Energilagring lägesöversikt, nyheter och trender

Energilagring lägesöversikt, nyheter och trender Rapport från Intelec 2010, 6-10 juni Orlando, Florida Carl Johan Rydh SAFT AB 1

Vem är Carl Johan Rydh? 2004: Doktorsavhandling vid Chalmers: Miljöbedömning av batterisystem 2004-2010: Utvecklingsingenjör vid batterifabriken SAFT AB, Oskarshamn. Chef för Produktlaboratoriet för batteritestning 2011- : Chef för Batteritestcentrum vid ETC Battery and FuelCells Sweden AB i Nol. www.etcab.se Batteritestning och batteriutveckling 2

Vad gör SAFT AB, Oskarshamn? 1899: Waldemar Jungner fick patent på NiCd och NiFe batteriet (fickplattstyp) 1916: NIFE Jungner startade tillverkning av industriella NiCd batterier i Oskarshamn 1991: NIFE köptes av SAFT koncernen 2010: SAFT AB Oskarshamn omsatte 1000 MSEK Industriella NiCd batterier används vid extrema temperaturer och 99% exporteras 3

Var används energilagring? 1 VRLA Applikation: Telekom basstation Funktion: Reservkraft vid bortfall av nätspänning Teknologi: Blybatteri VRLA 190 Ah (Valve Regulated Lead Acid) Antal celler: 4 st serie x 12V block. 3 parallella strängar. Batterispänning (VDC): 48 Effekt (kw): 5 Minimum urladdningstid (h): 4 Kapacitet (kwh): > 28 Källa: TeliaSonera 4

Var används energilagring? 2 NiCd Applikation: Telekom (USA) Funktion: Reservkraft vid bortfall av nätspänning Teknologi: TelX 180 NiCd Sinter/PBE Antal celler: 38 Batterispänning (VDC): 48 Effekt (kw): 7.2 Minimum urladdningstid (h): 1 Kapacitet (kwh): > 8.6 Källa: SAFT 5

Var används energilagring? 3 Litium Applikation: Telekom basstation Funktion: Reservkraft vid bortfall av nätspänning Teknologi: Li-jon, SAFT Intensium Antal celler: 14 celler Batterispänning (VDC): 48 Effekt (kw): 0.3 (Pmax= 4 kw) Minimum urladdningstid (min): 30 Kapacitet (kwh): 0.35 Källa: SAFT 6

Var används energilagring? 4 Bränsleceller Applikation: Telekom basstation Funktion: Reservkraft vid bortfall av nätspänning Teknologi: Bränslecell (direkt vätgas) Antal celler: 1 resp. 2 stackar Utspänning (VDC): 48 Effekt (kw): 5 resp. 3 Minimum urladdningstid (h): 12 resp. 10 Kapacitet (kwh): 60 resp. 30 Källa: TeliaSonera som har 7 demoanläggningar i Sverige 7

Frågor 1. Vilka är marknaderna och drivkrafterna? 2. Vilka teknologier används för energilagring? 3. Vilken är utvecklingsstatusen för olika teknologier? 3 föredrag om blybatterier 1 föredrag om nickel-kadmium 1 föredrag om nickel-järn 2 föredrag om litium-jon 4 föredrag om bränsleceller Utställning och seminarium 8

Vilka jobbar med energilagring i telekombranschen (-48 VDC)? Komponenttillverkare Batterier C&D EnerSys (Oerlikon) Exide GNB NorthStar SAFT Varta Bränsleceller Cellkraft (SE) CommScope Hydrogenics IdaTech ReliOn Systembyggare Användare Telekom Telekom & IT Eltel Networks Banverket Ericsson Telenor Huawei Tele 2 Motorola Solutions TeliaSonera Nokia-Siemens Network Teracom Relacom TRE 3 Energisystem USA: AT&T Delta USA: Verizon Eltek Valere Datahallar Eltel Networks Interexon (Emerson) Telecity NorthStar SiteTel IT kunder Relacom Stadsnät Vattenfall Bredband EON Vattenfall Beredskapsmyndigheten (Rakel) 9

