Welche Speicher und Netze braucht die Energiewende?

Transkript

1 Welche Speicher und Netze braucht die Energiewende? Stromspeicher auf dem Prüfstand Fachtagung Energie, Graz, Ing. Momir Tabakovic, MSc. Kurt Leonhartsberger, MSc.

2 FH Technikum Wien Institut für Erneuerbare Energie Standort ENERGYbase Bachelor-Studium "Urbane Erneuerbare Energietechnologien" und Master- Studium Erneuerbare Urbane Energiesysteme mit mehr als 300 Studierenden angewandte F&E auf dem Gebiet der Erneuerbaren Energie mit derzeit etwa 15 nationalen und europäischen Forschungsprojekten Schwerpunkte: Kleinwind, PV, Speichersysteme, Smart Grids, Nachhaltigkeit aktive Mitarbeit in Arbeitsgruppen der Internationalen Energie Agentur (z. B. IEA Wind Task 27) sowie diversen Technologieplattformen FH Technikum Wien 2016 Leonhartsberger IEA Wind Task 27 Meeting in Wien, April 2015

3 Unser Energiesystem im Wandel Erzeugungskapazitäten in der EU 2014 (in MW). Quelle: European Wind Energy Association Veränderung der Erzeugungskapazitäten in der EU seit 2000 (in MW). Quelle: European Wind Energy Association

4 Unser Energiesystem im Wandel nachhaltige Energieenergieerzeugung führt zu neuen Herausforderungen fluktuierende Erzeugung durch Wind- und PV-Anlagen ersetzen regelbare Kraftwerke Erzeugung und Verbrauch müssen zu jedem Zeitpunkt genau übereinstimmen Stromnetz verfügt über keine Speichermöglichkeiten Speicher ermöglichen zeitliche Entkoppelung von Erzeugung und Verbrauch => Flexibilität! Quelle: Gawlik, Wolfgang: Systemübergreifende dezentrale Energiespeicher im Universal Grid, Konferenz Erneuerbare Energie Kärnten, Velden, November2013.

5 Einsatzbereiche von Stromspeichersystemen Energiemanagement z. B. Ausgleich von Tagesschwankungen, Saisonspeicher Ziele: Versorgungssicherheit, Sicherstellung permanenter Energieverfügbarkeit Alternative Anwendungen z. B. Inselbetrieb, E-Mobility Ziele: Alternative zu fossilen Brennstoffen bei fehlendem Netzzugang oder mobilen Anwendungen Netzdienliche Anwendungen z. B. Frequenzhaltung, Spannungshaltung, Ausgleichs- und Regelenergie, Reduktion von Erzeugungsund Verbrauchsspitzen Ziele: Entlastung Stromnetze, Vermeidung von Netzausbau Wirtschaftlicher Betrieb z. B. Eigenbedarfsoptimierung, Preis-Arbitrage Ziele: Gewinnmaximierung

6 Einsatzbereiche von Stromspeichersystemen Sekunden Spannungshaltung Blindleistungsregelung Frequenzhaltung (Primär- und Sekundärregelung) Minuten Schwarzstartfähigkeit Sekundär- und Tertiärregelenergie Peak Shaving (Spitzenlastglättung) Stunden und mehr Inselbetrieb Erhöhung Eigenbedarfsdeckung Ausgleich von Tagesschwankungen (Lastausgleich) Stromhandel / Preis-Arbitrage Saisonspeicher Elektromobilität Netzmanagement Energiemanagement Hohe Leistung Hohe Kapazität Quelle: Energy Storage Technology Roadmap 6

