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1 Dr. Stefan Linder, ABB Power Systems, Speicher-Anforderungen und -Lösungen zur Integration von grossen Mengen PV Energie 10. Nationale Photovoltaik Tagung 2012 ABB 1

2 Programm Zukünftiger Energiemix Schweiz Ermittelung des Speicherbedarfs Speicherlösungen Langfristiger Ausblick Zusammenfassung

3 Herausforderungen der Energiewende Aktuelle Situation Dargestellte Daten = 2010; Quelle: BfE 7000 Erzeugung (GWh pro Monat) Speicherwerke + Andere Laufkraftwerke Nuklear Januar Februar März April Mai Juni Juli August Monat September Oktober November Dezember Nuklear: 25 TWh, entsspricht ca. 3 GW mittlerer Leistung March 19, 2012 Slide 3

4 Ersatz Atomenergie Potenziale erneuerbarer Energiequellen 1) «Energiezukunft Schweiz», ETH Studie November 2011 Erneuerbare Energiequelle Potenzial bis ) (TWh pro Jahr) Solar Biomasse 5 8 Wasser 4 6 Wind 2 4 Geothermie 0 8 Total Wegfall von nuklear erzeugter Energie: 25 TWh/Jahr Testmix zur Untersuchung der Auswirkungen: 15 TWh Sonnenergie mittels Photovoltaik («PV»), erzeugt in CH 3 TWh Windenergie, erzeugt in CH 7 TWh Wasser, Biomasse, Geothermie, modelliert als Bandenergie March 19, 2012 Slide 4

5 Neue erneuerbare Energiequellen (Wind und Sonne) Herausforderungen Energieproduktion muss exakt dem Verbrauch folgen Saisonale Erträge Tageskurven Ertragsschwankungen durch Wetter/Klimaverhältnisse Erforderliche Netzkapazität muss gewährleistet sein March 19, 2012 Slide 5

6 Balance Erzeugung-Verbrauch Einstellung der Energieproduktion Nicht regelbare Produktion Laufkraftwerke KKW Wind und Sonne Geregelte (gesteuerte) Produktion Hydraulische Speicherwerke Gaskraftwerke = Residuallast Verbrauch March 19, 2012 Slide 6

7 Balance Erzeugung-Verbrauch Beispiel: Residuallast mit 18 TWh Wind+Sonne Gesamt- Energieverbrauch CH = 60 TWh Aufteilung der 18 TWh: 80% Sonne, 20% Wind Residuallast [MW] Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Starke Überproduktion kann im Zeitraum von März bis September auftreten

8 Balance Erzeugung-Verbrauch Beispiel: Residuallast mit 18 TWh Wind+Sonne Aufteilung der 18 TWh: 80% Sonne, 20% Wind Erzeugung, Verbrauch [MW] Mo Di Mi Do Fr Sa So Verbrauch PV Wind Bandenergie: Laufkraftwerke, Biomasse, Geothermie etc Ohne Speicher: Drosseln Ohne Speicher: Erzeugen durch regelbare Kraftwerke In CH: Hauptsächlich Hydro-Speicherwerke In Europa: Meist Gaskraftwerke (typ.)

9 Optimaler Mix Wind-Sonne Residuallast mit 18 TWh Wind+Sonne (PV) Annahmen: 1) Totalkonsum Schweiz = 60 TWh, Profil ) Totale Erzeugung Wind + Sonne = 18 TWh (ca. 30% des Verbrauchs) 3) Wind Erzeugungs- Charakteristik: Irland ) PV Erzeugungsprofil für 47 Breite, 7 Länge, mit Wettersimulation Häufigkeit [Stunden/Jahr] % Sonne (PV) 80% Wind, 20% Sonne (PV) Residuallast [MW] Energiespeicherung steigt mit Anteil an Sonne Bei 100% Sonne: 5.6 TWh (30% der Produktion) Bei 80% Wind, 20% Sonne: 1.1 TWh (6% der Produktion)

10 Energiespeicher Benötigte Speicherleistung und Kapazität Annahmen: ) Totalkonsum Schweiz = 60 TWh, Profil ) Totale Erzeugung Wind + Sonne = 18 TWh (ca. 30% des Verbrauchs) Maximale Residuallast [MW] Minimale Speicherleistung [MW] Minimale Speicherkapazität Testmix Minimale Speicherkapazität [GWh] Anteil Sonnenenergie [%] Annahme: maximal 5% der Erzeugung von Wind + Sonne müssen abgeregelt werden (d.h. max. 900 GWh = 1/4 der Jahresproduktion von Mühleberg) March 19, 2012 Slide 10

11 Energienetz Optimale Plazierung der Speicher im Energienetz Grosskraftwerk Offshore Windpark Internat. Stromtransport Höchstspannung (220 / 380 kv) Windpark Schwerindustrie Hochspannung (110 kv) Mittelspannung (6-30 kv) Windkraftanlage Windkraftanlage grosse PV Anlage Industrie/Gewerbe kleine PV-Anlage Haushalte/Kleingewerbe Niederspannung (< 1 kv) March 19, 2012 Slide 11

