Flexibilität durch Wärmespeicherung in konzentrierenden Solarkraftwerken

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1 Flexibilität durch Wärmespeicherung in konzentrierenden Solarkraftwerken egeb Forum Energie 13. Juli 2011 Dr. Markus Ewert Technology & Innovation

2 Inhalt 1 Zukünftige Trends im Energiesystem 2 Stromspeichertechnologien 3 Konzentrierende Solarkraftwerke mit Speicher 4 Wärmespeichertechnologien 5 Wirtschaftlichkeit Seite 2

3 Zunahme der Leistung fluktuierender Erneuerbarer Energien auf 40 % Anteil an der Stromproduktion ~25 % Installierte Leistung EU-27 in GW Stromproduktion EU-27 in TWh % % Solar Wind Sonstige Sonstige einschließlich Biomasse, Geothermie und Wasserkraft (installierte Leistung Biomasse: 2020 = 44 GW, 2035 = 58 GW) Quelle: Ein mögliches Szenario für die Struktur der Stromerzeugung Seite 3

4 Der Ausbau der Erneuerbaren kann zu einer Verdreifachung der Preisvolatilitäten auf dem Strommarkt führen Standardabweichung der Marktpreisvolatilitäten in % Preisschwankungen folgen zunehmend dem Angebot von Wind und Sonne und immer weniger dem Tag- /Nachtzyklus Häufigkeit starker Preisschwankungen nimmt zu Deutschland UK Frankreich Italien Quelle: Rechenergebnisse Seite 4

5 Die zunehmende Preisschwankungen werden den Einsatz von Speichern begünstigen Leistung Solar Wind Speicher Import Strompreis Export Seite 5

6 Der Einsatz von Stromspeichern wird durch die Preisdifferenzen am Strommarkt bestimmt Strompreise EEX 1 (2008) und Betrieb eines Pumpspeicherkraftwerks - Pumping / + Turbining [MW] EEX Spot [ /MWh] Die mittlere Vollbenutzung von Pumpspeicherkraftwerken beträgt % Der Betrieb folgt heute der Tageszeit mit kurzen Niedrigpreisphasen zum Laden in der Nacht 1. Woche im Januar 2008, Mo - So Seite 6

7 Zykluswirkungsgrad beim Laden und Entladen bestimmt die Ausnutzung der Technologien Zykluswirkungsgrad Deckungsbeitrag Kapitalfluss bei 100 MW Anlagenbetrieb 1 in k % 91 % Druckluft % 100 % Pumpspeicher % 130 % Batterie Zeit in h 1. Eine Woche in Deutschland 2035 Seite 7

8 Zur Verfügung stehende Speicherverfahren- bzw. technologien Stromspeicher Mechanisch Elektrochemisch Elektrisch Pumpspeicher Druckluftspeicher Schwungmassenspeicher Batterien Supraleitende Magneten Kondensatoren Chemisch Wasserstoff Methan Wärmespeicher Thermisch Sensibel (flüssig/fest) Latent (Phasenwechselmaterialien) Chemisch (Hydroxide/Karbonate) Physikalisch (Sorption) Seite 8

9 Wärmespeicher in den Anschaffungskosten vergleichbar mit Pumpspeichern aber universeller einsetzbar Spezifisches Invest für einen 8h-Speicher in /kwh el.(output) (erwartete Kosten 2035) Energiespeicher Umwandlungskomponenten adiabater Druckluftspeicher Wasserstoffspeicher/ Batterie Brennstoffzelle Wärmespeicher/CSP Pumpspeicher Senkung der spezifischen Kosten bei Wärmespeicher CSP durch die Anhebung der Prozesstemperatur möglich Elektrochemische Energiespeicherung ist trotz angenommener Lernkurve teuer 1. Wärmespeicher (Flüssig): bestehend aus Wärmetauscher, Behälter, Speichermedium, Anschlussleitung - 40 /MWh (th), Wirkungsgrad Turbine: 40 % 2. Pumpspeicher bestehend aus oberem und unterem Speicherbecken sowie reversibler Turbine 3. Adiabater Druckluftspeicher bestehend aus Verdichter, Wärmespeicher, Kaverne und Turbine 4. Wasserstoffspeicher bestehend aus Netzanschluss, Elektrolyseur, GC, Speicherkaverne, Brennstoffzelle, Wechselrichter 5. Batteriesystem bestehend aus Batterie und Wechselrichter bzw. Netzanschluss Seite 9

