Wie viel Speicher braucht das Stromnetz? Und wie können wir derartige Speicher realisieren?

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1 Vortrag im Rahmen des Arbeitskreis Energiewende Vaterstetten Wie viel Speicher braucht das Stromnetz? Und wie können wir derartige Speicher realisieren? Vaterstetten Prof. Dr.-Ing. Andreas Jossen Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik (EES) Karlstrasse 45, München, Technische Universität München Tel.:

2 Übersicht Energiespeicher, die treibenden Kräfte Entwicklung unserer Stromnetze Warum brauchen wir Energiespeicher? Wie viel Speicher wird benötigt? Technologische Möglichkeiten Beispiele Zusammenfassung und Ausblick

3 Rede von Angela Merkel zur Eröffnung der 63. IAA am in Frankfurt am Main Der Jackpot der Welt ist sicherlich die Batterieentwicklung, die Frage, wer es schafft, ein kleines, superlang haltendes und speicherndes Medium zu entwickeln. Das ist für Chemiker, Physiker und sonstige Wissenschaftler neben der Frage, wie man einen Autolack bekommt, der als Solarzelle funktioniert, eine der tollsten Aufgaben. Damit gibt es also zwei spannende Forschungsaufgaben, um die ich mich in den nächsten Jahren auch sehr kümmern werde

4 Kosten eines BEV und dessen Komponenten Kosten eines BEV (2020) BEV groß (30 kwh Bat) BEV klein (10 kwh Bat) Abgeleitete Herstellkosten in Getriebe/Kupplung Nebenaggregate El. Maschine Motor Controller Leistungselektronik Sonst. Elektronik Traktionsbatterie Ladegerät Restliches Fahrzeug Grafik basierend auf: Strukturstudie BWe mobil

5 Entwicklung unserer elektrischen Netze -Einzug erneuerbarer Energien-

6 600 TWh/Jahr 1.65 TWh/Tag Stromverbrauch in Deutschland

7 Entwicklung erneuerbarer Energien Entwicklung und Prognose der erneuerbaren Energiesysteme in Deutschland Aus : Energiekonzept 2050, Fachausschuss Nachhaltiges Energiesystem 2050 des ForschungsVerbunds Erneuerbare Energien, Juni 2010

8 Beispiel WKA Beispiel für Leistungsschwankungen von Windkraftanlagen (Quelle: IfR / TU Braunschweig) Aus : Energiekonzept 2050, Fachausschuss Nachhaltiges Energiesystem 2050 des ForschungsVerbunds Erneuerbare Energien, Juni 2010

9 Integration von erneuerbaren Energien Aus heutiger Sicht sind Erneuerbare Energien schlecht regelbar Heute kann die die Fluktuation der Stromerzeugung durch gute Planung/Prognose in Kombination mit Verbundnetzen abgefangen werden Mit weiterer Steigerung der erneuerbaren Energien wird sich aber die Stabilität der Stromnetzte verschlechtern. Daher ergibt sich als Folge: Es wird zunehmend Regelleistung benötigt Dies kann erfolgen durch: Erneuerbare Energiesysteme müssten regelbar werden Andere Systeme zur Stabilisierung sind notwendig (Gasturbinen etc.) Weiterer Ausbau der Verbundnetze Einsatz von Energiespeichern Die beste Lösung wird gesucht!

10 Installierte Speicherkapazität in Deutschland Zur Zeit sind in Deutschland Pumpspeicherkraftwerke mit einer Leistung von 7 GW und einem Energieinhalt von 40 GWh installiert. Inst. PSK 7 GW, 5.7h 40 GWh Der heute installierte Speicher in Deutschland kann 1/40 der pro Tag benötigten Energie speichern. Aus : Energiekonzept 2050, Fachausschuss Nachhaltiges Energiesystem 2050 des ForschungsVerbunds Erneuerbare Energien, Juni 2010

11 Notwendige Speichergröße Zur Zeit werden Studien zur Ermittlung der erforderlichen Speichergröße erstellt. Da es hierfür unterschiedliche Ansätze gibt schwanken die Zahlen sehr stark: Cigre Studie (2008): Bei 50% Windenergieanteil 23 TWh 14 x Tagesenergiebedarf Bei PV Inselsystemen geht man von etwa 3 bis 10 mal dem Tagesbedarf aus: TWh Bei optimaler Nutzung der regenerativen Energien, ist ein saisonaler Speicher mit ca. 50 x dem Tagesbedarf erforderlich: 80 TWh Bei kleineren Speichern, kann eventuell ein Teil der Energie nicht abgenommen werden und es muss eine Überdimensionierung der Erzeuger in Kauf genommen werden. Optimierungsproblem

12 Elektrische Energiespeicher -Heutige und zukünftige Technologien-

13 Möglichkeiten der el. Energiespeicherung Elektrochemische Speicher haben ein guten Wirkungsgrad sowie eine attraktive spezifische Energie. Sie sind somit für mobile und portable Anwendung heute die wichtigste Technologie. Für stationäre Anwendungen sind mechanische Speicher heute von großer Bedeutung (große Speichersysteme). Bei dezentralen Systemen spielen elektrochemische Speicher eine wichtige Rolle.

