Energiespeicher Sfv 20100217pdf

Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.

S dSonnen- und Windenergie aufWindenergie auf Vorrat

E. WaffenschmidtAachen, 17.Feb. 2010

Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.

S.1

Solarenergie Förderverein Deutschland e.V.


100% Erneuerbare Energien sind möglich100% Erneuerbare Energien sind möglichEnergiequellen Einsparungen

SolarenergieWindenergie

g q p gElektrische Energie

Solar-StromSolar-Thermie

WindkraftWasserkraftde e g e

WasserkraftGeothermie

VerkehrWärme

WasserkraftGeothermie

Bio-WertstoffeVerluste

GeothermieBiomase

El.AnwendungenVerkehr

Prozess-HitzeWärme

Ei

Zukünftiger Bedarf

Zukünftiges AngebotEinsparungen

0 500 1000 1500 2000 2500

Energie / Mrd kWh

g

S.2

Infos unter: www.sfv.deEnergie / Mrd kWh


S.3


InhaltInhalt

Wie viel Speicher brauchen wirWie viel Speicher brauchen wir eigentlich?Welche technischen Möglichkeiten gibt es für Speicher?es für Speicher?Was kostet das?Wie schaffen wir Anreize für den Ausbau?

S.4


AnwendungAnwendungWofür benötigen wir Speicher?

Autarkes Gebiet:• Haushalt / Gebäude• Gemeinde• Region• Netzbereich• Netzbereich• Deutschland• Europap

Zeitrahmen: Beispiel:• Sekunden Primär- und Sekundär-Regelung• Minuten Last-Änderungen (Minuten-Reserve)• Stunden Unbestimmte Erzeugung • Halbe bis ganze Tage Tag Nacht Ausgleich

S.5

• Halbe bis ganze Tage Tag-Nacht-Ausgleich• Woche Groß-Wetterlage


Die BausteineDie Bausteine

Anpassung an VerbrauchAnpassung an VerbrauchLastverschiebungErgänzung der EnergieformenA l i h üb ß Di tAusgleich über große DistanzenIm- und ExportpRegelbare ErzeugungS i hSpeicherung

S.6


Anpassung an VerbrauchAnpassung an VerbrauchSpeicher sind nicht spezifisch für Erneuerbare Energien!p p g

100% Vergiss Grundlast !Verbrauchsspezifische

199080%pi

tzen

last Verbrauchsspezifische

Erzeugung notwendig

1980

istu

ng

tägl

iche

S

197060%Leog

en a

uf t

196040%

00:00h 06:00h 12:00h 18:00h 00:00h

bezo

nach Ingo Stadler 2007 [7]

Tageszeit


Anpassung an Verbrauch: KombikraftwerkAnpassung an Verbrauch: Kombikraftwerk

S.8 http://www.kombikraftwerk.de/fileadmin/flash/kk_jahresstatistik_06.swf


LastverschiebungLastverschiebungVerbraucher

I d t i d Wi t h ftIndustrie und WirtschaftKühlhäuserProzesswärmeLüftungsanlagen

PrivathaushalteSpeicherheizung / WärmepumpeSpeicherheizung / WärmepumpeKühlgeräteWasch- und Spülmaschine

PotentialInsgesamt 400 GWhMehrfaches aller PumpspeicherkraftwerkeMehrfaches aller PumpspeicherkraftwerkeAber nur kurzfristige „Speicherung“

Ingo Stadler, Okt. 2005, [7] Photo: ebiPhoto: ebi


Ergänzung der Energieformen -gä u g de e g e o eJahreszeitliche Kompensation

Energieerzeugung bezogen auf JahresenergieertragEnergieerzeugung bezogen auf Jahresenergieertrag

14%

16%

g

PhotovoltaikWind

10%

12%

erze

ugun

g

6%

8%

Ene

rgie

e

2%

4%

Rel

.

