Speicher und Regelenergie-Einheiten im Wettbewerb Wer kann was am Markt anbieten?

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1 Speicher und Regelenergie-Einheiten im Wettbewerb Wer kann was am Markt anbieten? Symposium energy 2050 Oldenburg, Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer Professur für Elektrochem. Energiewandlung & Speichersystemtechnik Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) & Institute für Power Generation & Storage Systems E.ON ERC RWTH Aachen Technologien für elektrische Energiespeicher Redox-Flow Batterien Wasserstoff Pumpspeicher Supraleitende Spulen Elektromobilität Eigenverbrauch in PV-Anlagen Schwungrad Supercapacitors Doppelschichtkondensatoren Batterien - Blei, Lithium, NaNiCl,... Druckluft

2 Speicherbedarf für Deutschland bei 100% erneuerbare Energien Kurzzeitspeicher GW 2 4 Stunden Energie Langzeitspeicher GW (Ausspeicherung) Bis maximal 3 Wochen Grobe Abschätzungen, dienen nur der ungefähren Einschätzung des Bedarfs Vorhersage des Speicherbedarfs Die wirtschaftlich betreibbare Kapazität an Speichern (und damit auch deren Bedarf), hängt sehr sensibel ab von Kraftwerksmix (Anteil fluktuierender EE, nicht-fluktuierender EE, konventionelle Kraftwerke, z.b. Gaskraftwerke m/o CCS) Netzausbau, insbesondere transnationaler Netzausbau Kosten der Speichertechnologien Menge an Speichern mit Doppelnutzen langfristiger energiewirtschaftliche Planbarkeit (z.b. Leitplanken wie Ausbauziele Elektromobilität sind dringend notwendig) Speicher sind kein Selbstzweck, d.h. es geht nicht um eine Maximierung der Speicherkapazitäten. Es gibt immer auch technische Alternativen zu Speichern. Eine gesamtwirtschaftliches Optimum muss gefunden werden.

3 Beispiel für Größe von Batteriespeichern 20 Fuss-Container mit h / Angebot auf HannoverMesse 2012 für ca (inkl. Leistungselektronik, ohne MS-Anschluss) 600 solcher Container liefern die gesamte Primärregelenergie für Deutschland Beispiel für Größe von Batteriespeichern Modernste Klasse von Containerschiffen haben Platz für rund Container (Grundfläche rund 400 m x 56 m) Gefüllt mit Batterien entspricht dies 15 GWh (alle deutschen Pumpspeicherkraftwerke haben in Summe 40 GWh)

4 Beispiel für Größe von Wasserstoffspeichern Heute vorhandene Kavernenspeicherkapazität in Deutschland für Erdgas: ca. 20 Mrd. m 3 Mit Wasserstoff gefüllt kann daraus 3 Wochen Strom für Deutschland produziert werden (Rückverstromung mit GuD-Kraftwerk mit 60% Wirkungsgrad) Netzstruktur und begrenzte Übertragungsleistung Stromerzeugung Wind Photovoltaik 220 / 380 kv 110 kv 10/20 kv 400 V ~ 1 kw pro Haushalt ~ 4 6 kw pro Haushalt Speichertechnologien Pumpspeicher Druckluft Wasserstoff DSM (demand side management) power to H 2 / CH 4 DSM (demand side management) Batterien power to H 2 / CH 4 DSM (demand side management) Elektrofahrzeuge Batterien

