Utvärdering av solelproduktion och dimensionering av batterilager

(1)

Utvärdering av solelproduktion och dimensionering av batterilager

till Röjmyran solcellsanläggning

Lisa Smitt

Högskoleingenjör, Energiteknik 2018

Luleå tekniska universitet

Institutionen för teknikvetenskap och matematik

(2)

Förord

Den här rapporten utgör det avslutande examinationssteget för min högskoleingenjörsexamen med inriktning mot energiteknik. Arbetet omfattar 15 högskolepoäng och är utfört de 10 sista veckorna under vårterminen. Tack vare Skellefteå Krafts önskan att implementera batterilager i deras solcellsanläggning Röjmyran och vidare önskan om utvärdering av elproduktionen i samma anläggning, blev detta examensarbete möjligt att utföra.

Först och främst vill jag rikta ett extra stort tack till min handledare Daniel Eriksson, som hjälpt mig med kunskap och vägledning under projektets gång. Jag vill tacka Susanne Öhrvall och Fredrik Jonsson för förtroendet att utföra detta arbete. Vidare vill jag tacka Sune West, Gothia Solenergi, som varit till stor hjälp när frågetecken uppstått kring Solar-Log och solceller över lag. Jag vill tacka Mats Karlström, Ferroamp Elektronik, som givmilt delat med sig med sin kunskap kring batterier. Sist men inte minst vill jag tacka alla kollegor på avdelningen produktionsutveckling för det trevliga

bemötandet jag fått under mina veckor på Skellefteå Kraft.

Lisa Smitt

Luleå Tekniska Universitet, 30 maj 2018.

(3)

Sammanfattning

Skellefteå Kraft är Sveriges femte största elproducent och störst av de kommunägda kraftbolagen. Den främsta produktionen är koncentrerad i norra Sverige och den mesta energin produceras från vind- och vattenkraft. Sommaren 2017 invigde Skellefteå Kraft dess första storskaliga solcellsanläggning, Röjmyran. Solcellsanläggningen har en installerad effekt på 178,2 kW och består av 540 moduler fördelade på fastighetstaket i tre riktningar. Modulerna är seriekopplade om 31 strängar där varje sträng är kopplad till en strängoptimerare som i sin tur lagrar produktionsdata. På södra taket sitter en referenscell som mäter och lagrar globalinstrålningsdata, modultemperatur och omgivningstemperatur.

Denna referenscell är av samma teknik som solcellsmodulerna, således ska parametrarna som uppmäts motsvara samma värden som solcellsmodulerna känner av. Fastigheten är ett så kallat industrihotell, och ägs av Skellefteå Industrihus. Anläggningen är kopplad till elnätet och idag säljs all

överskottsproduktion till elnätet. Skellefteå Kraft ville ha hjälp med att dimensionera ett batterilager till Röjmyran och vidare utvärdera elproduktionen som varit sedan solcellsanläggningens driftstart, juli 2017.

Arbetet med batteridimensioneringen syftade till att undersöka de ekonomiska konsekvenserna som en implementering av ett batterilager i systemet skulle medföra i jämförelse med dagens situation utan batterilager. Batterilagret dimensionerades med hjälp av ett eget konstruerat Excelverktyg där verktyget jämförde den ekonomiska nyttan av tre olika batteritillämpningar. Ena tillämpningen som undersöktes var demand shift, som betyder att batteriet lagrar överskottsenergi för senare användning när behovet uppkommer. På så sätt kan självförsörjningen i fastigheten öka och mindre el behöver således köpas från elnätet. Den andra tillämpningen var trading, som betyder att batteriet laddar upp från elnätet under tidpunkter som elpriserna är låga, och laddar ur under tidpunkter där priserna är höga. Den tredje tillämpningen som undersöktes var peak shaving, som betyder att batteriet laddas upp under natten för att sedan ladda ur när effekten från elnätet uppgår till ett förutbestämt maxvärde. På så sätt minskar effekttopparna och således utgifterna. Arbetet avgränsades till att undersöka nyttan utifrån fastighetsägarens synvinkel då det främsta syftet för Skellefteå Kraft är att öka kunskaper och

erfarenhet med batterilager inför kommande projekt. I dimensioneringen undersöktes olika

batteritekniker från tre olika fabrikat, med varierande egenskaper och kostnader. Resultatet visade att det var ett nickelmetallhydridbatteri från Nilar, med en kapacitet på 32,4 kWh lagringskapacitet, som gav det högsta nuvärdet.

Vidare utvärderades produktionen från två perspektiv, dels genom att undersöka hur strängarna producerat under de månaderna som anläggningen varit i drift och dels genom att beräkna den teoretiska produktionen utifrån globalinstrålningen som varit i anläggningen och jämföra med den verkliga produktionen. Resultatet från strängutvärderingen visade att produktionen under juli och augusti varierade relativt mycket mellan strängarna. Under september och oktober producerade anläggningen likvärdigt i respektive riktning och under november föll snön, vilket ledde till

nollproduktion till mitten av april då snön försvann. Att strängproduktionen varierade relativt mycket under juli och augusti kan bero på att anläggningen precis hade sats i drift, vilket kan ha gett upphov till små driftstopp och omstarter av systemet.

Vidare undersöktes huruvida anläggningen producerat enligt vad den teoretiskt sett borde ha gjort, med hänsyn till globalinstrålningen som varit i anläggningen. Det var tyvärr bara möjligt att exportera globalinstrålningsdata för 30 dagar bakåt i tiden, vilket ledde till en avgränsad tid för utvärderingen.

Referenscellen var placerad på södra takhalvan, vilket avgränsade utredningen till att bara undersöka hur modulerna på södra taket producerat. Resultatet visade att många större fel inträffat under dessa 30 dagar. Uppdateringar av växelriktaren, filtermontage, säkringar som utlöstes och effektreducering var

(4)

anledningar till de stora förlusterna som uppträdde under de flesta dagar. Detta ledde till att bara två dagar, av 30 dagar, var jämförbara i syfte att identifiera små förluster. Förlusterna förväntades uppgå till 1,5 % på grund av solsträngsoptimerarens verkningsgrad på 98,5 %, men förlusterna uppgick till 2,9 respektive 2,4 %. Detta behöver inte vara något anmärkningsvärt då modultemperaturen påverkar produktionen relativt mycket. För att i framtiden kunna verifiera hela anläggningens produktion, är en rekommendation att även implementera referensceller i modulernas övriga två riktningar.

Abstract

Skellefteå Kraft is the fifth largest electricity producer in Sweden and biggest amongst the municipal power companies. The main production is concentrated to the north regions of Sweden and most of the energy is produced by wind- and hydropower. During the summer 2017, Skellefteå Kraft dedicated their first solar plant in big scale, Röjmyran. The solar plant has an installed power at 178.2 kW and consists of 540 modules, distributed in three directions on the roof of the real estate. The modules are connected in series of 31 strings, where each string is connected to a string optimizer who stores the production data. On the south roof there is a reference cell who stores the global irradiation data and also measure the module temperature. The real estate is so called an industry hotel, owned by Skellefteå Industrihus. The real estate is connected to the grid and today all the excess production is sold the grid. Skellefteå Kraft wanted help to dimension a battery store to Röjmyran and from there evaluate the production that has been from the start.

The purpose of the dimension of the battery store was to examine the economic consequences that an implement of the battery store in the system would result compared to the daily situation whiteout a battery store. It was dimensions with some help of self-made constructed Excel-tool, where the tool compared the economic benefits to three different applications. One of the applications that were examined was demand shift, which means that the battery stores excess production for later use, when needed. By doing this way the sufficiency in the real instate can increase and less electricity therefore is needed to be bought from the grid. The second application was trading, which means that the battery store is charge from the grid during low price time, and is being discharges when power of consumption reaches a predetermined maximum value. In this way the power peaks is reduced and because of that also that expenses. The work was limited to examine the use from the perspective of the real estate owner, because the head purpose for Skellefteå Kraft is to increase knowledge and experience from work with battery stores, for future projects. In the dimensions different battery techniques where examine from three different labels, with a varying of characteristics and costs. The results show that it was one NiMH-battery with a store capacity of 32.4 kWh that came out with a positive present value.

The production was valued from two perspectives, one by examination of the string production during the months that the solar plant has been in operation and by calculated the theoretical production in the view of the global irradiation data which has been in the solar plant, and compare it with the real production. The result of the string evaluation showed that the production during July and August warried a lot between the strings. During September and October, the solar string produced equal in respective direction. And during November snow fell, which led to none production to the middle of April when the snow diapered. One reason to the string production was incoherent during July and August can be that the solar cell just has been taken in use, which could have led to small downtimes and restarts of the system.

