ab. Fällt Strom aus, obwohl er benötigt wird, so drohen Vertragsverletzungen, oder einfach ausgedrückt: eine hohe Rechnung. Aus diesem Grund können Energiekonzepte, die Batteriespeicher beinhalten, bis zu 90% der Stromrechung eines Unternehmens einsparen (EM-Power Europe 2021) – sollte der Speicher während des Hochbetriebes ausfallen.
  • In einem fortgeschrittenen Stadium der Batterielebensdauer besteht die Gefahr, dass die Leistungs- oder Kapazitätsanforderungen nicht mehr erfüllt werden können. Dies führt zum Ausschluss von bestimmten Märkten und Anwendungsfällen, birgt aber auch das Risiko unerwarteter Strafzahlungen.

Bestehende Garantien können diese Probleme nur teilweise lösen oder werden unerschwinglich teuer, da der Versicherer das Risiko nicht einschätzen kann. Zusammengefasst bringen Batterien zahlreiche Chancen mit sich, allerdings auch hohe, jedoch überschaubare Risiken.

Batteriealterung- und analytik

Batterieanalytik bedeutet, mit Hilfe von Software, die meiste Leistung aus der Batterie abzurufen und zwar nicht nur während des eigentlichen Betriebes, sondern auch bei der Auswahl der richtigen Batteriezellen oder dem Design des Gesamtsystems. Vorerst legen wir den Schwerpunkt auf die Möglichkeiten zur Optimierung des Betriebs von Batteriespeichern.

Warum ist Batterianalytik so wichtig?

Batteriedegradation, auch unter dem Synonym der Alterung bekannt, hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistung der gesamten Lebensdauer. Im Laufe der Zeit werden zwei wesentliche Effekte sichtbar: Der Kapazitätsabfall und die Erhöhung des Widerstands, was zu einer geringeren verfügbaren Energie und Leistung führt. Die allgemeinen Kapazitäten werden häufig in einem KPI gemessen, dem State of Health (SoH). Dieses Alterungsverhalten und der Gesundheitszustand werden von zahlreichen Faktoren bestimmt und können sich von einem Batteriesystem zum anderen unterscheiden. Zwei Batterien mit 90% SoH können eine sehr unterschiedliche Restnutzungsdauer besitzen, je nachdem, wie sie vorher behandelt wurden. Lassen Sie uns einige Faktoren vergleichen:

  1. Temperatur: Die Wärme hat einen sehr großen Einfluss, allerdings können je nach Anwendung und chemischer Zelle unterschiedliche Temperaturbereiche auch von Vorteil sein. Faustformel: Wenn die Batterie im Leerlauf ist, verhindern niedrige Temperaturen eine zu starke kalendarische Alterung (d. h. die Alterung, die ohne Gebrauch, nur durch Zeit stattfindet), während mäßig warme Temperaturen (z. B. 30°C) die beste Option für starke Zyklen sind.
  2. C-Rate: Für verschiedene Anwendungsfälle werden auch verschiedene Batterietypen gebraucht. Im Allgemeinen haben höhere C-Raten tendenziell einen größeren Einfluss auf die Alterung als niedrigere C-Raten.
  3. (Durchschnitts-) State of Charge (SoC): Es ist zwar wünschenswert viel Energie zur Verfügung zu haben, allerdings können in manchen Fällen höhere durchschnittliche SoCs die Alterung beschleunigen. Zu niedrige SoCs können hingegen den Business Case gefährden, da nicht genügend Energie abrufbar ist. Zu niedrige SoCs sollten immer durch Batteriemanagementsysteme verhindert werden.
  4. Entladungstiefe (Depth of Discharge, DoD): Dies bezieht sich auf die Energiemenge, die dem Speicher zu einem bestimmten Zeitpunkt entnommen wird. Eine Batterie die sich von 80% auf 35% entlädt, entspricht einen DoD von 45%. In der Regel sind niedrigere DoDs von Vorteil, wobei fünf Teilzyklen von 20 % weniger schädlich sind als ein voller Zyklus. Somit haben 10 Zyklen im Energiehandel eine größere Auswirkung auf die Batteriedegradation als 10 Zyklen bei Primärregelleistung.