0%

Jan

Feb

Mär

Apr

Mai

Jun

Jul

Aug

Sep Okt

Nov

Dez

S.10 V. Quaschning, 2000 [5]


Ergänzung der Energieformen -gä u g de e g e o eJahreszeitliche Kompensation

Energieerzeugung bezogen auf Jahresenergieertrag12%

g

Photovoltaik (25%)Wind (75%)Bedarf

8%

10%

erze

ugun

g Bedarf

4%

6%

Ener

giee

0%

2%Rel

.

Jan

Feb

Mär Apr

Mai

Jun

Jul

Aug

Sep

Okt

Nov

Dez

S.11 V. Quaschning, 2000 [5]


Ausgleich über große DistanzenAusgleich über große Distanzen1. Sept. 2009, 16:00 UTC1. Sept. 2009, 16:00 UTCWetter ist nicht berechenbar. pp

Aber:Wenn die Sonne hier nicht scheint, scheint sie vielleicht woscheint, scheint sie vielleicht wo anders

„Glätten“ der ErzeugungEinzelner Standort: SekundenEinzelner Standort: SekundenVerbund: Sekunden bis MinuteRegion: Einige MinutenDeutschland: Minuten bis Stunde

Standortwahl: Großräumige Verteilung besserGroßräumige Verteilung besser als Konzentration in einer RegionNicht allein Quantität sondern auch Qualität“ beachten

S.12 http://www.sat24.com/history.aspx?country=euhttp://www.sat24.com/history.aspx?country=eu

auch „Qualität beachten


Ausgleich über große DistanzenAusgleich über große Distanzen

n V/[m

/s] Korrelation von

Windgeschwindigkeiten

n V/[m

/s] Korrelation von

WindgeschwindigkeitenEuropäische Ebene:

Erzeugung de-korreliertG ß W h h i li hk it

Abstand Aac

hen V

15Abstand A

ache

n V

15Große Wahrscheinlichkeit zu jeder ZeitWenig Speicher notwendig

800 km

rath

bei

10800 km

rath

bei

10Netzausbau:

Notwendig für AusgleichCa 10x billiger als B = 0.07%

rzog

enr

5B = 0.07%

rzog

enr

5

Ca. 10x billiger als SpeicherDESERTEC ist Schritt in die richtige Richtung

He

V/[m/s]0 5 10 150

He

V/[m/s]0 5 10 150

die richtige Richtung

S.13

Port St. Luis du RhôneMessdaten:Dr. H. Kluttig Port St. Luis du RhôneMessdaten:Dr. H. Kluttig


Regelbare ErzeugungRegelbare ErzeugungBiogas TagesspeicherSteuer- und speicherbar

Drucklose Speicherung, keine Kompressionsverluste

Typ. technische Daten:Leistung: einige 100 kW bis MWLeistung: einige 100 kW bis MWEnergiemenge: max. ca. 2 TageSpeicherdauer: Tage

AnwendungAusgleich von LeistungsspitzenB d f hBedarfsgerechte Energiebereitstellung

S.14 Photo: ebiPhoto: ebiQuelle: Schmack Biogas AG


FazitFazitBedarf von vielen Faktoren abhängig z B:Bedarf von vielen Faktoren abhängig z.B:

Größe des Netz-GebietesRäumliche Verteilung der einzelnen Erzeugerg gVernetzungNutzungsgrad (Abschalten / Kappen bei extremen Wetterlagen)

„Trade-Off“ zwischen Netzausbau und Speichern

Abschätzungen*:S i h öß 370 GWh ( t 2 10 i t S i h )Speichergröße: ca. 370 GWh (etwa 2...10 x exist. Speicher)Nennleistung: ca. 20 GW (etwa 3 x exist. Pump-Speicher)

* nach Kombikraftwerk, 2008 [10]


SpeichertechnikenSpeichertechnikenPumpspeicherkraftwerkPumpspeicherkraftwerkDruckluftspeicherWasserstoffWasserstoffRedox-Flow BatterienN S H ht t B tt iNaS Hochtemperatur BatterienLi-Ion Batterien„Klassische“ BatterienDezentrale Kleinspeicherp

Biomasse

S.16

Biomasse


PumpspeicherkraftwerkePumpspeicherkraftwerkeFunktionsweise:

Speichern: Wasser hoch pumpenErzeugen:Erzeugen: Turbine mit Wasser antreiben

Typ. technische Daten:L i t bi 1GWLeistung: bis zu 1GWEnergiemenge: für mehrere Std.Wirkungsgrad: >80%g gSpeicherdauer: Unbegrenzt

Insgesamt in DeutschlandLeist ng 6 6 GW

Photo: ebiPhoto: ebi

Leistung: 6.6 GW Speichergröße: ca. 30..60 GWh

S.17

Photo: ebiPhoto: ebi

Beispiel: Pumpspeicherwerk Niederwartha bei Dresden

http://de.wikipedia.org/wiki/Pumpspeicherwerk_Niederwartha


Druckluft SpeicherDruckluft-SpeicherFunktionsweise:

Speichern: Hohlraum „aufpumpen“EErzeugen: Turbine mit Druckluft antreibenHohlraumSalzkavernen oder andere unterirdische Hohlräume

Typ technische Daten:Typ. technische Daten:Leistung: einige 100 MWEnergiemenge:

Beispiel: Hundorf, Deutschland, 290MW / 2h

g gfür ein bis zwei Std.Wirkungsgrad: um 60%S i h d St d bi T

S.18

Speicherdauer: Stunden bis Tage


Wasserstoff SpeicherWasserstoff-SpeicherFunktionsweise:

Speichern:Speichern: Wasserstoff erzeugen (Elektrolyse)Erzeugen: B t ff ll d T biBrennstoffzelle oder TurbineHohlraumSalzkavernen oder andere

t i di h H hl äunterirdische HohlräumeTyp. technische Daten:

Leistung: einige 100 MW bis GWEnergiemenge: für Tage bis WochenWirkungsgrad: um 40%Wirkungsgrad: um 40%Speicherdauer: Wochen bis Monate

PotentialV l i hb it E d S i h

Bild: ebi

Bild: Wasserstoff-Brennstoffzelle

Vergleichbar mit Erdgas-SpeicherGasbedarf für mehrere Monate


Redox Flow BatterienRedox-Flow BatterienFunktionsweise:Funktionsweise:

Speichern: Flüssigkeit wird elektrochemisch aufgeladen“„aufgeladen

Erzeugen: Flüssigkeit wird elektrochemisch entladen“„entladen“

Speichermedium:z.B. Vanadium-Salz-Lösung

Typ. technische Daten:Leistung: einige 100 kWEnergiemenge: für einige Std.

Beispiel: King Island, Tasmanien, 200kW / 4hg g g

Wirkungsgrad: >75%Speicherdauer: Grundsätzlich unbegrenzt, typ. Tage bis Wochen

S.20

Weitere Info:http://en.wikipedia.org/wiki/Vanadium_redox_batteryhttp://www.isea.rwth-aachen.de/isea2/forschung/batterien/technologie.php?site=tec_redox.php


NaS Hochtemperatur BatterieNaS Hochtemperatur BatterieFunktionsweise:

Speichern und erzeugen elektrochemischbei ca 300°C 350°Cbei ca. 300 C ... 350 C

Typ. technische Daten:Leistung: geinige 100 kW bis MWEnergiemenge: für einige Std.Wi k d 75%

Photo: EbiWirkungsgrad: >75%Speicherdauer: Tage bis Wocheng

AnwendungVersorgung eines DorfesB B h ühlb h 2800

Photo: Ebi

Beispiel: 1MW / 7MWh NaS Batterie mit Netzanschluß, Younicos AG, Berlin

Bsp. Bruchmühlbach, 2800 Einw.