(5)

Continuously it was examined if the solar cell produces as it theoretically should have done, considering the global irradiation in the power plant. Unfortunately, it was only possible to export global irradiation data 30 days back in time, which led to a limited time of the value. The reference cell was placed on the south part of the roof, which limited the investigation to check the modules production on the south roof. The result showed that many larger fails occurred during these 30 days.

The update of the inverter, the filter assembly, fuses triggered and reducing of power was reasons to the great loss that increased most days. This led to that only two days, of 30, where comparable in the purpose of identify minor losses. The loss was expected to be 1.5 %, because the efficiency of the string optimizer, but the lost was 2.9 % and 2.4 %. This is not necessary noteworthy because the module temperature is affecting the production relatively much. To be able to verify the total production of the plant, a recommendation is to also implement reference cells in the other two directions of the modules.

(6)

Innehållsförteckning

1.! Inledning ... 1!

1.1 Bakgrund ... 1!

1.2 Röjmyran ... 2!

1.3 Syfte och frågeställningar ... 3!

1.4 Mål ... 4!

1.5 Avgränsningar ... 4!

2. Teori ... 5!

2.1 Batterilager ... 5!

2.1.1 Uppbyggnad och funktion ... 5!

2.1.2 Batteriparametrar ... 6!

2.1.3 Olika batteritekniker ... 7!

2.1.4 Prestanda- och prisutveckling... 16!

2.1.5 Tillämpning i kombination med solceller ... 16!

2.2 Utvärdering av produktionen ... 18!

2.2.1 Globalinstrålning ... 18!

2.2.2 Referenscell ... 18!

2.2.3 Förluster ... 19!

3.! Metod... 20!

3.1 Dimensionering av batterilager ... 20!

3.1.1 Kompatibla batterilager... 20!

3.1.2 Batterilagrets placering ... 21!

3.1.3 Fastighetens effektabonnemang ... 21!

3.1.4 Förbrukning- och produktionsdata... 22!

3.1.5 Övrig nödvändiga data ... 22!

3.1.6 Programmering av dimensioneringsverktyg... 22!

3.1.7 Förutsättningar utan batterilager ... 23!

3.1.8 Styrning av batteri... 24!

3.1.9 Undersökta batterilagringskapaciteter ... 24!

3.1.10 Optimering av parametrar ... 24!

3.1.11 Beräkning av lönsamheten ... 25!

3.2.1 Verifiering av solsträngarnas produktion ... 26!

3.2.2 Simulering i PVGIS ... 27!

3.2.3 Beräkning av teoretisk produktion ... 27!

4.! Resultat ... 28!

(7)

4.1.1 Förbrukning- och produktionsdata... 28!

4.1.2 Historiska spotpriser ... 30!

4.1.3 Dimensionering av batterilager ... 32!

4.1.4 Ekonomisk kalkyl ... 34!

4.2.1 Verifiering av strängproduktion ... 35!

4.2.2 Jämförelse mellan verklig och teoretisk produktion ... 37!

5.! Diskussion... 39!

5.1 Batterilager ... 39!

5.1.1 Antaganden ... 39!

5.1.2 Dimensionering ... 40!

5.1.3 Lönsamhet ... 41!

5.2.2 Jämförelse mellan teoretisk och verklig produktion ... 42!

6. Slutsats... 45!

6.2.2 Jämförelse mellan verklig och teoretisk produktion ... 46!

Citerade arbeten ... 47!

(8)

1

1.! Inledning

Redan på 70-talet började solceller användas i Sverige och har sedan dess fortsatt att öka. Varje år på senare tid har solcellskapaciteten närmare fördubblats [1]. År 2015 hade Sverige en total installerad solcellseffekt på cirka 125 MW och 2016 ökade den totala effekten till cirka 210 MW. När solceller började användas i Sverige var det mest fristående system utan anslutning till elsystemet som användes, som sommarstugor, båtar och husvagnar. Solcellstekniken har blivit billigare med tiden vilket gjort att marknaden ökat kraftigt vad gäller anläggningar anslutna till elnätet. Under 2016 ökade den installerade effekten för nätanslutna anläggningar från 47 MW till 77,7 MW, vilket är en ökning på dryga 60 %. En anläggning som är ansluten till elnätet levererar i första hand el till fastigheten, men när produktionen överstiger behovet så exporteras överskottet ut på elnätet och överskottet kan således säljas till något företag som är villig att betala för den [2].

I takt med att elproduktion från intermittenta källor som solenergi ökar så ökar också behovet att kunna lagra elenergi i betydande takt. Genom att lagra den överskottsel som produceras kan

energisystemet hållas i balans när energiproduktionen och konsumtionen inte överensstämmer. Idag finns några olika tekniker för lagring av elenergi, bland annat mekaniska lagringstekniker som pumpvattenkraft, tryckluft och svänghjul, elektriska tekniker som kondensatorer samt kemiska

lagringstekniker som vätgas och syntetisk naturgas. Den lagringstekniken som utvecklats snabbast och fortfarande växer snabbast är batterier, även kallad elektrokemiska lagringstekniker [3]. I batteriväg finns många alternativ på marknaden idag, bland annat blysyrabatterier, litiumjonbatterier,

nickelkadmium och nickelmetallhydrid. Batterierna kan användas i olika syften, dels genom att

balansera utbud och efterfrågan och på så sätt jämna ut dagliga variationer [3]. Dels genom att förflytta energi under dagen och minska effekttoppar eller flytta energin i syfte att minska kostnaden för

inhandlad energi [3]. Ny batteriteknik på marknaden är också kapabla att utföra frekvensreglering, tack vare dess snabba svarstider och snabba upp- och urladdningshastighet [4].

Kostnaden för batterierna har minskat kraftigt de senaste åren men trots detta är det fortfarande den kostnaden som är den största utmaningen för batterilager i nuläget [3]. Kostnadsminskningarna grundar sig främst på den ökade efterfrågan men också på teknikutvecklingen. I kombination med framtida utveckling av minskad materialanvändning samt högre effektivitet och livslängd förväntas kostnaden minska ytterligare framöver [4].

1.1 Bakgrund

Skellefteå Kraft är en av Sveriges fem största elproducenter och störst av de kommunalägda kraftbolagen. Företaget har närmare 600 anställda och produktionen är främst stationerad i norra Sverige, där de driver egna produktionsanläggningar för vattenkraft, vindkraft och bioenergi [5]. År 2016 presenterade regeringen ett mål som innebär att Sverige ska vara 100 % förnybart år 2040 [6].

Vägen till 100 % förnybart kommer kräva nya utmaningar och utbyggnad av förnybara energisystem [5]. Sommaren 2017 invigde Skellefteå Kraft deras första storskaliga solcellsanläggning Röjmyran.

Anläggningen är beläget på Anderstorp i Skellefteå och har en installeras effekt på 178,2 kWp.

Elproduktionen från solcellsanläggningen är uppskattad till 140 MWh per år.

Hittills har ingen utvärdering av den verkliga produktionen i solcellsanläggningen på Röjmyran gjorts och därför är Skellefteå Kraft intresserade av att veta om anläggningen producerar enligt

(9)

2

produktionsestimatet och vid avvikelse vill företaget veta orsaken till varför anläggningen inte producerat som den borde gjort.

Eftersom solceller är en intermittent energikälla, och omöjlig att styra över tid, har Skellefteå Kraft ett behov av att kunna lagra överskottsenergin från anläggningen i batterier när produktionen överstiger förbrukningen och på så sätt öka självförsörjandet i fastigheten. Vidare finns behov av att undersöka huruvida batterierna kan göra en ekonomisk nytta under vinterhalvåret då ingen överskottsenergi produceras. Många batteritekniker är på stark frammarsch och utvecklingen har gått snabbt. På grund av den snabba utvecklingen är företaget i behov av en uppdatering om utbudet av batterier på

marknaden idag, vilka batterier som är kompatibla med den befintliga tekniken i anläggningen samt en beskrivning av batteriernas egenskaper.