14 Prinzip eines elektrischen Speichers EE EE Wandler Speicher Wandler Elektrische Ladung Entladung des Speichers Elektrolyseur Brennstoffzelle - Preiswerte Materialien (Energieträger und Wandler) - Materialien hoher spezifischer Energie - Hohe Reversibilität erforderlich - Sichere Materialien -

15 Wirkungsgrad des Speichers Umwandlungswirkungsgrad Speicherverluste Umwandlungswirkungsgrad Elektrische Energie Elektrische Energie Wandler 1 Wandler 2 Speicher Gesamtnutzungsgrad W W Entladen Eingeladen Typische Werte: Wasserstoffbatterie: 30% Pumpspeicherkraftwerk 75% Bleibatterie 80% Li-Ionen Batterie 90%

16 Speichertechnologien Quelle: Electricitystorage.org: Technologies and applications. 2003

17 Speicherkraftwerke

18 PSK mit kleiner Fallhöhe (< 300 m) Es gibt zahlreiche Standorte aber Akzeptanzproblem

19 Nutzungsgrad eines Pumpspeicher

20 PSK mit kleiner Fallhöhe (< 300 m) Quelle. Prof. Andreas Schlenkhoff, Bergische Universität Wuppertal

21 Die größten PSK in Deutschland 7 GW ; 40 GWh

22 PSK mit kleiner Fallhöhe (< 300 m) Fazit: Pumpspeicherkraftwerke sind heute die kostengünstigste Technologie Kosten für PSK mit geringer Fallhöhe sind heute noch zu hoch Kostenreduktion bei Turbinen, Pumpen, Elektronik erforderlich Oberflächendichtungen, Rohrleitungen Optimierung der Betriebsweise Akzeptanz von PSK ist aufgrund des hohen Flächenbedarfs kritisch Aktuell quasi keine Speicherzubau

23 Quelle. Herr Popp Ringwallspeicher

24 Quelle. Dissertation Herr Popp Ringwallspeicher im Meer

25 Quelle: Dissertation Herr Popp Speichergröße Ringwallspeicher Gesamtfläche DE: km² 50 Tagesspeicher bei 300 m Höhenunterschied: 0.6% der Fläche

26 Unterirdisches PSK Nutzung Bereich des stillgelegten Kohlebergbaus. Höhenunterschiede von 1000 m sind hier typisch. Quelle: Dipl.-Wirtsch.-Ing. Marko Schmidt, Energie-Forschungszentrum Niedersachsen

27 Druckluftspeicher Druckluftspeichersysteme (engl. Compressed Air Storage (CAS) können als großtechnische Systeme gebaut werden und werden zur Zeit im Zusammenhang mit Windkraftanlagen diskutiert. Als Gasspeicher dienen dann i.d.r. unterirdische Salzkavernen.

28 Druckluftspeicher - Betriebsmodi - Quelle: Fritz Crotogino, Einsatz von Druckluftspeicher-Gasturbinen-Kraftwerken beim Ausgleich fluktuierender Windenergie-Produktion mit aktuellem Strombedarf

29 CAS heutige Systeme Bestehende Anlagen: Problem: - Beim Komprimieren entsteht Wärme - Beim Entspannen kühlt sich das Medium ab. - Ohne Speicherung der Wärme nur rel. schlechter Wirkungsgrad.

30 Adiabatisches CAS Adiabatische Druckluftspeicher benötigen neben dem Druckspeicher einen Wärmespeicher.

31 Kosten von Großspeichers Quelle: Energy storage for improved operation of future energy supply systems, M. Kleimair: Cigre 2008

32 Batteriespeicher

33 Energiedichte im Vergleich zu Benzin Bei gleichem Energieinhalt sind Batterien mindestens 60 mal schwerer und 25 mal größer als Benzin. Die bessere Effizienz des elektrischen Antriebs verbessert die Verhältnisse etwas, auf die Faktoren 15 und 6. Für stationäre Anwendungen spielt diese geringe Energiedichte aber nur eine untergeordnete Rolle