Li Ion BatterienLi-Ion BatterienFunktionsweise:

El kt dElektroden:Negativ: GraphitPositiv: Lithiertes Metalloxid mitC b lt M Ni k l d EiCobalt, Mangan, Nickel oder Eisen-Phosphat

Elektrolyt: Gelöstes LiPF6

Typ. technische Daten:Leistung: einige W bis kWEnergiemenge: für einige Std.Wirkungsgrad: >90%Speicherdauer:

Photo: Ebi

Speicherdauer: Stunden bis Wochen (Selbstentladung <5% / Monat)Geringes Gewicht: 100 200 Wh/kg

Photo: Ebi

Geringes Gewicht: 100..200 Wh/kg(Doppelt so gut wie NiCd)


Dezentrale SpeicherDezentrale SpeicherBatterietypen:yp

BleibatterieNiCd / NiMhdLi-Ion

Typ. technische Daten:Leistung: einige kWLeistung: einige kWEnergiemenge: für einige Std.Wirkungsgrad: 75% ... 90% Bild: http://billig.strom.1tipp.de/grafik/autobatterie.jpg

Speicherdauer: Tage bis WochenAnwendung

V i H h lVersorgung eines HaushaltesFür Kleininvestoren

S.23


Elektroautos als SpeicherElektroautos als SpeicherSpeicher-Nutzung

Lastverschiebung beimLastverschiebung beim AufladenOption zum teilweisen EntladenEntladenNotfall-Reserve

GeschäftsmodellAuflade-Garantie zum festen ZeitpunktFinanzielle Beteiligungg g

Potential:4 Mio E-Cars (10% aller Autos)(10% aller Autos)40..100 GWh Speicher

Tomi Engel, 2005 [9]


Kostenberechnung von SpeichernKostenberechnung von SpeichernDefinition Referenzfall Definition Speichertechnologie

Leistung [kWh] Wirkungsgrad [%]Kosten Umrichter [ ]

Zyklen [Anz /Tag]

Energie[kWh]

g g [ ]Selbstentladung [%/Tag][€/kWh]

[Anz./Tag][kWh]

max. Entladetiefe [%]

Kosten pro installierter Kapazität [€/kWh]

Speicherkostenfür Energiedurchsatz

Systemlebensdauer[Jahre]

Stromkosten[€Ct/kWh]

[%]Kapazität [€/kWh] g[€Ct/kWh]

[ ]

Kapitalkosten

[€Ct/kWh]Zyklenlebensdauer

[Anz.]Wartung & Reparatur[%/Jahr] p

[%/Jahr]

Nach D.U.Sauer, RWTH Aachen, 15.11.2009,


Kostenberechnung von SpeichernKostenberechnung von SpeichernWenige Zyklen:

Initiale Kosten Spezifische Spezifische Spezifische

g yInitiale Kosten dominieren

Initiale Kosten Kosten Kosten Kosten

Viele Zyklen:Spezifische Kosten dominieren

Initiale Kosten Spezifische Kosten

Spezifische Kosten dominieren


Kosten von SpeichertechnologienKosten von SpeichertechnologienWasserstoff Monatlich

Täglich 10Jahre heuteWasserstoff TäglichDruckluft

(adiabatisch)Monatlich

Täglich

Pumpspeicher Monatlich (abh. vom Standort)Stromkosten 4€CtZins 8%Pumpspeicher

Zink-BromRedox-Flow

Täglich (abh. vom Standort)( )

TageszeitlichTäglich

Täglich

Monatlich:500MW, 100GWh, 1.5 Zyklen/MonatTäglich:Redox Flow

(Vanadium)NaNiCl

(Hochtemp.)NaS



Tä li h

Täglich:1GW, 8GWh, 1 Zyklus/TagTageszeitlich:

NaS (Hochtemp.)

Li-Ion TäglichTageszeitlich

Täglich

Tageszeitlich

10MW, 40MWh, 2 Zyklen/Tag

NiCd

BleiTageszeitlich

Täglich


5 10 20 30 40 50 60Kosten / [€ct/kWh]

Nach D.U.Sauer, RWTH Aachen, 15.11.2009, dort nach folgender Quelle:M. Kleimaier, et.al., „Energy storage for improved operation of future energy supply systems“, CIGRE 2008


Variable StrompreiseVariable Strompreise

Viel Strom: Strom ist billigViel Strom: Strom ist billig • Speicher aufladen, • Energie gebrauchen

Wenig Strom: Strom ist teuerWenig Strom: Strom ist teuer• Speicher entladen,

E i b h hi b• Energieverbrauch verschieben

S.28 Siehe auch W. Schittek, 2008 [11]


Vorschlag SFVVorschlag SFV

Gesetzliche Regelung beinhaltet:Gesetzliche Regelung beinhaltet:Strompreis abhängig von Angebot und NachfrageEinspeisung von steuerbarem“ StromEinspeisung von „steuerbarem Strom wird vergütet wie RegelenergieNetzgebühr wird bei Einspeisung von Speicherenergie rückerstattetp g

S.29


Speicher für Erneuerbare EnergienSpeicher für Erneuerbare Energien...