1.2 Röjmyran

Solcellsanläggningen Röjmyran ägs av Skellefteå Kraft medan fastigheten ägs av Skellefteå Industrihus AB. Fastigheten är ett industrihotell där företag kan hyra lokaler. Totalt finns 10

industrilokaler varav två är dubbelt så stora som resterade 8. De mindre har en golvyta av 6x24 meter och en takhöjd om 6 meter och dubbelskeppen har därmed en golvyta av den dubbla storleken [7]. I samtal med Tomas Wikström, förvaltningsingenjör på Skellefteå Industrihus AB, framkom att det i dagsläget endast är 5 lokaler uthyrda, samtliga lokaler av den mindre storleken. Av dessa fem lokaler är en lokal endast uthyrd i lagringssyfte, vilket betyder att den inte förbrukar energi i samma

utsträckning som resterande. De resterande fem lokalerna stod fortfarande till förfogande vid examensarbetets start (ibid).

Solcellsmodulerna i anläggningen är tillverkade i monokristallint kisel med en verkningsgrad på 19,3

%. Varje modul har en effekt av 330 W och totalt består avläggningen av 540 moduler monterade på taket. På taket som vetter mot söder är 300 modulerna monterade och på den norra sidan är de övriga 240 modulerna monterade. På södra sidan är samtliga moduler monterade parallellt med takets lutning på 6⁰ men på norra sidan är hälften av modulerna upplutade 13⁰ mot väst och resterande 13⁰ mot öst, detta ger en effektiv vinkel på 16⁰ för modulerna på norra sidan. I Figur 1 visas anläggningen och modulernas lutningar.

Figur 1. Industrihotellet Röjmyran. På södra taket är modulerna monterade parallellt med taket, med en lutning på 6⁰. På norra taket är hälften av modulerna riktade mot öst och hälften mot väst, med en effektiv lutning på 16⁰"[8].

(10)

3

Modulerna är seriekopplade om 12, 17 eller 18 moduler och varje seriekoppling kallas för sträng.

Totalt består taket av 31 strängar och varje strängkablage leds från taket ned till var sin

strängoptimerare. Strängoptimeraren har en verkningsgrad av 98,5 %, enligt tillverkaren, och dess uppgift är att maximera solelproduktionen genom att hantera energiflödet och eliminera

spänningsförlusterna från solcellsmodulerna till fast720 Volt likströmsspänning. Utöver detta så rapporterar strängoptimerarna produktionsdata som lagras i en portal så att systemets prestanda på ett enkelt sett kan övervakas.

Efter strängoptimerarna leds strömmen via en gemensam kabel till en 140 kW 3-fas-växelriktare av märket Ferroamp. Växelriktaren är en så kallad Energy-Hub med fler funktioner än att bara omvandla likström till växelström. Energy-Hubben kan beskrivas som hjärnan i systemet och mäter energiflödet in och ut ur fastigheten på respektive fas samt jämnar ut lasten på de tre faserna till 400 Volt

växelström. Energy-Hubben är utrustad med en förberedd MPPT-ingång för batterier, och möjligheten finns att kombinera systemet med så många batterilager som önskas.

MPPT står för Maximum Power Point Tracker, och är en teknik som används för att minska spänningsförlusterna mellan solcellsmodul och batteri. MPPT-regulatorn känner av

solcellsmodulernas och batteriets spänning och räknar därefter ut den punkt där maximal ström erhålls och anpassar spänning till batteriet efter detta [9].

1.3 Syfte och frågeställningar

Syftet med detta examensarbete är att dimensionera ett batterisystem till Röjmyrans solcellsanläggning och undersöka huruvida ett batterilager kan bidra till att öka utnyttjandet av elenergin från

solcellsanläggningen Röjmyran på bästa sätt. Arbetet syftar även till att undersöka de ekonomiska konsekvenserna som en implementering av ett batterilager i systemet skulle medföra i jämförelse med dagens situation utan batterilager. Detta innefattar att skapa en allmän kunskap om batteriers olika egenskaper samt att hitta optimal balans mellan batteriets kapacitet och lönsamhet gentemot kostnader.

En vidare undersökning av strängproduktionen undersöks varpå syftet är att undersöka om modulsträngarna producerat likvärdigt med hänsyn till dess orientering och lutning, samt att vid avvikelse undersöka bakgrunden till detta. Examensarbetet innefattar också en utredning av

elproduktionen i syfte att verifiera om solcellsanläggningen producerar som den ska med hänsyn till solinstrålningen som varit i anläggningen.

Följande frågeställningar har undersökts i examensarbetet:

•! Vilka batteriet är kompatibla med den befintliga växelriktaren i systemet och vad är det som påverkar kompatibiliteten?

•! Vilka batteriegenskaper är viktiga att ta hänsyn till vid dimensionering av batterilager till Röjmyran?

•! På vilka sätt kan batterierna bidra till en ekonomisk besparing för fastigheten och vilken tillämpning för batterilagret ger bäst ekonomisk avkastning för respektive period på året?

•! Hur påverkas lönsamheten vid ökad egenanvändning jämfört med att sälja överskottselen till elnätet?

•! Hur har modulsträngarna producerat sedan start och finns det någon sträng som producerat sämre i respektive riktning? Vad är i så fall anledningen till avvikelsen?

•! Hur producerar solcellerna elenergi i relation till solinstrålningen? Hur stora är förlusterna och hur kan dessa förklaras?

(11)

4

•! Hur kan relationen mellan anläggningens verkliga respektive teoretiska produktion i framtiden verifieras på ett överskådligt sätt?

1.4 Mål

Målet delas upp i två delmål där första målet är att dimensionera ett batterilager till Röjmyran

solcellsanläggning samt beräkna den ekonomiska nyttan som ett batterilager ger upphov till. Batteriet ska dimensioneras med beaktning om att anläggningen är fullt uthyrd. Nästa delmål är att verifiera om anläggningen producerar el i den utsträckningen den ska. I undersökningen utreds om

modulsträngarna producerat likvärdigt i förhållande till varandra, med hänsyn till dess geografiska orientering och lutning. Vidare undersökts om anläggningen producerat el i den utsträckningen den borde med hänsyn till globalinstrålningen som varit i anläggningen. Vid avvikelse undersöks anledningen till detta.

1.5 Avgränsningar

Arbetet har avgränsats till att undersöka och utföra beräkningar på endast batterilager som är kompatibla med systemet i Röjmyran. I förstudien har även andra batterier undersökts med syfte att förmedla allmän batterikunskap till företaget, men inga beräkningar är således utförda på dessa.

Eftersom fastigheten ägs av Skellefteå Industrihus och solcellsanläggningen av Skellefteå Kraft, uppstår ett dilemma när lönsamheten av batterilagren beräknas. Om kostnaderna minskar för

Skellefteå Kraft så ökar de i regel för fastighetsägaren och vice versa. Därför har arbetet avgränsats till att undersöka nyttan med batterilager utifrån fastighetsägarens synvinkel och fördelar. Detta beslut grundar sig i Skellefteå Krafts intresse att implementera batterilager, i utbildning- och erfarenhetssyfte för framtida projekt. Vidare är Skellefteå Kraft intresserade av att få veta mer om batterilagers

kompatibilitet för frekvensreglering, och detta arbete avgränsas till enbart undersökning om vilka batterier som i praktiken är kapabla att utföra frekvensreglering och inga vidare beräkningar eller studier görs på detta.

Eftersom anläggningen bara varit i drift sedan juli 2017 är lagrad produktionsdata begränsad.

Dessutom är fastigheten inte fullt uthyrd i dagsläget, vilket medför lägre förbrukning än om

fastigheten hade varit fullt uthyrd. Avsikten är att fastigheten ska bli fullt uthyrd så småningom vilket ska ligga till grund för dimensioneringen av batteriet. Därför är en simulering om produktion och antaganden om framtida förbrukning nödvändigt att tillgå.

I utredningen om strängarnas energiproduktion så undersöks bara huruvida strängarna producerat likvärdigt i respektive lutning och geografisk orientering, det vill säga, ingen utredning av hur strängarna borde producera görs i detta examensarbete.

Det är bara möjligt att exportera solinstrålningsdata för 30 dagar bakåt i tiden, och således begränsas utredningen till en månad för utredning av huruvida anläggningen producerat el i den utsträckningen den borde. Referenscellen som mäter och loggar globalinstrålningsdata är placerad parallellt med modulerna på södra taket, således utvärderas bara produktionen som varit för det södra taket.

(12)

5

2. Teori

I detta kapitel förklaras teori som legat till grund för examensarbetets utförande. Kapitlet delas upp i två avsnitt där första avsnittet handlar om grundläggande teori kring olika batteritekniker, förväntad prisutveckling för batterilager samt batterilagers tillämpningsområden i kombination med solceller.