5 Netzstruktur und begrenzte Übertragungsleistung Stromerzeugung Wind Photovoltaik 220 / 380 kv 110 kv 10/20 kv 400 V ~ 1 kw pro Haushalt ~ 4 6 kw pro Haushalt Speichertechnologien Pumpspeicher Druckluft Wasserstoff DSM (demand side management) power to H 2 / CH 4 DSM (demand side management) Batterien power to H 2 / CH 4 DSM (demand side management) Elektrofahrzeuge Batterien lösen keine Problem im Verteilnetz Virtuelle Großspeicher durch verteilte Speicher in Fahrzeugen (Plug-in Hybride) 10 kwh 10 kwh 10 kwh 10 kwh 10 kwh = ~ 3 kw = ~ 3 kw = ~ 3 kw = ~ 3 kw = ~ 3 kw 400 V 400 V 400 V 400 V 400 V 10 kv / 20kV Hohes Potential mit bi-direktionalen Ladegeräten bei intelligenter Steuerung Besonders geeignet für schnelle Regelung über kurze Zeiten Kapazität: 10 Mill. Fahrzeuge 20 GW, 30 GWh (Annahme: 2/3 zeitliche Verfügbarkeit, 3 kw Anschlussleistung, 20% Kapazitätsnutzung von 15 jwh)

6 Speicher in netzgekoppelten PV-Anlagen Persönliche Optimierung des Strombezugs Einsatz von Speichern zur Optimierung des Eigenbedarfs Verschiedene Technologien möglich Doppelnutzen für zusätzliche Netzdienstleistungen auf jeden Fall im Kurzzeitspeicherbereich möglich Wirtschaftlich für den Betreiber sicher attraktiv Bild: Wiikmedia Commons Klassifizierung von Speichern für Strom und Technologien für Ausgleichsenergie Generalisierung: Speicher sind eine Technologie zur Bereitstellung von Regel- und Ausgleichsenergie Klassifizierung aus Sicht des Marktes und der Marktstruktur für Ausgleichsenergie: Errichtungsstruktur (zentral vs. dezentral, Anlass für Errichtung) Bereitstellungsdauer von Energie und Leistung Regelenergieanbieter (positive und/oder negative Regelleistung)

7 Klassifizierung von Speichern für Strom und Wettbewerbstechnologien Strom zu Strom positive und negative Regelenergie Speicher nimmt Strom aus dem Netz auf und gibt Strom in das Netz ab Irgendwas zu Strom positive Regelenergie System generiert Strom aus einem speicherbaren Energieträger oder stellt dem Netz Strom durch Verzicht zur Verfügung Strom zu Irgendwas negative Regelenergie Strom wird verwendet und in einen anderen niederwertigeren Energieträger umgewandelt oder vernichtet Klassifizierung von Speichern für Strom und Wettbewerbstechnologien Sekunden bis Minuten Kurzzeitspeicher Hohes Leistung zu Energieverhältnis Energiebereitstellung bei Volllast für weniger als 15 min Hohe Zyklenzahlen Tagesspeicher mittelfristige Energiespeicher Energiebereitstellung im Bereich von einer bis zehn Stunden Typischerweise geeignet nur für den Ausgleich innerhalb eines Tages Ein bis zwei Zyklen pro Tag Wochen bis Monate Langzeitspeicher Energiebereitstellung über viele Tage bis zu einem Monat Ausgleich z.b. für lang anhaltende Flautenphasen oder saisonale Schwankungen Wenige Zyklen pro Jahr

8 Klassifizierung von Speichern für Strom und Wettbewerbstechnologien Zentrale Speichersysteme Typischerweise nur als große Einheiten wirtschaftlich betreibbar Meist an spezielle Standorte (z.b. Pumpspeicher, Druckluft) gebunden Modulare Speichersysteme Speicher sind aus kleinen Einheiten aufgebaut Aufbau ist nicht an bestimmte Umgebungsvoraussetzungen gebunden Mit wachsender Größe kaum wirtschaftliche Skaleneffekte Modulare Speichersysteme mit Doppelnutzen Speicher erfüllen einen anderen Primärzweck Netzdienstleistung sind ein kostengünstig anbietbarer Zusatzverdienst Speicherklassifizierung Strom zu Strom storage only storage "daily" storage zinc-bromine for - (lead-acid - zinc-bromine flow batteries (?) - - hydro storage