7 Speichertechnologien Mechanisch Elektrochemisch Thermisch Elektrisch Pumpspeicher Druckluftspeicher Schwungrad Akkumulatoren Blei / CiCd / NiMH / Li-Ion HT-Akkumulatoren NaS / NaNiCi Flow- und Gas-Batterien Redox-, Hybridflow / Metall Luft Sensible Wärmespeicher z. B. Wasser- oder Betonspeicher Latentwärmespeicher Doppelschicht- Kondensatoren Supraleitende Spulen Wasserstoff / Power-to-Gas Quellen: Fraunhofer ISE 2009, Felberbauer 2012 Indirekte Speicherung Direkte Speicherung FH Technikum Wien 2016 Leonhartsberger 7

8 Kenngrößen von Stromspeichern Nenn- und Nutzkapazität in [J] oder [Wh] Theoretische bzw. tatsächliche nutzbare Kapazität des Speichers Nutzkapazität = Nennkapazität und Entladetiefe Entladetiefe (DoD) in [%] max. entnehmbare Energie pro Zyklus bezogen auf die Speicherkapazität Lade und Entladeleistung in [W] maximale abrufbare Energie pro Zeiteinheit Lebensdauer in Vollzyklen Vollzyklus = vollständige Be- sowie Entladung des Speichers, kann auch aus mehreren Teilzyklen bestehen Nutzungsgrad in %/Zeitraum Verhältnis von abgegebener zu zugeführter Energie über einen bestimmten Zeitraum Nutzkapazität Lade- und Entladeleistung Lebensdauer Nutzungsgrad weitere Kenngrößen: >> Energiespeicher für erneuerbare Energie als Schlüssel- Technologie für zukünftige Energiesysteme (Seite 34)

9 Speichertechnologien Speicherdauer Sekunden Minuten Stunden Tag / Monate Batteriespeicher Kondensatoren Flow-Batterien Pumpspeicher Schwungmassenspeicher Langzeitspeicher Supraleitende Spulen Wasserstoff / Methan (Power-to-Gas) Langzeitspeicher: in der Regel große Anlagen hohe Zyklen-Festigkeit (Lebensdauer) sehr geringe Selbstentladung Druckluftspeicher Molten Salt Kurzzeitspeicher Mittelzeit -speicher 1 kw 10 kw 100 kw 1 MW 10 MW 100 MW 1000 MW Speichergröße (Leistung) elektrisch mechanisch elektrochemisch Speichergröße und Speicherdauer unterschiedlicher Stromspeichertechnologien (Sterrer 2014)

10 Pumpspeicherkraftwerke ausgereifte Technologie, effizient, langlebig, wirtschaftlich, hohe Flexibilität Kostengünstigste Möglichkeit zur Speicherung großer Mengen elektrischer Energie niedrige Energiedichte, starke Eingriffe in Umwelt, erfordert entsprechende Topologie Leistungsbereich: MW Kapazität: 100 MWh 1 GWh Speicherdauer: 4 12 h Lebensdauer: > 50 Jahre Selbstentladung: ~ 0 % Wirkungsgrad: % Energiedichte: 0,2 2 Wh/l Leistungsdichte: 0,1 0,2 W/l Reaktionszeit: Sek - Min Quellen: Fraunhofer ISI 2015, Decourt 2013, Felberbauer 2012 Quelle: wiki/pumpspeicherkraftwerk Langzeitspeicher Mechanisch Quelle: Gruber, H. (2013) Österreichs Wasserkraft in der Speicherwelt von morgen

11 Druckluftspeicher Speicherung von Druckluft in unterirdischen Reservoirs (Minen, Kavernen, ) erprobte, langlebige Technologie Niedrige Kosten pro gespeicherter Kilowattstunde Hoher Wirkungsgrad nur bei Wärmespeicherung Nachteil: niedrige Energiedichte, mangelnde Verfügbarkeit von natürlichen Speicherreservoirs Leistungsbereich: MW Kapazität: 100 MWh 1 GWh Speicherdauer: 2 30 h Lebensdauer: > 25 Jahre Selbstentladung: ~ 0 % Wirkungsgrad: % Energiedichte: 2 6 Wh/l Leistungsdichte: 0,2 0,6 W/l Reaktionszeit: sek - min Quellen: Fraunhofer ISI 2015, Decourt 2013, Felberbauer 2012 Adiabater Druckluftspeicher Langzeitspeicher Diabater Druckluftspeicher Mechanisch Quelle: Kloess, M. (2012) Wirtschaftliche Bewertung von Stromspeichertechnologien