Vilka är drivkrafterna inom energilagring? Hög driftsäkerhet Beprövade teknologier dominerar (bly och NiCd) Ny teknik bör kunna passa in i befintliga system för blybatterier Högre energitäthet ställer högre krav på säkerhet Kontroll på laddnings- och hälsotillstånd Kostnadseffektivitet Ökad energitäthet minskar den fysiska storleken Högre kostnad för ny teknik men ger besparingar i utrymme och hantering Energieffektivitet & miljö 15-50% av energianvändning i telekom åtgår till kylning Högre miljökrav och ökande energikostnader Teknologiutveckling Batterier till elbilar/ hybrider & bärbar elektronik driver på (litiumjon, bipolära celler, blygrafit) Mobila smarta funktioner i nya telekomnät- always onlinesammanslagning av olika nät (WIFI-2G-3G-4G-ADSL) Höjd drifttemperatur för elektronik >22 C 10

Vilka specifikationer är viktiga för energilagring? Underhållsbehov och driftsäkerhet Enkelt handhavande Livslängd Lagringstid före drifttagning Underhållsladdning Partiell urladdning Cykling med djupa urladdningar Temperaturstabilitet -20 C till 50 C Lagringskapacitet (kwh) Effekt (kw) Energitäthet (Wh/kg, Wh/l) Volym och viktbegränsningar Spänningsfönster (V) Energieffektivitet 11

Frågor 1. Vilka är marknaderna och drivkrafterna? 2. Vilka teknologier används för energilagring? 3. Vilken är utvecklingsstatusen för olika teknologier? 12

Vilka teknologier används för energilagring? Global marknad för olika teknologier för reservkraft Bly 85% NiCd 15% Övrigt: demonstration NaS 13

Frågor 1. Vilka är marknaderna och drivkrafterna? 2. Vilka teknologier används för energilagring? 3. Vilken är utvecklingsstatusen för olika teknologier? Blybatterier (ventilreglerade, avancerade) Nickel-kadmium batterier Litiumbatterier Övriga batterier Bränsleceller 14

Vilka typer av blybatterier används i telekom? Ventilreglerade (VRLA- Valve Regulated Lead Acid) Tryckventil Elektrolyt: AGM- Absorbed Glass Mat eller GEL Separator= filt mellan elektroderna sänker vattenförbrukningen Utveckling av GS Yuasa: Ti-VRLA. Livslängd: hålladdning 3 x än standard. Cykling= 7000 cykler Avancerade Bly och grafit ger kondensatoreffekt 3 föredrag blybatterier 8.1: Felorsaker och underhåll av batterier 8.2: Ersättning av 2V celler med 12V block 8.3 Hälsokontroll genom konduktansmätning sänker kostnaderna 15

VRLA Battery System Reliability and Proactive Maintenance Föredrag Session 8.1, Energy storage 2 X Liu, W Wang, CITC Bakgrund Analys av felorsaker i ventilreglerade blybatterier (VRLA) och förslag till underhåll Felorsaker: hög temperatur, urladdningsdjup, ej anpassad laddningsspänning, installationsfel Månadskontroll: visuell, temperatur, system laddningsspänningar och ström, AC rippel spänning & ström Kvartalskontroll på cellnivå: spänning, temperatur, inre resistans Slutsatser Regelbundet förebyggande underhåll säkerställer funktionen av blybatterier 30 C 40 C 50 C 16

Application of Front Terminal VRLA Batteries in Base Stations - A Study by a Global Telecom Operator Föredrag Session 8.2, Energy storage 2 J Gao, L Yu, China mobile communications Group Bakgrund VRLA: Ersättning av 2 V celler med 12 V block i basstationer 12 V block: tillverkas i kapaciteter 35-180 Ah. Frontanslutning. Behov i basstationer: 48 V. 300 Ah= 2 x 150 Ah block 12 V block= 34 Wh/kg vs. 2 V cell= 25 Wh/kg 12 V block= 86 Wh/l vs. 2 V cell= 53 Wh/l 12 V block= yta 0.47 m 2 vs. 2 V cell= 1.0 m 2 Slutsatser Elektriska egenskaper och kvalitet likvärdiga China Mobile inför 12 V block i nya installationer 17

