Ergebnisse der VDE- Speicherstudie

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1 Ergebnisse der VDE- Speicherstudie FVEE-Workshop Elektrochemische Energiespeicher und Elektromobilität Ulm, , D.U. Sauer Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

2 LeistungMW 5347MW Wie viel Speicher wäre notwendig, um Windkraft grundlastfähig zu machen? Lastverlauf und Windleistung im Vattenfall Hochspannungsnetz ( ) Leistung [MW] Load consumption Lastverlauf Wind power prognosis Windleistung (Prognose) Wind power generation Windleistung Kapazität aller deutschen Pumpspeicherkraftwerke (40 GWh) 2000 ~540 GWh 0 Source: IfR / TU Braunschweig 03/02 10/02 17/02 24/02 02/03 IfR, TU Braunschweig 2008 Notwendige Speicherkapazität zur kontinuierlichen Lieferung der mittleren Leistung Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe Folie 2

3 Gliederung Übersicht Speichertechnologien Kostenberechnung Szenarien für die Energiespeicherung Zusammenfassung Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe Folie 3

4 Batteriespeicher membrane electrode electrolyte tank electrolyte I electrolyte II pump pump NaS / NaNiCl - Zink-Brom + Anode Separator Cathode Zn ++ Br - Br - Zn + electrolyte tank Lithium-Ionen charge / discharge Redox-flow 2e - 2e - Br 2 Anolyte Catholyte NiCd Bleisäure Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe Folie 4

5 Technologien für zentrale Großspeicher Pumpspeicher Wasserstoff mit Kavernenspeichern Druckluft (mit und ohne Wärmespeicher) Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe Folie 5

6 Betriebsbereiche für verschiedene Anwendungen Installierte Leistung 1 Jahr 10 W 1 kw 100 kw 10 MW 1 Monat 1 Woche 1 1 GW Typische Entladedauer ½Tag 1 h 1 min 1 s Langzeitspeicher 2 - Load-leveling HV 3 - Load-leveling MV 4 - Load-leveling LV 100 GW 10 ms kwh MWh GWh TWh Installierte Speicherkapazität Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe Folie 6

7 Gliederung Übersicht Speichertechnologien Kostenberechnung Szenarien für die Energiespeicherung Zusammenfassung Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe Folie 7

8 Ziel: Bestimmung der besten Speichertechnologie In stationären Anwendungen sind Gewicht und Volumen nur zweitrangig und wirken im Wesentlichen über die Kosten für den Raumbedarf. Technologien werden nur vorselektiert in Bezug auf Zeitdauer bis Volllast. Annahmen: Alle Technologien sind durch modularen Aufbau zu jeder beliebigen Größe skalierbar. Speichersysteme können ggf. klimatisiert werden, so dass Betriebstemperaturbereiche keine Rolle spielen. Vielzahl von Parametern charakterisieren eine Speichertechnologie, was es sehr unübersichtlich macht. Reduktion aller Parameter auf die betriebswirtschaftlichen Kosten pro abgegebener kwh (Stromhandel) und die Kosten pro installiertem kw (Reserveleistung) Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe Folie 8

9 Kostenberechnung Energie [kwh] Kosten Umrichter [ /kw] Leistung [kw] Wirkungsgrad [%] Selbstentladung [%/d] Zyklen [#/Tag] Kosten pro installierte Kapazität [ /kwh] Stromkosten [ ct/kwh] Wartung & Speicherkosten für Energiedurchsatz [ ct/kwh] Annuitätenmeth. Reparatur [%/Jahr] Kapitalkosten [%] maximale Entladetiefe (DOD) [%] Systemlebensdauer [Jahre] Zyklenlebensdauer bei DOD [#] Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe Folie 9

10 Kosten für Energie aus Großspeichern ( monatlich ) (500 MW, 100 GWh, ~1,5 Zyklen pro Monat, Stromkosten 4 ct, Kapitalk. 8%) > 10 Jahre heute > 10 Jahre heute abhängig vom Standort Quelle: ENERGY STORAGE FOR IMPROVED OPERATION OF FUTURE ENERGY SUPPLY SYSTEMS, M. Kleimaier, et.al., CIGRE 2008 Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe Folie 10

11 Kosten für Energie aus Großspeichern ( täglich ) (1 GW, 8 GWh, 1 Zyklus / Tag, Stromkosten 4 ct, Kapitalk. 8%) > 10 Jahre heute heute > 10 Jahre abhängig vom Standort Quelle: ENERGY STORAGE FOR IMPROVED OPERATION OF FUTURE ENERGY SUPPLY SYSTEMS, M. Kleimaier, et.al., CIGRE 2008 Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe Folie 11

12 Kosten für Energie aus Großspeichern ( täglich ) (1 GW, 8 GWh, 1 Zyklus / Tag, Stromkosten 4 ct, Kapitalk. 8%) 5 bis 10 Jahre heute Quelle: ENERGY STORAGE FOR IMPROVED OPERATION OF FUTURE ENERGY SUPPLY SYSTEMS, M. Kleimaier, et.al., CIGRE 2008 Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe Folie 12