In der Realität schaut es allerdings komplizierter aus. Jeder Batterietyp reagiert auf jeden Stressfaktor sehr unterschiedlich. Und wenn zu vorsichtig mit den verschiedenen Stressfaktoren umgegangen wird, um eine Degradation der Batterie zu verhindern, wird eine Menge Potenzial verschenkt.
Warum also nicht von Anfang an viel mehr Kapazität in den Speicher (auch Oversizing oder Overstacking genannt) reinbauen? Zunächst weil die anfänglichen Investitionskosten damit in die Höhe schießen und somit Ihr Geschäftsmodell ruinieren werden. Die meisten Nutzer werden versuchen, so viel Speicherplatz wie möglich zu nutzen. Das führt zum nächsten Punkt: Während vor ein paar Jahren die Optimierung für einen bestimmten Anwendungsfall im Voraus eine gute Idee zu scheinen mochte, sind die Anwendungsfälle seitdem viel komplexer geworden. Mehrfach-Nutzungsstrategien, oder ein Wechsel der Betriebsstrategie sind für eine hohe Rentabilität unumgänglich. Als Resultat hat die Dimensionierung des Systems zu Beginn an, an Bedeutng verloren. Die Einspeiseplanung erfolgt kontinuierlich, was neue Erkenntnisse über die aktuellen Batteriekapazitäten und die Auswirkungen verschiedener Betriebsstrategien auf die Batterie erfordert.


TWAICE-Cloud-Platform
Die TWAICE Cloud-Analytikplattform

Die TWAICE Cloud-Analytikplattform 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 machine learnings 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.


Mit Batterieanalytik levelized costs of storage senken

Jeder Erwerber eines Batteriesystems möchte eine garantierte Leistung. Deshalb ist es wichtig, dass Hersteller und Integratoren solcher Systeme, die bestmögliche Garantie anbieten. Die Verfolgung und Simulation der Auswirkungen auf die Leistung und die entsprechende Garantie ist der Schlüssel zur Erschließung dieses Potenzials.

Integratoren stehen vor der Herausforderung, Garantien mehrerer Lieferanten zu einer Systemgarantie für ihre Kunden zu kombinieren. Dazu gehören auch mehrere Leistungsgarantien, die von Kapazitätsleistung bis zur Verfügbarkeitsleistung gehen und oft sogar eine Garantie für maximale Effizienzverluste umfassen. Um einen Überblick über ihre Leistungsgarantien zu haben, müssen Integratoren Daten sammeln, manuelle Analysen durchführen und ihren Kunden die Leistung und den Garantiestatus kommunizieren. Im Falle eines Garantieanspruchs, müssen die vereinbarten Bedingungen wiederhergestellt und die Reklamation an den Zelllieferanten weitergeleitet werden. Die Komplexität steigt mit der Vielfalt der eingehenden und ausgehenden Garantien.

Zusätzlich zu den strategischen Überlegungen, hat ein Überwachungstool, das mit Analytik ergänzt ist, auch operative Vorteile. Betriebs- und Wartungsteams profitieren von einer genaueren Datenanalyse in Echtzeit z. B. könnten fehlerhafte oder gealterte Module identifiziert und vom Serviceteam ausgetauscht werden.

Allerdings gibt es noch eine weitere Herausforderung, die gelöst werden kann. Heutzutage ist es für Integratoren schwierig, im Falle einer neuen Betriebsstrategie wegen der unbekannten Auswirkungen auf die Leistung, die Garantiebedingungen neu zu verhandeln. Die erforderliche Transparenz und Vorhersagbarkeit kann durch vorausschauende Batterieanalytik, die die Auswirkungen auf die Systemleistung sowie auf die Garantiebedingungen simuliert, erhöht werden.