12 Wasserstoffspeicher Umwandlung von elektrischer Energie in Wasserstoff mittels Elektrolyseur Speicherung in Kavernen oder verdichtet in Druckbehältern auch im kleinen Maßstab verfügbar z. B. Fronius Energiezelle Nachteil: niedriger Wirkungsgrad, hohe Kosten, nur bedingte Einspeisung ins Erdgasnetz möglich Leistungsbereich: 0, MW Kapazität: bis 100 GWh Speicherdauer: Stunden - Wochen Lebensdauer: 5 30 Jahre Selbstentladung: 0 4 % Wirkungsgrad: % Energiedichte: 600 Wh/l (200 bar) Leistungsdichte: 0,2-20 W/l Reaktionszeit: sek - min Quellen: Fraunhofer ISI 2015, Decourt 2013, Felberbauer 2012 Langzeitspeicher Elektrochemisch % Verdichtung 90 % ca. 60 % Quelle:

13 Power-to-Gas Umwandlung von Wasserstoff in Methan (CH4) Unlimitierte Einspeisung ins Erdgasnetz Kapazität Erdgasspeicher in Ö: < 80 TWh Nachteil: niedriger Wirkungsgrad, hohe Kosten Leistungsbereich: MW Kapazität: 10 MWh 100 GWh Speicherdauer: Stunden - Wochen Lebensdauer: 30 Jahre Selbstentladung: nicht verfügbar Wirkungsgrad: % Energiedichte: 1800 Wh/l (200 bar) Leistungsdichte: 0,2-2 W/l Reaktionszeit: sek - min Quellen: Fraunhofer ISI 2015, Decourt 2013, Felberbauer 2012 Langzeitspeicher Elektrochemisch Quelle: Sterner 2009 Energetischer Endverbrauch von elektrischer Energie nach Wirtschaftssektoren (BMWFW 2015)

14 Speichertechnologien Speicherdauer Sekunden Minuten Stunden Tag / Monate Batteriespeicher Kondensatoren Flow-Batterien Schwungmassenspeicher Langzeitspeicher Supraleitende Spulen Wasserstoff / Methan (Power-to-Gas) schnelle Reaktionszeiten hohe Leistungsdichte Druckluftspeicher Pumpspeicher Kurzzeitspeicher: hohe Zyklen-Festigkeit Molten Salt hoher Wirkungsgrad Kurzzeitspeicher Mittelzeit -speicher 1 kw 10 kw 100 kw 1 MW 10 MW 100 MW 1000 MW Speichergröße (Leistung) elektrisch mechanisch elektrochemisch Speichergröße und Speicherdauer unterschiedlicher Stromspeichertechnologien (Sterrer 2014)

15 Schwungrad Umwandlung in kinetische Energie mittels Schwungmasse und Elektromotor Nachteile: hohe Selbstentladung (ca. 10 % pro Stunde), hohe Systemkosten Leistungsbereich: 0,02-10 MW Kapazität: 0,1 kwh 1 MWh Speicherdauer: Sek. bis Stunden Ladezyklen: Selbstentladung: 1,3-100 % Wirkungsgrad: % Energiedichte: Wh/l Leistungsdichte: W/l Reaktionszeit: < sek Quellen: Fraunhofer ISI 2015, Decourt 2013, Felberbauer 2012 Schwungrad im Fusionsreaktor am Max Planck Institute Quelle: Max Planck Institute für Plasmaphysik Speicherkapazität ca. 400 kwh, max. Leistung 150 MW (für 10 sek) Schwungmasse 230 Tonnen, bis zu 1650 Umdrehungen pro Minute Kurzzeitspeicher Quelle: Schulz 2014 Mechanisch