Batteritekniker som undersökts i detta kapitel är ventilerade och förseglade blysyrabatterier, sju tekniker inom litiumjon, samt teknikerna nickelmetallhydrid och nickelkadmium. Andra avsnittet avser teori som legat till grund för verifiering av produktionen.

2.1 Batterilager

2.1.1 Uppbyggnad och funktion

Ett batteri består av flera sammankopplade celler, antingen seriekopplade eller parallellkopplade, som omvandlar kemisk energi till elektrisk energi genom en elektrokemisk reaktion. Den önskade

batterispänningen erhålls genom att battericellerna kopplas ihop i serie eller parallellt [10]. Varje cell innehåller två elektroder, en anod och en katod samt en elektrolyt som kan vara i fast eller flytande form. Anoden är cellens minuspol, katoden är cellens pluspol och elektrolyten fungerar som ett transportmedium för elektronerna [11]. Genom att kombinera olika typer av elektroder erhåller batteriet olika egenskaper [12]. I laddningsbara battericeller sker reaktion i två riktningar. Vid urladdning sker elektrokemisk reaktion vid anod och katod samtidigt. Till den externa kretsen

tillhandahålls elektroner från anoderna och samlas in vid katoderna. Vid uppladdning sker det motsatta och batteriet laddas när det skapas en extern spänning på elektroderna [11]. Det finns hundratals olika batterier på marknaden idag och det tekniska egenskaperna och prestandan skiljer sig beroende på teknik, tillverkare och leverantör. Tiden det tar att ladda ur batterierna varierar från sekunder till dygn och storleksmässigt skiljer sig lagringskapaciteterna från enstaka kW till tiotals MW. Dessutom finns rad variationer inom varje teknik beroende på spänningsnivån i cellen, önskad djup-urladdning, underhållskrav och vilka krav som ställs från plasten. Därför bör samtliga krav som ställs på batterierna tas i beaktning innan beslutet tas om vilket batteri som ska väljas. Många gånger kombineras olika batterityper för att uppnå nödvändiga funktionskrav, detta brukar kallas hybridlösningar [13].

(13)

6 2.1.2 Batteriparametrar

•! Battericell

Den minsta delen i ett batterisystem är battericellen. Ett batterisystem är uppbyggt av ett antal seriekopplade battericeller [4].

•! Lagringskapacitet

Mängden elektrisk energi, mätt i amperetimmar eller wattimmar, som kan lagras i ett batteri [14].

•! Cellspänning

Cellspänning är den elektriska spänningen över en cell. Spänningen bestäms av vilken typ av aktivt material som anoden och katoden består av [13].

•! Urladdningsdjup (DoD)

Urladdningsdjupet är ett procentuellt mått på energin som kan användas från ett fulladdat batteri, uttryckt i procent av batteriets ursprungliga lagringskapacitet. Om batteriet har 80 % DoD betyder det att batteriet har en kapacitet att leverera 80 % av ursprungskapaciteten [14].

•! Upp- och urladdningseffekt samt C-faktor

Ofta beskrivs batteriets maximala upp- och urladdningseffekt med en C-faktor. Ett batteri som är märkt med 1C kan maximalt ladda ur och ladda upp hela batteriet på en timme. Ett batteri som är märkt med 2C kan maximalt ladda upp och ladda ur på 0,5 timmar [15].

•! Cykel

En cykel beskriver en urladdning med påföljande uppladdning. Ett uppladdningsbart batteris cykelantal är ofta en viktig egenskap att ta hänsyn till vid val av batteri [15].

•! Teknisk livslängd

Ett batteris tekniska livslängd kan uttryckas med antingen antal år eller antal cykler [13].

•! Omgivningstemperatur

Omgivningstemperaturen är temperaturen i batteriernas omgivande luft.

Omgivningstemperaturen påverkar prestandan hos batteriet eftersom de elektrokemiska reaktionerna styrs av temperaturen. Vid höga temperaturer sker reaktionerna snabbare och blir temperaturen över angiven maxgräns så skadas cellerna. Vid för låga omgivningstemperaturer sker ingen reaktion i batteriet och cellerna skadas även då [15].

•! Självurladdning

Självurladdning betyder att batteriets laddas ur på grund av inre kemiska processer, utan att någon ström tagits från batteriet. Självurladdning styrs av omgivningstemperaturen. Vid hög temperatur självurladdas batteriet snabbare [16].

•! Energitäthet

Förhållandet mellan den tillgängliga energin hos ett batteri och dess volym [14].

•! Specifik energi

Specifik energi är ett mått på tillgänglig energi som ett batteri kan leverera per viktenhet [14].

(14)

7 2.1.3 Olika batteritekniker

Batterier kan delas in i två grundläggande kategorier, primära respektive sekundära batterier.

Kategoriseringen beror på om batterierna är laddningsbara eller inte. I primärcellen omvandlas energin vid en kemisk reaktion som pågår till dess att batteriet är förbrukat. Sekundärcellen kan däremot laddas upp igen efter att de blivit urladdade, och det möjliggörs genom att processen går i motsatt riktning vid uppladdning [17]. I den här rapporten beskrivs bara sekundärceller. Först beskrivs blysyrabatterier, därefter litiumjonbatterier. Vidare beskrivs nickelkadmiumbatterier och till sist nickelmetallhydridbatterier.

2.1.3.1 Blysyrabatterier

Blysyrabatteriet utvecklades för mer än 150 år sedan och är det äldsta och mest använda

uppladdningsbara batteri-typen idag [4]. Materialet i katoden är blyoxid (PbO2), anoden består av bly (Pb) och elektrolytvätskan består av svavelsyra (H2SO4) [11]. Cellspänningen är cirka 2,0 V och den kemiska reaktionen som sker vid anod och katod i ett blysyrabatteri är [11]:

&'():"""+, + ./₀¹² ⇆ +,./₀+ 25²

678():"""+,/₁+ ./₀¹²+ 4:^;+ 25²⇆ +,./₀+ 2:₁/

Det finns två huvudsakliga typer av blybatterier tillgängliga på marknaden idag. De två typerna är ventilerade och förseglade blybatterier. Batterierna används i en mängd applikationer och i stor utsträckning i utbyggnaden av förnybara energikällor, särskilt som energilagring från mindre solcellsanläggningar som inte är uppkopplade mot elnätet [4]. I Tabell 1 visas egenskaper för ett blysyrabatteri [18].

Tabell 1. Blysyrabatteriers egenskaper [18].

Egenskaper Värde

Antal cykler 500–3000

Livslängd 5–15 år

Verkningsgrad 75–85 %

Reaktionstid Några millisekunder

DoD 50 %

Fördelen med det ventilerade blybatteriet är att dess låga investeringskostnad. Nackdelarna är dess låga cykeltal. Det ventilerade batteriet förångar vatten under uppladdningstiden vilket leder till att batteriet behöver fyllas på med destillerat vatten med jämna mellanrum [13]. Om det ventilerade batteriet inte fylls på med vatten, när elektrolytnivån sjunkit, leder det till permanent skada för batteriet. Svavelsyra har en tendens att separera, och falla ut som salt från själva elektrolytlösningen och detta fenomen brukar kallas sulfatering och gör att batteriet åldras snabbare. Stora ventilerade blybatterier brukar därför utrustas med små pumpar för att cirkulera luft genom elektrolyten för att uppnå en jämn syra-koncentration [4]. I Tabell 2 summeras för- och nackdelar med ventilerade blysyrabatterier.

(15)

8

Tabell 2. För- och nackdelar med det ventilerade blysyrabatterier [13].

Det förseglade batteriet är en utveckling av det ventilerade blysyrabatteriet. Batteriet är designat för att förhindra att elektrolyten dunstar eller läcker. För att det inte ska skapas för högt övertryck i batteriet är det utrustat med en ventil som reglerar övertrycket som kan uppstå. Ventilen ser till att bara ventilera batteriet när trycken överstiger 100 mBar. Detta leder till mindre underhåll i form av påfyllnad av destillerat vatten. Genom att behålla ett visst tryck under en längre tid så möjliggörs också diffusion i batterier som ger en mer jämn spridning och motverkar att svavelsyran separerar sig i elektrolyten. Det förseglade batteriet innehåller en gel eller en absorberande glasmatta (AGM) som suger upp elektrolyten som en svamp, vilket minskar risken för elektrolytläckage. Den här typen av blybatteri är dyrare än det ventilerade, men har fördelen att inte behöva underhållas mer än vart tionde år [4]. I Tabell 3 visas för och nackdelar med det förseglade blysyrabatterier.