10 Langfristig werden bei sehr hohem Anteil erneuerbarer Energien Wochen- oder Saisonspeicher erforderlich Erneuerbare decken 80% 1 der Jahres-Stromproduktion GW 150 LW + BM + Geo Wind Solar Last Juli Sommer Verschiebung in die Nachtstunden über Kurzzeitspeicher Verschiebung in den den Winter über saisonale Speicher 150 Dezember Winter GW h Wochenweise Phasen der Windunterproduktion Wochenweise Phasen der Windüberproduktion 1. Szenario 80 % Erneuerbare Beispielhaft für Deutschland/Erzeugungsgang mittels Wetterdaten 2007 generiert/ohne Berücksichtigung Stromimport /Export (Anteile Jahresenergieproduktion 47 % Wind (117 GW); 13 % Solar (69 GW); 20 % Laufwasser, Biomasse und Geothermie (17 GW) Seite 10

11 Mit zunehmender Speicherdauer wird die Wasserstoffspeicherung im Vergleich immer günstiger Spezifisches Invest für einen 2 Wochen-Speicher in /kwh el.(output) Energiespeicherung Umwandlungskomponenten Wärmespeicher/CSP adiabater Wasserstoffspeicher/ Druckluftspeicher Brennstoffzelle Pumpspeicher Batterie Kavernen und Speicherbecken sind im Vergleich sehr kostengünstig zu vergrößern Wärmespeicher ist bei dem adiabaten Druckluftspeicher der Hauptkostentreiber Batterien und Wärmespeicher sind zur Speicherung großer Energiemengen sehr teuer und daher wenig geeignet Seite 11

12 Solarthermisches Kraftwerk mit Wärmespeicher Turbine Generator HT- Tank Kühlturm NT- Tank Solarfeld (Thermoöl) Speichersystem (Salzlösung) Kraftwerksteil Source: Solar Millenium AG Seite 12

13 Added value durch Flexibilisierung der Stromerzeugung aus Solarkraftwerken mittels Wärmespeicherung Leistung/ Preis Last Marktpreis Verschiebung der Produktion zu Zeiten hoher Last bzw. Marktpreise Produktion ohne Speicher Produktion mit Wärmespeicher Gleichmäßigere Auslastung der Kraftwerkskomponenten Uhrzeit Last und Marktpreis Spanien 2007 Seite 13

14 Solarthermisches Kraftwerk mit Wärmespeicher Andasol Anlage in Spanien mit Speicher Andasol 1-3 Leistung 3x50 MW el. Speichertechnologie Salzschmelze 1 Temperatur C Speichervolumen 6 x m 3 Ladeleistung 130 MW th Entladeleistung 120 MW th Speicherinhalt 1000 MWh th 8 h Gesamtinvest ~ 1 Mrd. davon Speicher (allg.) ca % Quelle: Solar Millenium AG 60% Natriumnitrat (NaNO 3 ) /40% Kaliumnitrat (KNO 3 ) Seite 14

15 Forschungsförderung zur Weiterentwicklung von CSP- Wärmespeichern: E.ON International Research Initiative E.ON Research Award 2010 Fördersumme 5 Mio. Projekte Sensibler Speicher: Stein/Beton - Luft, DLR, D Nanokristalliner Metallhydrid Fraunhofer IFAM/ZBT Duisburg, D Latentwärmespeicher: Salz/Dampf, Fraunhofer ISI, D Phasenwechselmaterialien: Einkapseln, University of South Florida, USA Absorbtionsspeicher: Metallhydrid - Mg, University of Nottingham, UK Seite 15

16 Wärmespeichertechnologien für CSP weisen unterschiedlichen Entwicklungsstand auf Sorption (Metalhydrid) Phasenwechselmaterial Research Deployment Development Demonstration Thermochemisch Salzschmelze Feststoff (Beton) Seite 16

17 Salzschmelze (Wärmespeicher)/Thermoöl (Wärmeträger) Temperaturbereich C Erstarrungstemperatur C Kosten /kwh th /kw th Status Stand der Technik (NaNO 3 -KNO 3 ) Weiterentwicklung - Erhöhung der Temperaturstabilität des Wärmeträgers Thermoöl auf über 400 C zur Erreichung höherer Dampfparameter - von 2-Stoff zu 3-Stoffgemischen mit niedriger Erstarrungstemperatur (<100 C) - Ersatz des Thermoöls durch Salz (Einstoffsystem) Quelle: Solar Millenium Seite 17

18 Phasenwechselmaterialien Temperaturbereich Umgebungstemperatur bis >1.000 C Kosten /kwh th /kw th Status Stand der Technik im Temperaturbereich bis 100 C Für hohe Temperaturen 100 kw Pilotanlage realisiert, aber noch Forschungsbedarf Weiterentwicklung Verbesserung des Wärmetransports zwischen Speichermedium und Wärmeträgerfluid durch - Verbundmaterialien, davon eine Komponente mit hoher Wärmeleitfähigkeit - hohe spezifische Wärmeüberträgeroberfläche durch Integration von Wärmeleitstrukturen in das Speichermaterial - Kapselung des Materials zur Verkleinerung der Wärmetransportwege Quelle: DLR Seite 18