Ohmic Battery Testing in Indian Telecommunication Networks Föredrag Session 8.3: Energy storage 2 TJ Stukenberg, Midtronics, T Gopal, HBL Power Systems Ltd Bakgrund Urladdning djupt och ofta av batterierna kan leda till tidiga fel Bestämning av hälsotillstånd i blybatterier med konduktansmätning Sänker kostnaderna för hälsokontroll av batterier Slutsatser Korrelation konduktans vs. absolut kapacitet > 90% Korrelation konduktans vs. laddningstillstånd (SOC) = 65-80% Praktisk kontroll: konduktansmätning identifierade 41-53% av de svaga cellerna i batteristrängar Mål: batteridata skickas till en central server för batteriövervakning Kommentar: TeliaSonera jobbar endast med kapacitetsprovning för exakt bestämning 18

Vilken är statusen för avancerade blybatterier? Negativ elektrod: svampbly med 2% grafit ger kondensatoreffekt. Kompression av elektroderna. 4 x längre cykellivslängd än startbatterier Furukawa batteri & East Penn: Ultrabattery Firefly (stöd av C&D) i konkurs Bly-grafit Axion Power: PbC 40% mindre bly än i standard blybatterier 19

Passing the 10-Year Mark- Multi-Year, Multi- Technology Analysis of Ni-Cd Field Data Föredrag Session 2.3: Energy storage 1 S Lansberg, R Boulais, A Brenier, SAFT Bakgrund Analys av 5-11 års drift av 20 telekom siter med NiCd batterier Batterityper: 18 st NCX 60 Wh/l. Underhållsfri 2 st Tel X 95 Wh/l Analys av kapacitet, vattenförbrukning mm Slutsatser 4 olika klasser av urladdningskurvor beroende på historia Behov av vattenpåfyllning: NCX >7 år. Tel.X. >14 år 89-111% av märkkapaciteten efter 6-10 år Beräknad livslängd (80% av märkkapacitet) i okontrollerad miljö 40 C, ca 14 år 20

Vilken är utvecklingsstatusen för litiumbatterier? Egenskaper Hög energitäthet 100-180 Wh/kg Kräver elektronik för övervakning av laddning & urladdning (Battery Management System- BMS) Inbyggd säkring Hög kostnad 5-6 x blybatteri Nya celltyper SAFT: Evolion 48 V (80 Ah) modul för telekom. Produktion i Jacksonville, Florida Blybatteritillverkare jobbar med Li utveckling: WETAC (LiFePO4) 2 presentationer vid Intelec Session 2.1: Erfarenheter vid användning av Li-batterier i blybatterisystem Session 2.2: Egenskaper av Li-batterier vid användning i blybatterisystem 21

Lessons Learned in the Coordination of Lithium- Ion Battery Charging and Control Föredrag Session 2.1, Energy storage 1 MacDowell, J, Fleureau, P, SAFT US & FR Bakgrund Vid ökat batteribehov kan Li-jon (mindre platskrävande) kopplas parallellt med blybatteriet Applikation i telekombunker i USA pga platsbrist Li-jon batterier komplext med elektronisk övervakning och inbyggd säkring Driftfall Li-jon: sleep, recharge, float, discharge 22

Lessons Learned in the Coordination of Lithium- Ion Battery Charging and Control (2/ 2) Exempel integrationsproblem Likriktare med mjukvarustyrd strömbegränsning hindrade övergång från konstantströmsladdning till hålladdning Hög DC rippelspänning orsakade urkoppling av batteriet vid batteriets mjukvarustyrda säkerhetkontroll Laddaren behöver en minimum batterispänning för att kopplas in. Lijon behöver en laddspänning för att gå ur sleep mode Parallella strängar: Urladdning: En cell med låg spänning kopplade automatiskt ur 1 av 4 batteristrängar. Vid omkoppling till laddning stängdes 3 strängar av pga hög laddspänning från sträng 1. Slutsatser Behov av standardiserade protokoll för kommunikation mellan batteri och laddare baserat på CAN och definierat i (ex Telcordia GR-3150) 23