!

Tabell 3. För- och nackdelar med förseglade blysyrabatterier [13].

Fördelar Nackdelar

Låg kostnad jämfört med andra tekniker Låga cykelantal (upp till 2500) Tillförlitligt och hög verkningsgrad (70–90 %) Låg energitäthet (50–100 Wh/liter)

Finns många tillverkare och mycket drifterfarenhet Dålig prestanda vid låga och höga omgivnings-temperaturer (behov av värmehanteringssystem)

Kan implementeras i stora anläggningar Kräver periodiskt underhåll

Etablerad och hög återvinningsgrad av material Sulfatering om batteriet lagras urladdat under en lång tid Asymmetrisk laddning och urladdningskapacitet

Mycket lite underhåll krävs Känsligare än ventilerade blysyrabatterier vid höga omgivningstemperaturer

AGM möjliggör drift i fler områden Bör inte lagerläggas i urladdat tillstånd Ingen ventilation krävs Kortare livstid än ventilerade blysyrabatterier Säkrare på grund av minskad spillrisk Känsligare än ventilerade blysyrabatterier för över-

och djupurladdning Etablerad och hög återvinningsgrad av material

(16)

9 2.1.3.2 Litiumjonbatterier

Litiumjonbatteriet är på stark frammarsch och i dagsläget finns många batteriteknologier under samlingsnamnet [17]. De som först införde litiumjonbatterier var Sony Coporation under tidigt 90-tal och batterierna blev snabbt en viktig teknik inom elektroniken [4]. Batteriet består av ett antal olika kemikalier där var och en har en unik kostnad och prestanda. I allmänhet brukar dessa grupperas i två kategorier av katodmaterial för att komplettera litiumet. Den ena är järnfosfat och den andra är blandad metall bestående av kobolt och manganoxid. Anoden består normalt av grafit men kan också bestå av titanat. Titanat ökar cykelantalet dramatiskt men det är dock det dyraste alternativet på marknaden [13]. I batteriet utvinns den lagrade energin genom att litiumjoner (Li⁺) rör sig mellan elektroderna i battericellen. Huvudkomponenterna och principen illustreras i Figur X [4]. Elektrolyten är normalt en organisk vätska innehållande litiumsalter, såsom LiClO4 och de kemiska reaktionerna som sker i anod och katod i en litiumjonbattericell är [11]:

&'():"""< + '=>^;+ '5²⇆ =>_?<"""

678():"""=>@@/₁⇆ =>_?2A@@/₁+ '=>^;+ '5²"""

I den kemiska reaktionen varierar X och n beroende på vilken katod som litiumjonbatteriet innehåller.

Batterierna är attraktiva i de fall där det krävs en kort svarstid, snabb uppladdningstid, hög energitäthet samt hög effekttäthet [13]. Batteriernas verkningsgrader är höga, upp till 99 % [11] och dessutom har litiumjonbatteriet en relativt lång livslängd och låg självurladdningshastighet [4]. Den höga

urladdningshastigheten och energitätheten gör att batterierna är idealiska för frekvensreglering och applikationer som kräver snabb urladdning och hög effekt [13].

Det största hindret för litiumjonbatteriet är säkerheten, och då i synnerhet dess termiska instabilitet.

Det finns risk för kemiska reaktioner som i sin tur släpper ut syre om katoden överhettas. Denna termiska reaktion kan då orsaka läckage och rökgasutveckling och kan leda till att battericellerna fattar eld [4]. En mängd externa förhållanden eller situationer kan leda till överhettning för cellerna, bland annat extern uppvärmning, överladdning, för djup urladdning eller överladdning med för hög strömföring [13]. På grund av denna risk så innehåller litiumjonbatterierna alltid ett

batterihanteringssystem (BES). Batterihanteringssystemet är ett övervakningssystem som ser till att batteriet arbetar inom säkra gränser och mycket ansträngning läggs på att försöka förbättra det här systemet ytterligare [4]. På grund av batterihanteringssystemet blir investeringskostnaden relativt hög för batterierna men priserna varierar självklart också beroende på vilka material batteriet innehåller i katoden, likaväl om anoden består av titanat eller grafit [11] [13]. I Tabell 4 visas egenskaper för litiumjonbatterierna [19], dock är detta ungefärlig sammanfattning då det finns många olika tekniker under samlingsnamnet litiumjon, som i sin tur ger upphov till varierande egenskaper.

Tabell 4. Egenskaper för litiumjonbatterier [19].

Egenskaper

Antal cykler 2000–20 000

(17)

10

De fördelaktiga egenskaperna och framgångsrik forskning har gjort litiumjonbatterierna till den dominerande batteritekniken idag. Att kostnaderna för batterihanteringssystemet minskar och

försäljningen av batterierna ökar gör att priserna minskar i samma takt [4]. Som tidigare nämnts så kan anoden antingen bestå av grafit eller titanat medan katoden kan variera i båda fall. De olika

kombinationerna av anod och katod visas i Figur 2 och är vidare de materialkombinationer som jämförs och beskrivs i denna rapport. I Tabell 5 beskrivs kemin mer ingående.

Figur 2. Figuren beskriver olika kemiska kombinationer mellan anod och katod. Se Tabell 5 för förklaring av förkortningarna.

Tabell 5. Litiumjonteknikernas kemi, energitäthet och cykelantal. Den stora variationen mellan litiumtitanat- teknikens cykelantal beror på vilken katod som titanat-anoden är kombinerad med [13].

Litiumjon

Anod Grafit

Katod

NMC LMO LFP NCA

Titanat Katod

NMC LMO LFP

Teknisk

förkortning Katod Anod Elektrolyt Energitäthet

[Wh/kg] Antal cyklar Litium nickel

mangan koboltoxid

NMC LiNixMnyCo1-x- yO2

C (Grafit) Litium- karbonat

120–140 800–2000

Litium mangan-

oxid LMO LiMn2O4

(spinel) C (Grafit) Litium-

karbonat 140–180 800–2000

Litium nickel kobolt aluminium- oxid

NCA LiNiCoAlO2 C (Grafit) Litium-

karbonat

120–160 800–5000

Litiumjärnfosfat LFP LiFePO4 C (Grafit) Litium-

karbonat 85–105 200–2000

Litiumtitanat LTO Varierande Li4Ti5O12 Litium-

karbonat 80–95 2000–

25000

(18)

11 Litium nickel mangan koboltoxid (NMC)

NMC är vanligt som i stationära applikationer och elektronik. Katoden består av bland annat av nickel, mangan och kobolt (LiNixMnyCo1-x-yO2), anoden består av grafit och kisel och elektrolyten består av litiumkarbonat. Denna typ kom till efter en utveckling av LCO (Litium-kobolt-oxid), som var den första batteritekniken som Sony Coporation förde in på marknaden. Genom att blanda ut kobolten i katoden med andra billigare metaller, som nickel och mangan, erhölls en lägre kostnad för batteriet trots liknande prestanda [4]. NMC utvecklades främst i syfte att förbättra säkerhetsegenskaperna och minska kostnaden [20]. Fördelningen mellan nickel, mangan och kobolt varierar mellan tillverkare, men en vanlig fördelning är 5 delar nickel, tre delar kobolt och två delar mangan. NMC-celler klarar en hög C-faktor, är termiskt stabil och klarar många cykler [4].

Litium mangan (LMO)

LMO-tekniken är väl etablerad på marknaden [20]. Batterierna har hög C-faktor och fördelen att den innehåller mangan, som bara kostar en femtedel av kobolt. Katoden består alltså av bland annat mangan (LiMn2O4), anoden består av grafit och elektrolyten består av litiumkarbonat. Den

tredimensionella kristallstrukturen hos LMO-celler gynnar flödet av joner och ger i sin tur fördelen att batteriet kan laddas med hög ström [4]. Generellt har denna typ av cell en lägre energiprestanda och klarar lägre antal cykler jämfört med andra litiumjontekniker. Detta beror på manganstrukturen i katoden som minskar cykelantalet och således livslängden [20]. På grund av dessa nackdelar är denna typ av batteri inte lika vanligt i stationära applikationer som NMC [4].

