Gebrauchte Batterien als Stromspeicher (Gebäudeintegration von gebrauchten Batterien als 2nd-Life-Stromspeichersysteme)

• Research unit: FOEN
• Project number: UTF 473.03.14

Key words (German)

Elektromobilität, Batterieherstellung, Li-Ion, Akkumulatoren, Umwelt-Auswirkungen, Lifecycle, Lebenszyklus, Stromspeichersysteme

Short description (German)

Die Elektromobilität gewinnt seit einigen Jahren an Bedeutung und das Angebot an Elektrofahrzeugen wird immer grösser. Die Batterieherstellung verursacht einen wesentlichen Teil der Gesamtbelastung durch Elektroautos.

Ein Teil der Umweltbelastung entsteht durch Prozesse beim Recycling von Batterien. In der Schweiz fallen bereits heute jährlich mehrere Tonnen an ausser Verkehr gesetzten Lithium-Ionen (Li-Ion) Akkumulatoren von Elektrofahrrädern und -autos an, welche derzeit lediglich energetisch verwertet werden, da eine Rückgewinnung von Sekundärrohstoffen bis jetzt wirtschaftlich uninteressant ist. Jedoch lässt sich eine Reduktion der Umweltbelastung von Li-Ion Akkumulatoren durch ein Verlängern der Nutzungsdauer erreichen, indem sie zu einem Elektrizitätsspeicher zusammengeführt und in Gebäuden mit Photovoltaik-Anlagen integriert werden. Dadurch lässt sich der Eigenstromanteil in Gebäuden erhöhen und wirkt sich somit positiv auf die Ökobilanz des Gebäudes aus.

Erste Anwendungsbeispiele zeigen, dass eine Wiederverwendung von gebrauchten Li-Ionen Akkumulatoren aus Elektrofahrrädern als 2^nd-Life-Stromspeicher eine technisch machbare Alternative zur direkten Entsorgung darstellt.

Im Moment fehlen aber für die Produktentwicklung die technischen Anforderungen sowie eine Wirtschaftlichkeitsrechnung für eine Integration von 2^nd-Life-Stromspeicher in Gebäuden.

Project aims (German)

Es soll eine 2^nd-Life Stromspeicher-Pilotanlage entwickelt und in einem Gebäude in Betrieb genommen werden. Zudem wird aufgezeigt, unter welchen Bedingungen gebrauchte Li-Ion Akkumulatoren im Vergleich zu herkömmlichen Elektrizitätsspeichern eine rentable Investition darstellen. Die Umwelt-Auswirkungen der Weiterverwendung von gebrauchten Akkumulatoren sowie eines erhöhten Eigenstromanteils wird quantifiziert und Anforderungen an Sicherheit und Brandschutz werden festgelegt.

Description of results (German)

Die Ergebnisse zeigen, dass 2^nd-Life Batteriespeicher in Kombination mit PV-Anlagen im heutigen Preis-Umfeld ab einer gewissen Systemgrösse eine wirtschaftliche Investition darstellen können. Die 2^nd-Life Zellen/Batterien müssen dafür mindestens 800 Restentladezyklen aufweisen, was i.d.R zu erwarten ist. Typische Systeme für Einfamilienhäuser sind zu klein. Aus der Untersuchung geht auch hervor, dass bei den aktuellen Randbedingungen hinsichtlich Strompreis und Vergütung eine PV-Anlage ohne zusätzlichen Speicher in aller Regel wirtschaftlicher ist. Für das Szenario „Neue Energiepolitik“ aus der Energiestrategie 2050 ist die optimale Systemgrösse für das untersuchte Mehrfamilienhaus eine PV-Anlage mit 15 kW_p (≈ 13.9 W_p/m² A_E) und eine nutzbare Kapazität des Batteriespeichers von 7 kWh (≈ 6.5 Wh/m² A_E).

Im Jahr 2050 können in den drei Szenarien der Energiestrategie ca. 760 bis 1170 MWh an herkömmlichen (neuen) Batteriespeichern durch 2^nd-Life-Speicher mit 1000 verfügbaren Restentladezyklen substituiert werden. Der Umweltnutzen aus dieser Substitution liegt in einer Reduktion des Treibhauspotenzials der Batteriespeicher im selben Jahr um ca. 11'000 bis 16'000 t CO₂-Äquivalente und einer Reduktion des kumulierten Energieaufwandes zur Herstellung der Batteriespeicher um ca. 207'000 bis 305'000 GJ. Eine Zunahme der verfügbaren Restentladezyklen würde dieses Potential erhöhen.

Die kantonalen und bundesweiten Anforderungen an den Brandschutz elektrischer Anlagen können auf 2^nd-Life BES-Systeme übertragen und für die Planung und den Bau von Anlagen genutzt werden. Bei Berücksichtigung geltender Sicherheitsstandards kann davon ausgegangen werden, dass 2^nd-life BES-Systeme kein erhöhtes Brandrisiko auf Gebäude und Anlagen hervorrufen.

Transfer and application (German)

Die Umsetzbarkeit von 2^nd-Life-Batteriespeichern wird anhand von zwei Pilotanlagen im Raum Basel demonstriert. Die eingesetzten Batterien stammen von zwei Schweizer Elektrofahrzeug­her­stel­lern. Es werden zwei unterschiedliche 2^nd-Life- Batteriespeicher verwirklicht. Beide Systeme wurden vorab einem Probebetrieb unterworfen, der wertvolle Ergebnisse zu den speicherbaren Elektrizitätsmengen und zum Lade- und Entladeverhalten der 2^nd-Life- Batteriespeicher lieferte. Die erste Pilotanlage, welche den ReeVolt-Speicher nutzt, wurde im Juli 2015 in Betrieb genommen. Die Installation des zweiten 2^nd-Life-Batteriespeichers im Projekt „Gundeldinger Feld“ in Basel erfolgt im vierten Quartal 2015.

Follow up (German)

Der Kostenvorteil von 2^nd-Life-Batteriespeichern gegenüber aktuellen neuen Batteriespeichern gibt einen Anreiz für Hersteller, die Entwicklung von marktfähigen Produkten voranzutreiben. Für tiefere Basiskosten sollte die gleichstromseitige Einbindung von 2^nd-Life-Batteriespeichern geprüft werden.

Die Tarifsysteme in der Schweiz geben zurzeit einen relativ geringen Anreiz zur Zwischenspeicherung von Solarstrom in Batteriespeichern. In Hinblick auf die positive Wirkung der Energiespeicherung auf die Netzstabilität, ausgehend von einer reduzierten Einspeisung während Spitzenzeiten, gewinnt die Entwicklung alternativer Tarifsysteme an Bedeutung. Diese Arbeit ist weitergehender Forschung vorbehalten.

Weitere Pilotanlagen befinden sich in der Konzept- und Planungsphase.

Publications / Results (German)

Kim, D., Geissler, A., Menn, C., Hengevoss, D.: "Quantifizierung des Umweltnutzens von gebrauchten Batterien aus Elektrofahrzeugen als gebäudeintegrierte 2nd-Life-Stromspeichersysteme"; Bauphysik 37 (2015) Heft 4, S. 213-222. DOI: 10.1002/bapi.201510022.

Menn, C., Geissler, A.: "Electric Vehicle Batteries in Energy Storage Systems: An Economic Analysis for Swiss Residentials"; CISBAT Conference Proceedings, Lausanne (CH), September 9.-11. 2015, p. 537-542.

Vogel, B.: „Ein zweites Leben für Batterien von E-Mobilen“;