Geringe Rentabilität und lange Amortisationszeiten sind zwei der Hauptherausforderungen, mit denen Eigentümer bei Planung und Betrieb ihrer Batteriespeicherprojekte konfrontiert sind. Die Energiepreise sind schwankend und unvorhersehbar und das regulatorische Umfeld unterscheidet sich international und sogar innerhalb eines Landes. Zum Beispiel hat der deutsche Markt für Primärfrequenzgang (PFR) in den letzten Jahren einen erheblichen Preisverfall erfahren. Um die Rentabilität wiederherzustellen, erwägen viele Anlagenbesitzer, ihre Betriebsstrategie anzupassen oder an einer Mehrzweckbetriebsstrategie zu arbeiten. Allerdings, erschwert das komplexe Alterungsverhalten von Batterien die Optimierung und die Auswahl der profitabelsten Strategie. Eine kontinuierliche Nutzung der Batterieanalytik kann für Kunden in vielfältiger Weise einen Mehrwert 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 den erwarteten Ertrag und die Batterielebensdauer in Einklang zu bringen und die Gesamtrendite der Investition zu erhöhen – vor und während des Betriebs.
  • Beim kommerziellen Betrieb eines Speichers kann eine Abschätzung der tatsächlichen Kosten der Alterung pro Zyklus und Energiemenge in die Marktoptimierungssoftware und Preisplanung einbezogen werden – täglich oder bei Bedarf auch häufiger. Dies steigert die Rentabilität.
  • Außerdem kann der Eigentümer sicher sein, dass der Speicher während der gesamten geplanten Laufzeit für die gewählten Strategie genutzt werden kann. Das Risiko eines vorzeitigen Speicherausfalls wird minimiert, da präventiv Gegenmaßnahmen ergriffen werden können.

Batterien ein zweites Leben geben – Analytik als Motor für Second Life-Anwendungen

Die Zweitverwendung 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 erreichen zu können. Daher glauben diese nicht an die wirtschaftliche Rentabilität oder Plausibilität von 2nd-Life Anwendungen und bevorzugen Recycling anstelle der Wiederverwendung.

Andere Experten wiederum zweifeln an der Option gebrauchte Batterien zu recyclen, solange sie noch in einem guten Zustand sind und sind der Meinung, dass diese in anderen Anwendungen einen größeren Mehrwert schaffen können.

Die Herausforderung wird immer darin bestehen, am effizientesten diejenigen Batterien auszuwählen, die noch für 2nd-Life-Anwendungen geeignet sind. Folglich muss eine ökonomische und ökologische Bewertung im Hinblick auf den potenziellen Nutzen des Second-Lifes, im Vergleich zu Alternativen erfolgen. Der Schlüssel hierfür ist eine effiziente Bewertung des Zustands der Batterie, genauso wie von der zu erwartenden Leistung bei einer möglichen Second-Life Anwendung. Batterieanalytik auf Basis bereits bestehender Daten ist die Lösung.

In Anbetracht der hohen Wiederverwendungskosten in Verbindung mit der geringeren Rentabilität der meisten Second-Life Batterien gibt es derzeit wenig Anreize, eine gebrauchte Batterie zu erwerben. Allerdings sinken die Kosten der Wiederverwendung und die weiteren Probleme können ebenfalls beseitigen werden – beides dank Batterieanalytik.