Litium nickel kobolt aluminium (NCA)

NCA är också en utveckling av LCO-tekniken, precis som NMC, med samma kristallstruktur men den innehåller nickel istället för kobolt. Katoden består alltså av nickel, kobolt och aluminium i oxidform (LiNiCoAlO2), anoden består av grafit och elektrolyten av litiumkarbonat [4]. NCA-tekniken

utvecklades för att förbättra säkerheten och öka antal cykler hos batterierna. I jämförelse med LMO så är NCA-tekniken dyr men har fördelen att klara fler cykler. Dessutom har NCA högre energidensitet än LMO och livslängden uppskattas till över 15 år. Dock är nickelbaserade katoder termiskt instabila vilket medför att katoden kan ta skada vid överladdning [20]. En nackdel med utvecklingen från de tidigare koboltbaserade cellerna är att risken för litiumdiffusionsproblem i cellen ökat trots att de flesta andra fördelar har behållits från ursprungscellen. Framsteget har lett till en ökad användning inom mobila applikationer, främst inom fordonsindustrin och av Tesla Motors. NCA-tekniken erhåller en högre energidensitet än NMC-tekniken och aluminiumet bidrar till en ökad prestanda för battericellen [4].

Litium järnfosfat (LFP)

I LFP-tekniken består katoden av järnfosfat (LiFePO4) och ses som den säkraste tekniken som utvecklats tillsammans med grafit som anod. Den klarar höga temperaturer, överladdning,

kortslutningar och den ger batteriet dessutom en lång livslängd [20]. Den kristallina strukturen i LFP- cellen ger upphov till bättre termisk stabilitet jämfört med andra tekniker. Tekniken har relativt hög C- faktor och fördelen att den inte är giftig för miljön. Dessutom är LFP-tekniken billig och batterierna har låg självurladdning. Dessa egenskaper har gjort att systemet ses som en mycket attraktiv teknik för stationära applikationer [4].

(19)

12

Användningen av järnfosfat som katod har nackdelen att den ger en relativt låg cellspänning och låg energidensitet, detta på grund utav sämre ledningsförmåga i materialstrukturen. Det forskas och arbetas mycket med att försöka minska dessa effekter, dels genom att minska strukturen till nanostruktur och dels genom doping av andra metaller, såsom vanadin eller titan. Dessa åtaganden förväntas kunna ge en högre spänning i cellerna framöver [4].

Litiumtitanatanod (LTO)

Grafit är fortfarande det vanligast anodmaterialet på marknaden, men titanat ökar. Elektrolyten består av litiumkarbonat och katoden varierar beroende på vilka egenskaper som önskas. Den kemiska förkortningen för denna batteriteknik är LTO. Att använda titanat i anoden ger några fördelar jämfört med grafit, dels att det ger bättre kemisk stabilitet för cellen, ger upphov till snabb upp- och

urladdning samt hög termisk stabilitet under upp- och urladdning. Dessa fördelar gör att den är attraktiv i stationära applikationer [4].

Titanat har högre referenspotential än grafit och det gör att spänningen i cellen sjunker något, vilket medför en lägre energidensitet. Men den högre referenspotentialen gör också att problem som relaterar till skada av elektrolytmaterialet vid överhettning förhindras [4].

En risk med grafit som anodmaterial är risken för att mikroskopiska fibrer av litium börjar växa på anodytan som således skadar batterierna men med titanat finns ingen risk för detta, vilket medför att LTO kan ses som den hållbaraste litiumjontekniken hittills. LTO klarar extremt många cyklar, mer än 20 000. Dock är priserna höga på grund av de hittills låga produktionsnivåerna [4].

Litium manganoxid (LMO/LTO)

Att kombinera LMO som katod med LTO som anod resulterar i den billigaste varianten av alla LTO- tekniker på marknaden. Den lägre kostnaden kommer av den låga kostnaden för LMO. LMO har fördelen att kunna leverera energi med hög hastighet och LTO har fördelen att klara många cykler.

Kombinationen av LMO och LTO visar att batteriet klarar av att prestera effektivt vid låga temperaturer, dock visar den på låg energidensitet på grund av bidraget från LTO. Som tidigare beskrivet så klarar inte LMO av att prestera bra under höga temperaturförhållanden och livslängden förkortas således, men med en kombination av LMO/LTO så reduceras denna egenskap. Vid tester har inte tecken på termiska bortfall funnits när LMO har kombinerats med LTO [20].

Litium nickel mangan koboltoxid (NMC/LTO)

Att kombinera NMC som katod med LTO som anod har resulterat i hög energidensitet i cellerna, men dock hög investeringskostnader på grund av bidraget från NMC-katoden. En av de positiva

egenskaperna är att batterierna klarar extremt många cykler vilket resulterar i att kostnaderna med avseende på livslängden blir lägre. Precis som LMO/LTO så visar NMC/LTO inte några tecken på att tappa prestanda under höga temperaturer tack vare bidraget från LTO-anoden. Kombinationen av NMC/LTO har visat sig attraktiv i hybrid-fordon och el-fordon [20].

(20)

13 Litium järnfosfat (LFP/LTO)

Att kombinera LFP som katod och LTO som anod är det säkraste alternativet av de sju

batteriteknikerna som beskrivs i denna rapport. Både LFP och LTO bidrar med säkerhetsegenskaper på var sitt håll. Denna teknik klarar extremt många cykler tack vare extremt låga

nedbrytningshastigheter. Den klarar också av att prestera under extrema temperaturer, både höga och låga. LTO bidrar dock med en hög kostnad och både LFP och LTO bidrar med låg cellspänning. Detta medför höga kostnader för batterierna och låg energidensitet [20].

Sammanfattning av litiumjonteknikerna

Tabell 6 sammanfattar litiumjonteknikernas egenskaper [4].

Tabell 6. Tabellen graderar egenskaper, för olika tekniker inom litiumjon, från 1 till 4. 1 anses mindre bra och 4 anses mycket bra. Vidare beskriver Tabellen de olika teknikernas för- och nackdelar [4].

NMC LMO NCA LFP LTO

Säkerhet 3 3 2 4 4

Effektdensitet 3 3 4 3 3

Energidensitet 4 3 4 2 2

Prisvärd 3 3 2 3 1

Livslängd 3 2 4 4 4

Batteri- systemets prestanda

2 2 2 4 4

Fördelar *Hög C-faktor

*Klarar hög spänning

*Termisk stabil

*Låg kostnad

*Termisk stabil

*Hög C-faktor

*Klara hög ström

*Bra energi- och

effektprestanda

*Många cykler

*Termisk stabil

*Många cykler

*Låg

självurladdning

*Låg kostnad

*Termisk stabil

*Många cykler

*Klarar djupurladdning

*Hög C-faktor Nackdelar *Patentproblem

i vissa länder

*Färre cyklar

*Låg energiprestanda

*Säkerhet

*Kapacitet minskar vid 40–70 ⁰C

*Låg cellspänning

*Hög kostnad

*Låg cellspänning

(21)

14 2.1.3.3 Nickelkadmium (NiCd)

Ett nickelkadmiumbatteri använder nickelhydroxid och kadmium som de två elektroderna i battericellen och som elektrolyt används en vattenhaltig alkalilösning. Spänningen i cellerna ligger mellan 1,0–1,3 V och de kemiska reaktionerna som sker vid anod och katod i cellen är [11]:

&'():""""<) + 2/:²⇄ <)(/:)₁+ 25²"

678():""""2E>//: + 2:₁/ + 25²⇄ 2E>(/:)₁+ 2/:²"

Batterierna är tillförlitliga och har låga underhållskrav. Det negativa är att både nickel och kadmium är miljöfarliga tungmetaller [11] och i Sverige är försäljningen av batterierna, för användning i

konsumentprodukter, numera förbjuden på grund av detta. De är förbjudna på grund av risken att batterierna inte återvinns på rätt sätt [21]. En annan negativ aspekt med nickelkadmiumbatterierna är att de har relativt höga minneseffekter, vilket betyder att den maximala batterikapaciteten minskas dramatiskt när batteriet upprepade gånger laddas, oavsett om batteriet varit helt urladdat eller bara delvis urladdat [11]. Batterierna finns både som förseglade och ventilerade. De förseglade batterierna är vanliga i elektroniska produkter där egenskaper som lätt vikt är att föredra, till exempel

fjärrkontroller. De ventilerade nickelkadmiumbatterierna använd inom transport, som flygplan eller tåg, där hög energidensitet är viktigt. På grund av att kemin tål höga omgivningstemperaturer har batteriet blivit tämligen vanliga för lagring av solenergi i mindre anläggningar [22]. Dock har användandet av nickelkadmiumbatterier till större energianläggningar haft få kommersiella framgångar hittills. Ett exempel där man försökte använda sig av batterierna var i Alaska 2003.