12 Energienetz Optimale Plazierung der Speicher im Energienetz Grosskraftwerk Offshore Windpark Pumpspeicher Internat. Stromtransport Höchstspannung (220 / 380 kv) Windpark TEES oder CAES Schwerindustrie Hochspannung (110 kv) Windkraftanlage Windkraftanlage grosse PV Anlage Batteriespeicher Industrie/Gewerbe Mittelspannung (6-30 kv) kleine PV-Anlage Batteriespeicher Haushalte/Kleingewerbe Niederspannung (< 1 kv) March 19, 2012 Slide 12

13 Energienetz Optimale Plazierung der Speicher im Energienetz Grosskraftwerk Offshore Windpark Pumpspeicher Internat. Stromtransport Höchstspannung (220 / 380 kv) -6% Windpark -25% Schwerindustrie Hochspannung (110 kv) Mittelspannung (6-30 kv) Windkraftanlage Windkraftanlage grosse PV Anlage Industrie/Gewerbe kleine PV-Anlage Batteriespeicher Haushalte/Kleingewerbe Niederspannung (< 1 kv) -6% -15% March 19, 2012 Slide 13

14 Energiespeicher Speicherung mittels Elektroautos? Verbrauch Verbrauch, Generation PV Bandenergie Nacht Tag Nacht Tag Nacht Speicherkapazität = 25 GWh: (Anforderung bei 80% Sonne, 20% Wind) Klasse Beispiel Akku- Kapazität Anzahl benötigte Autos für 25 GWh Hybrid Toyota Prius 1.3 kwh 19 Millionen Plug-in Hybrid Toyota Prius PHEV 5.2 kwh 4.8 Millionen Vollelektrisch Tesla Modell X 85 kwh March 19, 2012 Slide 14

15 Energiespeicher Stationäre Batteriespeicher Systeme («BESS») Leitstand Wechselrichter Batteriecontainer Ökonomischer als Kleinsysteme (Kosten, Lebensdauer, Wirkungsgrad) Systeme bis ca. 100 MWh machbar, begrenzt durch Ökonomie Akku-Technologie: Li-Ionen, NaS, Blei, je nach Anforderung BESS können Systemdienstleistungen wahrnehmen (Spannungsregelung, Regelenergie) Wichtigste Herausforderungen: Leittechnik (Regelungs-Algorithmen) Kostensenkungen Mittelspannungssystem (ähnlich EKZ) Beispiel: EKZ System, eingeweiht am 21. März 2012 March 19, 2012 Slide 15

16 Energiespeicher Wirtschaftlichkeit Annahmen: 1) Ankauf = 50 CHF/MWh 2) Durchschnittliche Auslastung = 70% 3) Li-Ionen Akkupreis = 800 CHF/kWh, Lebensdauer = Zyklen od. 10 Jahre Li-Ionen Batteriesystem 4 MW / 16 MWh Thermoel. Speicher (TEES) 50 MW / 200 MWh Druckluft-Speicher (CAES) 300 MW / 1 GWh Pumpspeicher 1 GW / 20 GWh Abschreibungen Energieverlustkosten Fixkosten und Unterhalt Kosten pro Speicherzyklus (CHF/MWh) Gestehungspreis von konventionell produzierter Energie: ca. 80 CHF/MWh Batterien müssen (und werden) günstiger werden! March 19, 2012 Slide 16

17 Energiespeicher Neuartiges ABB Speichersystem («TEES») Neuartiges Konzept Speicherkonzept: Wärme und Kälte Geographisch/geologisch unabhängig Umweltfreundlich keine giftigen oder gefährlichen Stoffe Skalierbar 5 MW/20 MWh 50 MW/400 MWh Mehrwerte möglich, beispielsweise Einbindung in Fernwärme/Kältenetze Nutzung von Abwärme (z.b. KVA) Verstromung von Geothermie Zeichnung Pilotanlage 5 MW/15 MWh (geplante Realisierung in der Schweiz) Gute Energieeffizienz 60 70% pro Speicherzyklus March 19, 2012 Slide 17

18 Blick in die Kristallkugel Weitere Erhöhung des Anteils von Wind+Sonne Annahmen: 1) Totalkonsum Schweiz zwischen 43 TWh mit 0% Solar+Wind, bis 80 TWh 50% Solar+Wind 2) Maximal 5% der Produktion von Wind+Sonne abgeregelt (verloren) benötigte Speicherkapazität [GWh] 250 mit 80% Solar, 20% Wind mit 25% Solar, 75% Wind % 10% 20% 30% 40% 50% Anteil Wind und Sonne an Gesamtproduktion [%] Speicherbedarf bei hohem Anteil von Sonne nimmt enorm zu Grund: Steigendes saisonales Ungleichgewicht zwischen Produktion und Verbrauch March 19, 2012 Slide 18

19 Zusammenfassung Speicherbedarf steigt mit wachsenem Anteil an Wind und vor allem Sonne stark an Ideale Plazierung von Energiespeichern: Ort der Einspeisung Energiespeicherlösungen Batterien für kleine bis mittlere Energien Bisher keine etablierte Lösung für grosse Energien Pumpspeicher für sehr grosse Energien Batteriezellen müssen noch deutlich günstiger werden TEES kann Lücke zwischen Pumpspeichern und Batterien in Zukunft eventuell füllen

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