16 Batteriespeicher (Mittelzeitspeicher) Blei-Säure bzw. Gel Lithium-Ionenbasiert z. B. Lithium-Polymer, Lithium- Eisenphosphat, Lithium-Mangan, Lithium-Titanat, Redox-Flow / Hybrid-Flow z. B. Vanadium, Zink-Brom, Zink-Eisen, Vanadium-Brom, Hochtemperatur z. B. Natrium-Schwefel (NaS) Nickelbasiert z. B. Nickel-Cadmium (NiCd), Nickel-Metallhydrid (NiMH), Nickel-Zink Batterien (Ni-Zn) Metall-Luft-Batterien Blei-Säure Akku Mittelzeitspeicher Prinzip seit 1850 bekannt, industrielle Fertigung seit Elektrochemisch mehr als 100 Jahren Vorteile: zuverlässig, preisgünstig, geringe Selbstentladung, wartungsarm Nachteile: geringe Zyklenfestigkeit, Nutzkapazität oft nur ca. 50 %, toxisch, schwer, Belüftung erforderlich, lange Ladezeiten Leistungsbereich: 0, MW Kapazität: 1 kwh bis 1 MWh Speicherdauer: 1 24 h Ladezyklen: Selbstentladung / Monat: ca. 5 % Wirkungsgrad: % Energiedichte: Wh/kg Leistungsdichte: W/kg Reaktionszeit: < ms Quellen: Fraunhofer ISI 2015, Decourt 2013, Felberbauer 2012

17 Lithium-Ionen Batterie Oberbegriff für Akkumulatoren auf Basis von Lithiumverbindungen Vorteil: hohe Wirkungsgrade, hohe Zyklenfestigkeit, wartungsfrei, sinkende Kosten, Nachteile: Eigensicherheit (thermal runaway), Belüftung erforderlich Heimspeicher meist Lithium-Eisenphosphat (LiFePo) Natrium-Schwefel Batterie Hochtemperatur-Zelle (Betriebstemp. ca. 300 C) Vorteile: quasi keine Selbstentladung, sehr geringe Degradation, günstig für Großanwendungen Nachteile: thermische Energie im Betrieb erforderlich, begrenzte thermische Zyklenfestigkeit, nicht geeignet für kleine Systeme Leistungsbereich: 0, MW Kapazität: 1 kwh 10 MWh Speicherdauer: 1 24 h Ladezyklen: Selbstentladung / Monat: ca. 10 % Wirkungsgrad: % Energiedichte: Wh/l Leistungsdichte: W/l Reaktionszeit: < ms Quellen: Fraunhofer ISI 2015, Decourt 2013, Felberbauer 2012 Mittelzeitspeicher Elektrochemisch Leistungsbereich: MW Kapazität: 100 kwh bis 100 MWh Speicherdauer: Sek. bis Stunden Ladezyklen: Selbstentladung: keine Wirkungsgrad: % Energiedichte: Wh/l Leistungsdichte: W/l Reaktionszeit: < sek Quellen: Fraunhofer ISI 2015, Decourt 2013, Felberbauer 2012

18 Redox Flow Batterie Zwei Tanks mit flüssigen Elektrolyten Ionenaustausch über Membran Vorteile: Kapazität und Leistung unabhängig voneinander skalierbar, hohe Zyklenfestigkeit Nachteil: niedrige Energiedichte, noch hohe Kosten, Wartungsaufwand Leistungsbereich: 0, MW Kapazität: 10 kwh bis 10 MWh Speicherdauer: 1 8 h Ladezyklen: Selbstentladung: 0,2 % Wirkungsgrad: % Energiedichte: Wh/l Leistungsdichte: W/l Reaktionszeit: > sek Quellen: Fraunhofer ISI 2015, Decourt 2013, Felberbauer 2012 Mittelzeitspeicher Elektrochemisch Z20 (80 kw / 160 kwh) von BlueSky Energy Abmessungen: 6,06 x 2,44 x 2,59 m (L x B x H) Gewicht: kg (8.160 kg leer) Quelle: tubulair.de Quelle:

19 Anwendungen Speichertechnologien Welcher Speicher für welches Einsatzgebiet? Schwungrad Peak Shaving Black-Start Spannungshaltung Frequenzregelung (prim/sek) Molten Salt Batteriespeicher Flow-Batterien Lastausgleich E-Mobility Stromhandel Frequenzregelung (tert) Pumpspeicherkraftwerke Eigenbedarfsoptimierung Druckluftspeicher Inselbetrieb Power-to-Gas Wasserstoff Saisonspeicher Sekunden Minuten Stunden Tage Monate Speicherdauer

20 Systempreise große Bandbreiten aufgrund verschiedener Einflussfaktoren z. B. Größe des Speichers, Aufstellungsort, äußerst dynamische Preisentwicklung bei Batteriespeicher: 1 % Preisreduktion alle 4 Wochen (Quelle: energie:bau 2015) Aussagekraft? Lebensdauer? Wartungskosten? Investitionskosten für Batteriespeicher in EUR/kWh ohne und mit Berücksichtigung der Lebensdauer Investitionskosten für Speichertechnologien in Dollar pro kw (links) sowie pro kwh (rechts) (Decourt 2013)

21 Weltweit installierte Speicherleistung Natrium-Schwefel Lithium-Ionen Blei-basiert Nickel-basiert Vanadium Redox Flow Andere Erzeugungskapazität Speicherkapazität Speicherkapazität Weltweit installierte Speicherleistung in MW Stand 2012 (Decourt 2013)

22 Weltweit installierte Speicherleistung bis Ende 2012: 99 % Pumpspeicher 747 MW Batteriespeicher davon 450 MW NaS seit MW Pumpspeicher (weitere 11,5 GW in Planung) MW Batteriespeicher davon 735 MW Li-Ion Weltweit installierte Leistung ausgewählter Speichertechnologien bis 2012 sowie deren weitere Entwicklung bis Q (Quellen: Decourt 2013, Eller 2015, Dehamna 2014, Barbour 2015)

23 Installierte Stromspeicher Batteriespeicher Österreich 700 geförderte PV-Speicher in SBG und OÖ 2014 (~ 3,5 MW) Vanadium-Redox-Flow-Speicher (100 kwh / 10 kw) im Energieforschungspark Lichtenegg Batteriespeicher Deutschland geförderte Solarstromspeicher 2013 und 2014 (~ 50 MW) Großspeicher: M5BAT, Younicos Schwerin, Power-to-Gas Deutschland: mehrere PtG-Anlage z. B. Audi e-gas-anlage Werlte (6,3 MW) Österreich: seit kw-pilotanlage bei OMV Gasstation Auersthal (Wind2Hydrogen) Vanadium-Redox-Flow Speicher im Energieforschungspark Lichtenegg Druckluftspeicher Deutschland: Kraftwerk Huntorf, Leistung 321 MW Pumpspeicherkraftwerke in AUT, D, und CH: installierte Leistung in in MW (Gruber 2013)

24 Forschung und Entwicklung Technologische Weiterentwicklung Kostenreduktion Erhöhung der Lebensdauer / Zyklenfestigkeit Substitution kritischer Rohstoffe Alternative Speicherkonzepte Systemintegration Klärung rechtlicher /regulatorischer Aspekte Einbindung dezentraler Kleinspeicher Machbarkeit und Demonstration Verschränkung von Strom, Wärme und Gas Energiespeicherung mittels Unterwasserballons (Copyright: Hydrostor) Batterlyser Evaluierung von Synergieeffekten zwischen Power-to-Gas und Batteriespeichern SPIN.OFF Einsatz eines Redox-Flow Speichersystems in einem Bürogebäude zur Erhöhung der Eigenbedarfsdeckung und zur Reduktion der Anschlussleistung MBS+ Nutzung von dezentralen Solarstromspeichern zum Ausgleich von Fahrplanabweichungen (Ausgleichsenergie)