9 Speicherklassifizierung Strom zu Strom storage only storage "daily" storage zinc-bromine for - (lead-acid - zinc-bromine flow batt. (?) - Speicherklassifizierung Strom zu Strom storage only storage "daily" storage zinc-bromine for - (lead-acid - zinc-bromine flow batt. (?) -

10 Speicherklassifizierung Strom zu Strom storage only storage "daily" storage zinc-bromine for - (lead-acid - zinc-bromine flow batt. (?) - - (pumped hydro) Speicherklassifizierung Strom zu Strom storage only storage "daily" storage zinc-bromine for - (lead-acid - zinc-bromine flow batt. (?) - - (pumped hydro)

11 Speicherklassifizierung Strom zu Strom storage only storage "daily" storage zinc-bromine for - (lead-acid - zinc-bromine flow batt. (?) - - (pumped hydro) Speicherklassifizierung Strom zu Strom storage only storage "daily" storage zinc-bromine for - (lead-acid - zinc-bromine flow batt. (?) - - (pumped hydro)

12 Speicherklassifizierung Strom zu Strom storage only storage "daily" storage zinc-bromine for - (lead-acid - zinc-bromine flow batt. (?) - - (pumped hydro) Bestehende Märkte in denen Speicher sich finanzieren müssen Blindleistung Sekunden bis Minuten Primärregelenergie Sekunden bis Minuten Sekundärregelenergie Tagesspeicher Minutenreserve Tagesspeicher Spread im Stromhandelspreis Tagesspeicher Kraftwerkseinsatzplanung Wochen bis Monate

13 Speicherklassifizierung Strom zu Strom storage only storage "daily" storage for Direkter Wettbewerb zinc-bromine - (lead-acid - zinc-bromine flow batteries (?) - - hydro storage Speicherklassifizierung Strom zu Strom storage only storage "daily" storage for - - electric - electric and plug-in and plug-in hybrid hybrid with bi-directional vehicles with directional with vehicles systens (e.g. directional lead-acid, systens (e.g. lead-acid, - lithium-ion, grid-connected NaS, lithium-ion, PV-battery NaS, zinc-bromine systens - systens lead-acid (e.g. lead-acid, (e.g. batteries lead-acid, lithium-ion, - lithium-ion, lithium-ion NaS, - lead-acid redox-flow batteries NaS, batteries (?) - NaS batteries zinc-bromine - (lead-acid - redox-flow - zinc-bromine redox-flow - flow batt. - lithium-ion - zinc-bromine pumped batteries - hydro hydrogen flow batt. - NiCd -/ compressed NiMH batteries -- compressed pumped air air hydro (diabatic or --(lead-acid flywheels - NiCd / NiMH (?)

14 Speicherklassifizierung Irgendwas zu Strom "Anything to electricity" positive control power storage "daily" storage "weekly to monthly" storage - shut down of electric vehicles and PHEV charging - CHP units with thermal storage - Demand side manag. (DSM) of electrical loads (shut down) - Electric vehicles and PHEV (stop charging) for - bio-gas power plants - bio-gas power plants - - gas power plants - rotating masses and - coal power plants steam reserve of - hydro storage conventional power plants - solar thermal power plants with heat storage - lignite power plants - nuclear power plants - hydro storage Speicherklassifizierung Strom zu Irgendwas "Electricity to Anything" negative control power storage "daily" storage "weekly to monthly" storage - electric domestic house heating or cooling incl. heat pumps - demand side management (household & industry) - cooling devices - electric vehicles and PHEV with uni-directional - electric domestic house heating or cooling incl. heat pumps - demand side management (household & industry) - cooling devices - electric vehicles and PHEV with uni-directional for 100 MW - shut down of renewable power generators (wind, PV) - shut down of renewable power generators (wind, PV) - 1 GW