13 Kosten für Energie aus Speichern im MS-Netz (10 MW, 40 MWh, 2 Zyklen pro Tag, Stromkosten 4 ct, Kapitalk. 8%) 5 bis 10 Jahre heute Quelle: ENERGY STORAGE FOR IMPROVED OPERATION OF FUTURE ENERGY SUPPLY SYSTEMS, M. Kleimaier, et.al., CIGRE 2008 Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe Folie 13

14 Alternativen zur elektrischen Energiespeicherung Kraft-Wärme-Kopplung mit thermischen Speichern Nutzung von thermischen Massen im Haus- und Haushaltsbereich (z.b. in Kühlgeräten oder in den thermischen Massen der Gebäude bei Verwendung von Wärmepumpenheizsysteme Räumlich-zeitlicher Ausgleich durch leistungsfähige Netze (Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung über große Distanzen) Weiteres Lastmanagement im industriellen Bereich Substitution des Energieverbrauchs im Verkehrssektor durch Strom (immer verbunden mit anwendungsgebundenen Speichern) Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe Folie 14

15 Alternativen zur elektrischen Energiespeicherung Kraft-Wärme-Kopplung mit thermischen Speichern Nutzung von thermischen Massen im Haus- und Haushaltsbereich (z.b. in Kühlgeräten oder in den thermischen Massen der Gebäude bei Verwendung von Wärmepumpenheizsysteme Räumlich-zeitlicher Ausgleich durch leistungsfähige Netze (Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung über große Distanzen) Weiteres Lastmanagement im industriellen Bereich Substitution des Energieverbrauchs im Verkehrssektor durch Strom (immer verbunden mit anwendungsgebundenen Speichern) Speicherung elektrischer Energie ist immer eine teure und ineffiziente Maßnahme. Es kann viel Geld ausgegeben werden, um die elektrische Speicherung zu vermeiden. Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe Folie 15

16 Warum ist Wasserstoff die einzige Alternative als Langzeitspeicher? Wirtschaftlicher Betrieb nur bei häufigem Energiedurchsatz oder sehr geringen Investitionskosten Langzeitspeicherung bedeutet weniger als einen Zyklus pro Woche Typische Investitionskosten bei Batterien zwischen 100 und 500 /kwh Komprimierter Wasserstoff in Salzkavernen liegt im Bereich von 0,25 / kwh (Δp = 100 bar, η = 50%) Batteriestrangtrenner Batteriestrang Entlüftung Belüftung Wasserstoff ist für Kurzzeitspeicherung wg. des geringen Wirkungsgrad uninteressant Lüftungsanlage 1.) 2.) salt dome station cavern storage Anlagensteuerung Datenerfassung Schaltgeräte Stromrichter Batteriestrangsteuerung Glättungsdrosseln Transformator Baujahr 1986 im Inselnetz Berlin 17 MW, 14 MWh 7080 Zellen mit 2V / 1000 Ah 30 kv-anbindung Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe Folie 16

17 Gliederung Übersicht Speichertechnologien Kostenberechnung Szenarien für die Energiespeicherung Zusammenfassung Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe Folie 17

18 Kurzfristszenario (10 Jahre) für Speicher zur Netzregulierung (Betriebsbereich einzelner Speichereinheiten) typische typical discharge Entladedauer time 1 year 1 month 1 week ½ day 1 hour 1 min 1 s 10 ms II III 10 W IV installed installierte power Leistung 1 kw 100 kw 10 MW VI VII 1 GW 100 GW spez. specific Leistung power [kw/kwh] 100 II - SuperCaps, Schwungrad III - Batterien IV - Redox-flow Batterien VI - bestehende Pumpspeicher VII - Speicherkraftwerke (Wasser) kwh MWh GWh TWh installierte installed storage Speicherkapazität capacity Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe Folie 18

19 Mittelfristszenario (20 Jahre) für Speicher zur Netzregulierung (Summe der jeweiligen Speicher) typische Entladedauer 1 year 1 month 1 week ½day 1 hour 1 min 1 s 10 W Fahrzeugspeicher + Speicher in PV-Systemen + thermische Speicher + Smart grid -Management installierte Leistung 1 kw 100 kw 10 MW Wasserstoff 1 GW 100 GW 10 ms kwh MWh GWh TWh installierte Speicherkapazität Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe Folie 19

20 Gliederung Übersicht Speichertechnologien Kostenberechnung Szenarien für die Energiespeicherung Zusammenfassung Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe Folie 20

21 Zusammenfassung Viele Speichertechnologien sind verfügbar. Kostenberechnungen sind komplex und hängen von vielen Parametern ab. Ein Vergleich von Kosten verschiedener Speichertechnologien kann nur auf Basis von klar definierten Referenzfällen erfolgen. Kosten für Speicher pro durchgesetzter kwh hängen sehr stark von Finanzparametern wie Kapitalkosten und Stromkosten ab. Vehicle-To-Grid für alle Speicheraufgaben von 10 ms 1 Tag Wasserstoff ist die einzige Option für Langzeitspeicherung. Umfangreiche F&E ist für alle Technologien gerechtfertigt und dringend notwendig, um die avisierten Kostenziele zu erreichen. Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe Folie 21

22 Quelle VDE ETG-Studie Energiespeicher in Stromversorgungssystemen mit hohem Anteil erneuerbarer Energieträger, veröffentlicht Dezember 2008, für VDE-Mitglieder kostenlos erhältlich Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe Folie 22

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