  • Der Batteriestatus kann durch historische Daten der Batterie festgestellt werden. Damit gehen jedoch Aufbereitungskosten einher: größtenteils bestehen diese aus Prüfstandtests und den damit verbundenen Logistikkosten für den Transport der Batterien von A (1st Life Betrieb) nach B (Testanlage) nach C (Montage von 2nd-Life-Lagerung). Durch Batterieanalytik können diese minimiert werden. Die historischen Batteriedaten können verwendet werden, um einen genauen SoH-Wert zu ermitteln, so dass physische Tests vermieden werden können und die Kosten für die Wiederverwendung erheblich gesenkt werden.
  • Alle gängigen Optimierungen der Energiespeicherung, die zuvor diskutiert wurden, gelten auch für 2nd-Life-Batterien. Die Einbeziehung der Batterieanalytik, möglicherweise in Kombination mit einer verlängerten Garantie, kann die Finanzierbarkeit von Projekten mit 2nd-Life-Batterien erhöhen.


Batterieanalytik ermöglicht gemeinsame Dienstleistungen mit Drittparteien

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 als wesentliches Unterscheidungsmerkmal

In einem Markt mit steigenden Volumen, sinkenden Preisen und einer zunehmenden Konsolidierung, existiert eine Menge unerschlossenes Potenzial. Eine wettbewerbsfähige Preisgestaltung ist eine notwendige Voraussetzung, um in einem Markt zu bestehen, in dem es sowohl einflussreiche Anbieter (Batterie- und PCS-Hersteller) als auch einflussreiche Kunden (Energieversorger und IPPs mit immer größeren Pipelines) gibt. Natürlich werden Integratoren versuchen, sich mit innovativen Produkten und ergänzenden Lösungen von der Konkurrenz abzuheben – und sie werden versuchen, sich vertikal stärker 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: Anbieter von Energiespeichersystemen 2021). Aufgrund des hier beschriebenen dynamischen Wachstums versuchen jedoch immer wieder neue Akteure, sich auf dem Markt zu etablieren, um ihren Teil vom Kuchen zu bekommen. Um ihre Position zu sichern, erweitern etablierte Unternehmen daher ihr Produktportfolio. Während noch vor einigen Jahren die physische Systemintegration im Vordergrund stand, bieten die meisten – neben der inzwischen fast zum Marktstandard gewordenen Software für Energiemanagementsysteme- sogar eine Software für den Energiehandel an. Auch O&M-Dienste und EPC (Engineering, Procurement, Construction) gehören jetzt 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 bezogen zu werden, d. h. die Zwischenhändler zu überspringen.

Die Batterieanalytik wird zunehmend als Schlüssel für mehr Marktzugkraft und höherer Rentabilität erkannt. Mehr Transparenz bei Projekten, für die noch Gewährleistungsverpflichtungen laufen, oder die Ausrichtung des Dienstleistungsangebots auf Eigentümer und Betreiber von Speichern, ermöglicht es Nutzern, sich vom Wettbewerb zu unterscheiden.

Zum Schluss noch ein Wort aus Sicht des Softwareanbieters: Es ist viel einfacher – und für den Kunden viel kosteneffizienter sich in einer frühen Projektphase an den Speicher anzuschließen und die Datenqualität in einer frühen Projektphase zu beeinflussen, als die Lösung in einer bestehenden Projektkonfiguration nachzurüsten.

Über TWAICE

TWAICE bietet prädiktive Analytiksoftware die sowohl die Entwicklung als auch den Betrieb von Lithium-Ionen-Batterien optimiert. Die Kerntechnologie von TWAICE ist der digitale Zwilling – eine Software, die mit Hilfe von künstlicher Intelligenz den Batteriezustand bestimmt und die Alterung sowie Leistung prognostiziert. Dies ermöglicht es, komplexe Batteriesysteme effizienter, nachhaltiger und zuverlässiger zu machen. Als führender Anbieter von Batterie-Analytiksoftware für globale Unternehmen des Mobilitäts- und Energiesektors, erhöht TWAICE die Lebensdauer, Effizienz und Nachhaltigkeit von Produkten, die die Wirtschaft von morgen vorantreiben.

Pressekontakt & -informationen:
Anna Lossmann | press@twaice.com | www.twaice.com/presse


Autor: TWAICE

Veröffentlicht: 10. Mai 2022

Ort: München