Design Considerations for a Lithium Ion Energy Storage System Föredrag Session 2.2: Energy storage 1 Anderson J, Frankhouser J, Boyer D. C&D Technologies, USA Bakgrund Jämför olika parametrar för Li- och blybatterier Fysiska storlekar: Cylindrisk D= 18 mm, l=65 mm. Prismatisk Laddningspänning: +0.1V kan reducera livslängden med 44% vid 60 C Temperatur: Litiumbatterier ger högre kapacitet än bly vid sjunkande temperatur. Laddning skall ske vid T>0 C Lagring: SOC 50%. Sleep mode för att minska elförbrukningen av övervakningselektronik Li har en flack urladdningskurva: kräver beräkning av frånkoppling för att undvika djupurladdning Slutsatser Parallell drift bly och Li: hög ström kan leda till bortkoppling av Li 24

Källor Vilken är utvecklingsstatusen för övriga batterier? Seminarium Dr Subhas Chalasani 2010 Utställning Intelec 2010 Nickel-järn Session 2.4: Ett föredrag på Intelec Hög självurladdning (-1%/dag) & korrosion Stort spänningsfönster Nickel-metallhydrid Hög självurladdning Hög temperatur ger låg kapacitet och kort livslängd Liten marknad, dyrare är NiCd Används mest i portabla applikationer, järnväg och elhybrider 25

Vilken är utvecklingsstatusen för övriga batterier? (2) Flödesbatterier (redox flow) Zink brom Flow (ZnBr) Utmaningar: läckage, låg effektivitet Utveckling: ZBB Energy, Premium Power Corp Vanadium Redox Flow (VRB) Högtemperatur Utveckling: VRB i konkurs Tillverkare: Prudent Energy, V-Fuel Pty Ltd., Sumitomo Electric Industries, Cellenium Limited, RE-Fuel Technology, Cellstrom GmbH, Deeya Energy NaS (natrium svavel) Kommersiell användning NGK (Japan) 200 platser (~300 MW) NaNiCl 2 (natrium nickel klorid) Utveckling av ZEBRA batteriet har funnits för elbilar sedan 1989 Introduktion av kommersiellt 48 V (80 Ah) batteripaket för telekom Drifttemperartur= 280-340 C Zebra, FZ SoNick, www.fzsonick.com Durathon NaMX, www.geenergystorage.com 26

Nickel-Iron Battery Based Electrochemical Energy Storage Systems for Rural/Remote Area Telecommunication Föredrag Session 2.4: Energy storage 1 SA Gaffor, NED Energy. B Haripraksh, AK Shukla, Indian institute of Science Bakgrund Slutna nickel-järnceller med begränsad elektrolytmängd Negativ elektrod: Fe(OH) 2, Positiv elektrod: sintrad Ni(OH) 2 Järnelektrod självurladdar 2%/dag pga reaktion med vätgas Katalytisk ventil med platina minskar gastrycket i cellen Slutsatser Minskad självurladdning och korrosion= längre cyklingslivslängd uppmätt jämfört med cell utan katalytisk ventil Endast testat på laboratorieprototyp 6V, 1 Ah Högre självurladdning & större spänningsfönster än för NiCd Katalytisk ventil Fritt ventilerad 27

Vilken är utvecklingsstatusen för bränsleceller? Teknik 5 olika klasser baserat på temperaturområde Stacken bestämmer effekten (kw). Lagermängden vätgas eller flytande bränsle bestämmer urladdningstiden (kwh) Utmaningar Komplex teknik Dålig infrastruktur för bränsle Uppstarttid 2 s till 2 min 4 presentationer vid Intelec 2010 av tillverkare CommScope Hydrogenics IdaTech ReliOn 28