34 Bewag Bleibatterie-Anlage Die Anlage diente zur Stabilisierung des Berliner Stromnetzes - 14 MWh, 17 MW Leistung Sofortreserve und Frequenz Regelleistung Kosten: ca. 400 /kwh

35 Lithium-Ionen für stationäre Anwendungen LIB 2015 LESSY Projekt Li-Ionen Batteriespeicher mit P= 1MW E= 700 kwh Standort: KW Fenne, Evonik Power Saar GmbH Kosten Heute: ca /kwh

36 Natrium-Schwefel Pilotanlage: Wakkanai, Japan Wind Park + NaS Batterie -Installierte Leistung des Wind Parks: 51 [MW] -Leistung NaS Batterie: 34 [MW] -Kapazität NaS Batterie: 238 [MWh] -Lebensdauer (erwartet): bis 15 Jahren (300 Zyklen pro Jahr)

37 Redox Flow Systeme Interessant für große stationäre Speichersysteme bis 100 MWh

38 Redox-Flow Batterie Bei der Redox Flow Batterie liegen alle Reaktionsproduke und die Reaktanten in flüssiger Form vor. Die Speicherung erfolgt in Tanks. Am bekanntesten ist das All-Vanadium System: Funktionsprinzip V 3+ V 4+ V 2+ /V 3+ tank V 2+ V 5+ V 5+ /V 4+ Entladung tank Redox-Flow Batterien ermöglichen die unabhängige Auslegung von Leistung (Stackgräße) und Energie Tankgröße+Elektrolytmenge) kw / kwh Bereich MWh Bereich

39 Die Brome/Polysulfid Flow Batterie - Das Regenesys System MWh / 15 MW Energiewirkungsgrad ~ 70 % geschätzte Kosten: 175 / kwh Negative: Na 2 S 4 2 Na 2 S 2 Positive: 3 NaBr NaBr XL-Module mit je 100 kw Anzahl: 120 Module

40 Dezentrale stationäre Anwendungen

41 Lithium-Ionen für stationäre Anwendungen Eine in 2009 durchgeführte Novellierung des EEG hat eine Vergütung des Eigenverbrauchs zur Folge. Energiespeicherung kann sich wirtschaftlich lohnen. Optimierung des Eigenverbrauches: Prinzip Jahre Wirtschaftlichkeitsbetrachtung mit den Annahmen: - Installation in Batteriekosten 350 /kwh - Batteriegröße ca. 12 kwh Quelle: PHOTOVOLTAIC SELF-CONSUMPTION IN GERMANY USING LITHIUM-ION STORAGE TO INCREASE SELF-CONSUMED PHOTOVOLTAIC ENERGY Martin Braun, Kathrin Büdenbender, Dirk Magnor, Andreas Jossen, PVSEC 2009, Hamburg

42 Lithium-Ionen für stationäre Anwendungen Solion Projekt Ziel: Optimierung des Eigenverbrauchs von netzgekoppelten PV-Systemen Li-Ionen Batteriespeicher mit P= ca. 10 kw E= ca. 5 kwh Hersteller (Saft) Energiefluss

43 Li-Ionen Batterien für USV Anwendungen Quelle: Saft Deutschland

44 Kosten von Großspeichers Quelle: Energy storage for improved operation of future energy supply systems, M. Kleimair: Cigre 2008

45 Vehicle to Grid (V2G) Was bewirken 1 Mio Fahrzeuge (2020)?

46 Gesamtleistung der Ladegeräre bezogen auf Spitzenleistung des Netzes Speicherkapazität im Verhältnis zum täglichen Energiebedarf Vehicle to Grid Bei der Integration von Elektrofahrzeugen in des Stromnetz können die Speicher prinzipiell auch für Netzdienste verwendet werden (Vehicle to Grid). Für die Abdeckung der notwendigen Spitzenleistung müssten gut 50% des Fahrzeugbestandes am Netz sein Mio Fahrzeuge am Netz Anteil V2G Gesamtfahrzeugbestand in % Quelle: WBZU Ulm, Jürgen Garche

47 Zusammenfassung Die im Netz erforderliche Speichergröße wird im Bereich mehrerer Tagesenergiemengen liegen mehrere TWh Die Lösung wird in einer Mischung aus: - Regelbaren regenerativen Erzeugern sein - Überdimensionierung mit regenerativen Erzeugern - Weiterer Ausbau der Netzsysteme - Dezentralen Speichern, stationär, wie in Fahrzeugen - Zentralen und auch mittleren Speicherkraftwerken, wahrscheinlich Redox-Flow, NaS oder andere Batteriesysteme Pumpspeicherkraftwerke unterschiedlicher Technologien Wasserstoffspeichernden Systemen

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