25 Conclusio? Speicher sind eine Schlüsseltechnologie bei der Energiewende! unbedingter Bedarf an Stromspeichern noch nicht gegeben für viele Anwendungen gibt es auch Alternativen z. B. Demand Side Management, Netzausbau, DIE EINE Speichertechnologie gibt es nicht! Unterschiedliche Anwendungen stellen unterschiedliche Anforderungen weitere Forschungs- und (Weiter-)Entwicklungsaktivitäten auf unterschiedlichen Ebenen erforderlich

26 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Ing. Momir Tabakovic MSc FH Technikum Wien, Institut für Erneuerbare Energie ENERGYbase, Giefinggasse 6, 1210 Wien Telefon: Mail: momir.tabakovic@technikum-wien.at Kurt Leonhartsberger, MSc FH Technikum Wien, Institut für Erneuerbare Energie Mail: kurt.leonhartsberger@technikum-wien.at Telefon:

27 Literaturverzeichnis European Wind Energy Association, 2015, Wind in power European statistics. verfügbar unter Statistics-2014.pdf Schulz, A., 2014, Hocheffiziente und zuverlässige Schwungradspeicher. Institut für Mechanik und Mechatronik TU Wien Decourt, B., Debarre, R., 2013, Leading the Energy Transition - Electricity Storage. SBC Energy Institute, September 2013 International Energy Agency, 2014, Energy Storage Technology Roadmap Energystorage. verfügbar unter: Energie:bau, 2015, Energie speichern wird billiger , verfügbar unter option=com_content&view=article&id=2312:energie-speichern-wirdbilliger&catid=96:strom-a-steuerung&itemid=316 International Energy Agency, 2014, Energy Storage Technology Roadmap Technology Annex. 19 th March 2014, verfügbar unter: AnnexA_TechnologyAnnexforweb.pdf

28 Literaturverzeichnis Sterner, M., 2009, Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable energy systems. Limiting global warming by transforming energy systems. Kassel University, Dissertation. Gruber, H. (2013) Österreichs Wasserkraft in der Speicherwelt von morgen. Konferenz Erneuerbare Energie Kärnten, Velden, 2013 BMWFW (2015) Energiestatus Österreich Entwicklung bis Kloess, M. (2012) Wirtschaftliche Bewertung von Stromspeichertechnologien. 12. Symposium Energieinnovation, Graz, 2012 Fraunhofer ISE (2009) Stand und Entwicklungspotenzial der Speichertechniken für Elektroenergie Ableitung von Anforderungen an und Auswirkungen auf die Investitionsgüterindustrie. ETO Gas (2013) Power to Gas: Intelligente Konvertierung und Speicherung von Energie in der industriellen Umsetzung. Victor Kaplan Lectures, Wien, 29.Oktober 2013 Felberbauer, 2012 Energiespeicher für erneuerbare Energie als Schlüssel-Technologie für zukünftige Energiesysteme, verfügbar unter: Zukunft-Publizierbar-EB-Homepage.pdf

29 Literaturverzeichnis Eller, A., 2015, Energy Storage Tracker 1Q15 Executive Summary. Navigant Reseach, verfügbar unter Summary.pdf Dehamna, A., 2014, Energy Storage Tracker 3Q14 Executive Summary. Navigant Reseach Barbour, E. 2015, China up to second for installed capacity of Pumped Hydro. University of Birmingham, verfügbar unter Fraunhofer ISI (2015) Technologie-Roadmap Stationäre Energiespeicher Dezember 2015, verfügbar unter The Brattle Group, 2014, The Value of Distributed Electricity Storage in Texas.