Fuel Cell Technology: An Emerging Solution for Back-Up Power to Replace or Supplement the Traditional Solutions Föredrag Session 11.1: Fuel cell R Szasz, MTS Allstream, J Lemos, Hydrogenics Bakgrund Telekomföretaget MTS Allstream Network fälttestar bränsleceller som reservkraft 4 st ReliOn T-100 & 2 st Hydrogenics 8 kw bränsleceller Slutsatser Starttid bränslecell < 2 min. Ett mindre 48V batteri driver lasten inledningsvis Drifttest: Spänning= 54 VDC, Last= 6.7 kw. Förbrukning= 0.4 kg H 2 /h. Beräknad drifttid 21 h med 9.1 kg vätgas 100% driftsäkerhet. 24 h back-up tid Utvecklingsbehov: Logistik & service för vätgasflaskor Ekonomi: bränsleceller billigare än batterier efter 3 års drift Hydrogenics Ecopower and Ecostorage 29

Advanced Fuel Cell Solution for Telecom Networks - Results from Global Field Installations Föredrag Session 11.2: Fuel cell A Trehan, CommScope Inc Bakgrund Resultat av fälttestning av CommScope bränsleceller 2x8 kw i Indien & Latinamerika Site i Indien: 235 inkopplingar under 50 dagar. 126 h drifttid för bränslecell. 16 vätgasflaskor= 128 kwh Slutsatser Logistik för vätgasflaskor OK i Indien Energiverkningsgrad modul= 55% Starttid bränslecell 90 s full till effekt Tillgänglighet: 99.999%. Pålitlighet: 99.920% per start/stop Underhållskostnad: -77% jämfört med blybatterier. Driftkostnad: -37% 30

Hydrogen Delivery and Storage Options for Backup Power and Off-Grid Primary Power Fuel Cell Systems: Two Years Later Föredrag Session 11.3: Fuel cell M Cohen, ReliOn, K P Kenny, Sprint Bakgrund ReliOn: Logistik för vätgas till bränsleceller Bränslecellsprogram i USA: 2010: 180+ platser, Mål 2011: 510 platser. NREL webportal Drivkrafter: längre drifttid, lägre kostnad, nya applikationer Leveranser: mindre lastbil eller med minigasflaskor HSM= Hydrogen Storage Module påfyllning på plats. Påfyllningstid 30 min Skåp för 8 eller 16 flaskor. 16 flaskor= 19 kg H 2 = 72 h vid 3.56 kw Slutsatser Logistik och transportsystem för vätgas har demonstrerats genom programmet 31

Advantages of Liquid Fuel Vs. Hydrogen for Backup Power Fuel Cell Systems in Telecom Applications Föredrag Session 11.4: Fuel cell R Romer, IdaTech Bakgrund IdaTech: Metanol vs. vätgas till bränsleceller Reformer omvandlar metanol till vätgas. 30% systemverkningsgrad. Funktion: förbränning av H 2 O & metanol- förångning- ångreformervätgas till bränslecell Reformer och flytande bränsle är lämpligt vid drifttid >8h Yta för 6 kwh: 86 m 2 för x st gasflaskor. 2.8 m 2 för en tank med metanol. 50 h drift 5 kw= 210 liter metanol eller 30 vätgasflaskor Slutsatser Ekonomi: 2 års återbetalningstid med metanol jämfört med gasflaskor 32

Slutsatser Vilka är marknaderna och drivkrafterna? Driftsäkerhet Kostnad Energieffektivitet Vilka teknologier används för energilagring? Batterier (blybatterier & NiCd) Bränsleceller Se översikt: www.electricitystorage.org Vilken är utvecklingsstatusen för olika teknologier? Blybatterier: från 2V celler till 12V moduler Blybatterier: bly+grafit ger kondensatoreffekt Li-jon: integration i blybatterisystem Bränsleceller: demonstration av drift och bränslelogistik 33

Sammanfattning 34