15 Vergleich von Alternativen Tages -Speicher "Daily" storage Electricity to Electricity storage only "Anything to electricity" positive control power "Electricity to Anything" negative control power for - - redox-flow storage batteries - zinc-bromine flow batteries - CHP units with thermal - CHP units with thermal storage - Demand side manag. (DSM) of electrical loads (shut down) - Electric vehicles and PHEV (stop charging) - bio-gas power plants - Demand side manag. (DSM) of electrical loads (shut down) - Electric vehicles and PHEV (stop charging) - gas power plants - coal power plants - hydro storage - solar thermal power plants with heat storage - electric domestic house heating or cooling incl. heat pumps - demand side management (household & industry) - cooling devices - electric vehicles & PHEV (uni-directional ) - shut down of renewables (wind, PV) - electric domestic house heating or cooling incl. heat pumps - demand side management (household & industry) - cooling (e.g. devices in the traffic secor) - electric - methan vehicles or methanol & PHEV made (uni-directional ) Vergleich von Alternativen Tages -Speicher "Daily" storage Electricity to Electricity storage only "Anything to electricity" positive control power "Electricity to Anything" negative control power for - zinc-bromine flow batteries - - CHP units with thermal storage - Demand side manag. - bio-gas power plants (DSM) of electrical loads (shut down) - Electric vehicles and PHEV (stop charging) - zinc-bromine flow batteries - bio-gas power plants - gas power plants - coal power plants - hydro storage - solar thermal power plants with heat storage - shut down of renewables (wind, PV) - electric domestic house heating or cooling incl. heat pumps - demand side management (household & industry) - cooling devices - electric vehicles & PHEV (uni-directional ) - shut down of renewables (wind, PV)

16 Vergleich von Alternativen Tages -Speicher "Daily" storage Electricity to Electricity storage only "Anything to electricity" positive control power "Electricity to Anything" negative control power for (diabatic or adiabatic) - - gas power plants - coal power plants - hydro storage - solar thermal power plants with heat storage - zinc-bromine flow batteries - CHP units with thermal storage - Demand side manag. (DSM) of electrical loads (shut down) - Electric vehicles and PHEV (stop charging) - bio-gas power plants - gas power plants - coal power plants - hydro storage - solar thermal power plants with heat storage - electric domestic house heating or cooling incl. heat pumps - demand side management (household & industry) - cooling devices - electric vehicles & PHEV (uni-directional ) - shut down of renewables (wind, PV) Vergleich von Alternativen Tages -Speicher "Daily" storage Electricity to Electricity storage only "Anything to electricity" positive control power "Electricity to Anything" negative control power for Direkter Wettbewerb - - zinc-bromine flow batteries Direkter Wettbewerb - CHP units with thermal storage - Demand side manag. (DSM) of electrical loads (shut down) - Electric vehicles and PHEV (stop charging) - bio-gas power plants - gas power plants - coal power plants - hydro storage - solar thermal power plants with heat storage - electric domestic house heating or cooling incl. heat pumps - demand side management (household & industry) - cooling devices - electric vehicles & PHEV (uni-directional ) - shut down of renewables (wind, PV)

17 Zusammenfassung Technologien für Energiespeicherung sind vorhanden! Kapazitäten sind eine Herausforderung, aber kein Problem! Speicher sind kein Selbstzweck sondern Teil der Technologien für Ausgleichsenergien Marktpreise für Regelleistung sinken mit zunehmender Installation von Speicherkapazitäten Speicher mit Doppelnutzung sind sehr wettbewerbsfähig für Netzdienstleistungen Dezentrale Speichertechniken für den Stundenbereich werden die Marktsituation für Zentralspeicher sehr schwierig machen. Speicher und Regelenergie-Einheiten im Wettbewerb Wer kann was am Markt anbieten? Symposium energy 2050 Oldenburg, Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer Professur für Elektrochem. Energiewandlung & Speichersystemtechnik Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) & Institute für Power Generation & Storage Systems E.ON ERC RWTH Aachen