19 Feststoff (Beton, Schüttgut) Temperaturbereich Umgebungstemperatur bis 400 C Kosten /kwh th /kw th Status Pilotanlage mit Beton bis 400 C (100 kw/400 KWh ) Für hohe Temperaturen und industrielle Anwendung noch Forschungsbedarf Weiterentwicklung Entwicklung neuer Betonmischungen zur Anpassung an spezielle Anforderungen - Verbesserung der Zyklenfestigkeit - Anhebung der oberen Temperatur auf rd. 500 C Quelle: DLR Seite 19

20 Thermochemisch Temperaturbereich C Kosten (noch unbekannt) Status Grundlagenforschung Weiterentwicklung Suche nach geeigneten Materialien mit vollständig reversibler Reaktion hoher Reaktionskinetik Außerdem folgende Randbedingungen - Gleichgewichtstemperatur im gewünschten Arbeitsbereich - hohe Lebensdauer und Aktivität des Katalysators im Falle katalytischer Prozesse - gute Wärmetransportmöglichkeiten vom und zum Reaktionsbett Seite 20

21 Sorption Temperaturbereich C Kosten noch unbekannt Status Zur Stofftrennung: Stand der Technik Als Wärmespeichertechnologie: Grundlagenforschung Weiterentwicklung Untersuchung von Verbund- und Mikroporösen Materialien, die für großtechnische Anwendung geeignet sind. - Absenkung der Desorptionstemperatur - Anhebung des Temperaturhubs der Absorption Seite 21

22 Wirtschaftliche Optimierung der CSP Anlage durch Integration von Wärmespeichern Vergrößerung des Solarfeldes mit Speichereinsatz CSP-Anlage ohne Wärmespeicher CSP-Anlage mit Wärmespeicher Solare Leistung Max. Kraftwerks -Leistung +50% Uhrzeit Thermischer Speicher Solarfeld Kraftwerksteil Solarfeld Kraftwerksteil Invest 100 % Invest 125 % Seite 22

23 Wirtschaftlichkeit in solarthermischen Kraftwerken (Einspeisevergütung Spanien) Ohne Wärmespeicher in M /a Mit Wärmespeicher und Solarerweiterung in M /a Speicher Zus. Solar Speicher + zus. Solar Deckungsbeitrag Kapitalkosten Deckungsbeitrag Kapitalkosten Vergrößerung der elektrischen Nettoerzeugung durch Überdimensionierung des Solarfeldes und Steigerung der Vollbenutzungsstunden des Kraftwerkteils Erhöhung der solaren Anteils bei gleichzeitiger Reduzierung des Gasverbrauchs für Zufeuerung Seite 23

24 Im Vergleich ist CSP teurer als Offshore-Wind allerdings ist die Einspeisung durch Speicher steuerbar Vollkosten der Stromerzeugung 1 [ /MWh] Kohle Gas Kernenergie Windonshore Windoffshore Solar PV Fluktuierende Einspeisung Other 220 CAPEX Solar Thermisch Hauptansatzpunkte zur Kosteneinsparung CSP Ziel: Kosten vergleichbar zu Wind offshore: Erhöhung der Prozesstemperatur bei vergleichbarer Investition (dadurch höherer Wirkungsgrad und Stromproduktion je kwh Solarwärme) Kommerzielle Massenfertigung bei der Herstellung der Kollektoren Kostengünstige Wärmespeicher (höhere Auslastung des Kraftwerksteils) 1. Berechnung der CAPEX mit unterschiedlichen Betriebsstunden der Anlagen, Kostenstand heute, Solarenergie PV und CSP in Spanien, Wind on- und offshore durchschnittliche Windbedingungen für Europa, Kohle und Gas inkl. CO2-Zertifikatskosten Seite 24

25 Resümee Markt für Energiespeicher wächst mit zunehmendem Anteil fluktuierender Einspeisung Vielzahl an Speicheroptionen mit unterschiedlichen Einschränkungen (geographisch, Netzzugang, Last im Netz) Wärmespeicher sind universell einsetzbar Wirtschaftlichkeit von Wärmespeichern ist im Vergleich zu anderen Optionen der Flexibilisierung ist gegeben Wärmespeicher erhöhen die Wirtschaftlichkeit von CSP Projekten Entwicklung der Wärmespeicher erst am Anfang, technologisches und wirtschaftliches Verbesserungspotential gegeben Solarenergie aus CSP ist mit Wärmespeichern grundlastfähig Vollkosten der Stromerzeugung über CSP sehr hoch kann noch gesenkt werden Seite 25