Anledningen till varför de valde att använda nickelkadmiumbatterier var på grund den låga

temperaturen i området och batteriernas beständighet mot extrema temperaturer. Företaget som höll i projektet var Golden Valley Electric Association, vilket är ett företag som erbjuder tjänster i för strömförsörjning i avlägsna områden. Systemet hade förmågan att leverera nominell effekt vid 27 MW i 15 minuter och 40 MW i 7 minuter. Verkningsgraden låg mellan 72–78 % och drifttemperaturen var mellan -40-50 ˚C. Det rapporterades att den här operationen inte gav de resultaten som förväntades och hittills verkar det osannolikt att nickelkadmiumbatterier kommer användas speciellt mycket i storskaliga energianläggningar framöver [11]. I Tabell 7 visas egenskaper för nickelkadmium-batteriet [22] och i Tabell 8 visas en sammanfattning över för- och nackdelar. På grund av litiumjonteknikens framgångar de senaste åren så förväntas utvecklingen av nickelkadmiumtekniken inte att fortsätta framöver [22].

Tabell 7. Nickelkadmiumbatteriernas egenskaper [22].

Tabell 8. För- och nackdelar med nickelkadmiumbatteriet.

Egenskaper

Tillförlitliga Innehåller miljöfarliga tungmetaller

Låga underhållskrav Minneseffekt

Hög energidensitet

Klarar extrema omgivningstemperaturer

(22)

15 2.1.3.4 Nickelmetallhydrid (NiMH)

NiMH-batteriet liknar Nickelkadmium förutom att ena elektroden består av en väteabsorberande legering istället för kadmium. Cellspänningen är mellan 1,0–1,3 V och de kemiska reaktionerna som sker vid anod och katod är:

&'():""":₁/ + 5²↔ 1/2:₁+ /:² 678():"""E>(/:)₁+ /:²↔ E>//: + :₁/ + 5²

Den specifika energin ligger mellan 70–100 Wh/kg och energidensiteten är också relativt bra, mellan 170–400 Wh/liter vilket är betydligt högre än Nickelkadmium-batteriet. En annan fördel jämfört med Nickelkadmium-batteriet är att nickelmetallhydridbatteriet har betydligt lägre minneseffekt och den skadas inte lika lätt som vid laddning och urladdning samt att batteriet är mer miljövänlig. Dock har nickelmetallhydridbatteriet sämre livslängd jämfört med litiumjonbatteriet. Idag används batteriet i en många olika slags applikationer, både i stationära applikationer och bärbara applikationer [11].

Batterisystem för större applikationer innehåller oftast ett batterihanteringssystem (BMS) som ser till att batteriet arbetar inom säkra gränser och optimerar därmed livslängd och verkningsgrad [23].

Det negativa med nickelmetallhydridbatterierna är dess höga självurladdningshastighet. När batteriet är fulladdat förlorar det mellan 5–20 % av sin kapacitet inom de första 24 timmarna. De är också känsliga för djup urladdning då prestandan minskar efter bara några hundra cykler av djup urladdning [11]. I Tabell 9 visas egenskaper för ett nickelmetallhydridbatteri [24] och i Tabell 10 visas en sammanfattning av för- och nackdelar med batteriet. Parametervärdena som visas i Tabellen är baserade på ett nickelmetallhydridbatteri utan batterihanteringssystem.

Tabell 9. Egenskaper för nickelmetallhydrid.

Egenskaper Värde

Tabell 10. För- och nackdelar med nickelmetallhydrid.

Bättre energitäthet än NiCd-batterier Sämre livslängd än li-jonbatterier Lägre minneseffekt än NiCd-batterier Hög hastighet av självurladdning Mer miljövänlig än NiCd-batterier Känsliga för djupurladdning

Prestanda minskar relativt snabbt med cykelantalet

(23)

16 2.1.4 Prestanda- och prisutveckling

Priserna för batterilager har minskat med tiden och förväntas fortsätta minska i framtiden [4]. Den största prisminskningen hittills har skett för litiumjontekniken tack vare ökat intresse från främst elindustrin och marknaden för elektriska fordon. Prisminskningen förväntas fortsätta, dels genom att skapa mer effektiva batterier i framtiden och således kunna minska materialanvändningen, men främsta drivkraften kommer vara den ökade efterfrågan och de ökade tillverkningsvolymerna som kommer där av. Till år 2030 förväntas laddningscyklerna öka med cirka 90 %, livslängden öka med cirka 50 % och verkningsgraden med ett par procentenheter beroende på teknik. Kostnaden för litiumjonbatterier lämpade för elektriska fordon föll med 73 % från år 2010 till år 2016. I stationära applikationer krävs dock bättre hårdvara och mer avancerat batterihanteringssystem, vilket resulterar i högre totala kostnader för dessa batterier. I Tyskland har litiumjonbatterier för småskaliga stationära applikationer, trots detta, sjunkit med 60 % från år 2014 till år 2017. Till år 2030 förväntas

litiumjonbatterier för stationära applikationer sjunka ytterligare med 54–61 % jämfört med dagens priser. Det är dock viktigt att poängtera att kostnaden beror mycket på tillgängligheten hos de material som batterierna består av, vilket skulle kunna bromsa prisutvecklingsminskningen i framtiden [4].

Trots att blybatteritekniken är en gammal och välutvecklad teknik så går utvecklingen fortfarande framåt. Tillverkarna genomför förbättringar i prestandan och försöker minska kostnaderna ytterligare.

Till år 2030 förväntas cykelantalet fördubblas jämfört med dagens batterier,

självurladdningshastigheten förväntas minska betydligt och energitätheten förväntas öka betydligt.

Dock har blysyratekniken fått hård konkurrens av litiumjonteknikerna då de i nuläget ersätter blysyrabatterierna i många applikationer. Att utveckla blysyratekniken så att de kan konkurrera med litiumjonteknikerna i framtiden kommer kräva stora investeringar och det är osäkert om befintliga tillverkare är intresserade av att göra dessa stora investeringar när forskning och utveckling främst riktas mot litiumjontekniken i dagsläget [4].

2.1.5 Tillämpning i kombination med solceller

Batterilager kan tillämpas och styras på olika sätt beroende på syftet. Det kan vara arbitrage-styrd, vilket betyder att batteriet utnyttjar elprisdifferensen på marknaden. Batteriet laddar således upp från elnätet under tidpunkter på dygnet då elen generellt är billig och laddar ur under tidpunkter som elen är dyrare. Denna tillämpningsmetod brukar kallas för trading [25].

Vidare kan batterilager flytta energibehovet över dagen, genom att lagra energi när produktionen från anläggningen är högre än förbrukningen eller genom att ladda upp från elnätet under natten. Den lagrade energin kan således användas när förbrukningen överstiger produktionen eller i syfte att sänka effekttoppar. Metoden när batterierna laddas upp av överskottsenergi och förbrukar den lagrade energin när behovet uppstår kallas demand shift och metoden när batterierna laddas upp i syfte att minska effekttopparna kallas peak shaving [25].

Nyare batteriteknik på marknaden kan också utföra frekvensreglering, vilket betyder att batteriets uppgift är att skapa balans på elnätet när utbud och efterfrågan inte är i jämvikt. För att batteriet ska klara av detta krävs en relativt stor kapacitet, snabb upp- och urladdning samt snabba svarstider eftersom batteriet ska klara av att reglera frekvensen under en minut eller kortare, till dess att annan teknik tar över. Denna teknik kallas för frekvensreglering [25].

De största tjänsterna som batterierna bidrar med idag och kommer fortsätta bidra med i framtiden är demand shift, det vill säga, att tidsförskjuta överskottsproduktionen till senare under dagen/natten för att öka självförsörjningen i fastigheten, samt peak shaving, att reducera effekttoppar. Tack vare

(24)

17

litiumjonbatteriernas snabba upp- och urladdning kommer det i framtiden sannolikt bli mer attraktivt med frekvensreglering i takt med att investeringskostnaderna för batterierna faller. År 2030 förväntas 10–15 % av den totala installerade batterikapaciteten ha frekvensreglering som primär uppgift.

Förmågan hos batterier att tillhandahålla flera tjänster samtidigt gör att batterierna blir mer fördelaktiga att investera i, särskilt på lång och medellång sikt [4].