Sind notwendigSind notwendigSind machbarSind bezahlbar

Wir müssen es angehen!


LiteraturLiteratur[1] Pumpspeicherwerk Niederwartha, http://de.wikipedia.org/wiki/Pumpspeicherwerk_Niederwartha

[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Vanadium_redox_battery[ ] p p g _ _ y

[3] http://www.isea.rwth-aachen.de/isea2/forschung/batterien/technologie.php?site=tec_redox.php

[4] Ralf Simon, Christian Pohl, Kerstin Kriebs,„Einsatzmöglichkeit einer NaS-Batterie für die Regenerativstromversorgung am Beispiel der Gemeinde Bruchmühlbach“Institut für Innovation Transfer und Beratung GmbH Transferstelle Bingen im Auftrag des Ministerium für Umwelt undInstitut für Innovation, Transfer und Beratung GmbH, Transferstelle Bingen, im Auftrag des Ministerium für Umwelt und Forsten Rheinland-Pfalz, 10.03.2006, www.tsb-energie.de.

[5] Volker Quaschning, "Systemtechnik einer klimaverträglichen Elektrizitätsversorgung in Deutschland für das 21. Jahrhundert", Fortschritt-Berichte VDI, Energietechnik, Reihe 6, Nr. 437, Düsseldorf: VDI Verlag 2000, ISBN 3-18-343706-6, auch im Internet unter: http://www.quaschning.de/volker/publis/klima2000/index.html, p q g p

[6] Ralf Bischof, Geschäftsführer Bundesverband WindEnergie (BWE), „ Windenergie Netz- und Systemintegration“, Fachtagung „Windenergie in Deutschland – Beitrag zu Klimaschutz und Versorgungssicherheit“ 11. Sept. 2007.(NNetz- und Systemintegration.pdf)

[7] Ingo Stadler 400 GWh of existing energy storage is waiting to be integrated into electricity supplies to balance fluctuating[7] Ingo Stadler, „400 GWh of existing energy storage is waiting to be integrated into electricity supplies to balance fluctuating renewable energies“, 2nd International Renewable Energy Storage (IRES) Conference, Bonn, Nov. 2007.

[8] Ingo Stadler, „Demand Response – Nichtelektrische Speicher für Elektrizitätsversorgungssysteme mit hohem Anteil erneuerbarer Energien“, Habilitation, Fachbereich Elektrotechnik Universität Kassel, Okt. 2005.

f f S “ S / S S[9] Tomi Engel, „Das Elektrofahrzeug als Regelenergiekraftwerk des Solarzeitalters“, Solarzeitalter 3/2005, S. 11. Siehe auch: http://www.unendlich-viel-energie.de/de/verkehr/detailansicht/browse/3/article/185/das-elektrofahrzeug-als-regelenergiekraftwerk-des-solarzeitalters.html

[10] R. Mackensen, K. Rohrig, H. Emanue, „Das regenerative Kombikraftwerk – Abschlussbericht“, 31. April 2008, http://www kombikraftwerk de/fileadmin/downloads/2008 03 31 Ma KombiKW Abschlussbericht pdf

S.31

http://www.kombikraftwerk.de/fileadmin/downloads/2008_03_31_Ma__KombiKW_Abschlussbericht.pdf

[11] Walter Schittek, „Strom – fit für die Zukunft? Dynamischer Strompreis und virtuelle Sekundärregelung“, Verlag Görich & Weiershäuser, Marburg, Nov. 2008, ISBN 978-3-89703-706-9http://www.staff.uni-marburg.de/~schittek/buch_strom.html

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