(25)

18

2.2 Utvärdering av produktionen

2.2.1 Globalinstrålning

Av solens energi är det bara en liten del som slutligen når jorden. Av solinstrålningen utanför atmosfären reflekteras en del tillbaka och en andel reflekteras av ozon, koldioxid och syre. Vidare reflekterar även vattenångan i luften innan solinstrålningen slutligen når jorden [26].

Globalinstrålningen är den totala solinstrålningen mot en solcellsmodul och består av direkt, diffus och reflekterad strålning. Det är den globala solinstrålningen som slutligen, till stor del, styr hur stor produktionen från solcellerna blir [26]. Den direkta instrålningen reflekteras och absorberas i moln vid mulet väder och instrålningen som slutligen når modulerna kallas för diffus strålning. På grund av reflektionen i molnen har instrålningen som uppträder under molniga dagar ingen specifik riktning och således är det meningslöst att uppskatta produktionen ifrån olika solvinklar sådana dagar. Den direkta solstrålningen är instrålningen som går direkt från solen till solcellsmodulerna utan att passera moln, visst sker en del reflektion mot stoft och vattenånga i luften men ljuset får inte samma spridning som den diffusa instrålningen. En solig dag är således solvinklar mer intressant att ta hänsyn till. Den reflekterade strålningen är den direkta och diffusa strålningen som reflekterat mot jordytan vidare till solcellsmodulerna. Den globala strålningen är möjlig att mäta med hjälp av en pyranometer eller en referenssolcell monterad i modulplanet. I Ekvation 1 beskrivs sambandet för globalinstrålningen [26].

IJ(,7J"K8LåJ'>'N = P>QQRK"K(J>'K8LåJ'>'N + P>L5S8"K(J>'K8LåJ'>'N + T5QJ5S85L7)"K8LåJ'>'N (1)

2.2.2 Referenscell

Referensceller kan användas för att mäta globalinstrålningen som når solcellsanläggningen. När solen strålar mot cellen uppstår en spänning som vidare behandlas i en extern krets. I den externa kretsen mäts spänningen över ett litet motstånd som medföljer i referenspaketet och således indikeras globalinstrålningen, mätt i watt per kvadratmeter mot ytan. Precis som en solcellsmodul svarar referenscellen till ljus från alla vinklar, men visar vanligtvis en ökad reflektants, vilket leder till en minskad noggrannhet för ljus som kommer från sidovinklar. Referensceller är ett mycket bra mätinstrument för solceller av den anledningen att de mäter precis samma globalinstrålning som solcellsmodulerna gör, med förutsättning att samma typ av teknik (amorft kisel, tunnfilm,

monokristallint kisel etc.) används för referenscellen som för solcellsmodulerna [27]. Om ett system med flera olika solcellstekniker används i ett och samma system behövs en referenscell för respektive solcellsteknik. Om alla moduler är av samma material räcker det med en referenscell. Det bör

poängteras att referenscellen måste vara placerade i samma riktning och orientering som modulerna för att utvisa den exakta globalinstrålningen som indikeras i respektive lutning och orientering. Om solcellsmodulerna i systemet till exempel är placerade på ett sadeltak bör en referenscell sitta på var sida av sadeltaket för att utvisa den globalinstrålningen som indikeras i respektive riktning [28].

(26)

19 2.2.3 Förluster

Förutom solcellsmodulernas verkningsgrad finns det ytterligare parametrar som begränsar hur mycket systemet kan tillgodogöra sig solens energi. Nedsmutsning av cellerna leder till minskad elproduktion och därför kan vara smart att göra en bedömning i konstruktionsfasen av det lokala förhållandet då det främst är omgivningen som påverkar graden av föroreningar. Det finns även andra systemförluster som påverkar elproduktionen och det kan vara svårt att uppskatta hur stora dessa förluster blir i ett system. Om modulernas lutning och riktning avviker från rekommenderade värden uppstår en förlust, även om modultemperaturer avviker från det nominella. Vid skuggning uppstår en förlust, skugga kan antingen uppstå från närliggande träd och hus alternativt kan modulerna skuggar varandra under tidpunkter på dagen. Modulreflektion och modulernas prestanda vid sämre ljusförhållanden är också en källa som påverkar hur stort utfallet blir. Resterande teknik i systemet ger även upphov till förluster. Kablar, dioder samt eventuella transformatorförluster vid överföring av el till elnätet reducerar utfallet så även övriga komponenter som växelriktare och solsträngsoptimerare [29].

PVGIS är en modell för uppskattning av solinstrålning framtagen av EU-kommissionens

gemensamma forskningscenter. I modellen är det möjligt att simulera solelproduktioner från olika ställen i världen. De antar ett standardvärde för systemförluster på 14 %, denna procent innefattar de tekniska förlusterna i systemet men de skriver också att siffran är väl tilltagen [30].

(27)

20

3.! Metod

I det här kapitlet presenteras en beskrivning av hur genomförandet av projektet gått till. Kapitlet delas upp i två avsnitt. Första avsnittet, avsnitt 3.1, behandlar dimensionering av batterilager. Först förklaras vilka batterier som är kompatibla med det befintliga systemet samt deras egenskaper. Vidare förklaras praktisk information kring fastighetens förutsättningar att implementera ett batterilager. Slutligen presenteras hur dimensioneringsverktyget programmerats och hur den ekonomiska beräkningen genomförts. I avsnitt 3.2 presenteras hur utvärderingen av modulsträngarnas produktion genomförts och vidare hur jämförelsen mellan anläggningens teoretiska och verkliga produktion genomförts.

3.1 Dimensionering av batterilager

3.1.1 Kompatibla batterilager

Ferroamp erbjuder tre batteritekniker i dagsläget som är kompatibla med den befintliga växelriktaren.

Den första tekniken är ett nickelmetallhybridbatteri från Nilar, den andra är ett litiumjärnfosfatbatteri från Pylontech och den tredje är ett litiumtitanatbatteri med en nickel-mangan-kobolt-katod från Toshiba. Batterilagren är uppbyggda av ett antal batterier och för varje batteri eller batteristräng¹ krävs en speciell energilagringsoptimerare (ESO) som är utvecklad för Ferroamps växelriktare. Hur många optimerare som behövs beror på hur snabb upp- och urladdning som önskas då det är den som begränsar effektuttaget på 6 kW per optimerare [23]. I kontakt med Anton Östlund, Ferroamp Elektronik, framkom att optimeraren fungerar som en brygga mellan likströmsnätet och batteriet.

Syftet med optimeraren är att skapa möjligheten att blanda batterier av olika åldrar och kemi i samma system över tid. På så sätt kan batteritypernas olika nyttor samverka för önskat utfall. Optimeraren reglerar också energiflödet mellan batteristrängen och likströmsnätet efter behov (ibid). Vidare

förklarar Anton att det är batterihanteringssystemet (mjukvaran) i batterierna som ser till att batterierna arbetar inom säkra gränser, och nackdelen med Ferroamps energilagringsoptimerare är att den inte kan kommunicera med vilket batterihanteringssystem som helst, vilket resulterar i att batterimarknaden således blir begränsad. Även om de flesta batterisystem rapporterar samma typ av parametrar så måste batterisystemet och växelriktaren kunna kommunicera med samma språk (ibid).

I Tabell 11 visas fakta, som mottagits från Mats Karlström, Ferroamp Elektronik, om de tre batterier som är kompatibla med växelriktaren. Hur snabb upp- och urladdning batteriet får styrs i första hand av hur många energilagringsoptimerare som är kopplade till batterilagret. C-faktorn som är angivet i Tabellen avser det maximala effektuttaget som batteriet klarar av. Ferroamps energilagringsoptimerare har en effekt på 6 kW och en kostnad av 6000 SEK. Om en högre effekt än 6 kW önskas kan flera optimerare parallellkopplas tills att den önskade effekten uppnås (ibid). I Tabellen visas också möjliga tillämpningar för batterierna. Samtliga batterier kan utföra demand shift, trading och peak shaving.

Det är enbart batterilagret från Toshiba som även klarar av frekvensreglering. Tabellen visar också att Toshiba-batteriet klarar ett max-effektuttag på 3C, vilket betyder att hela batteriet kan tömmas på 20 minuter. Att batteriet har en snabb urladdningshastighet är en förutsättning för att frekvensreglering ska vara möjlig, eftersom frekvensreglering kräver ett högt effektuttag under en mycket kort tid. Som även visas i Tabellen är batteriet från Toshiba dock det överlägset dyrast av de tre kompatibla

batterierna i nuläget.

1 Seriekopplade batterier