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1 Elektrische Energiespeicher in Wohngebäuden Nutzen, Auslegung, Technologie und Förderung Thomas Jansa - Fotolia.com Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 1

2 Wer sind wir? Institut für Mechatronische Systeme im Maschinenbau Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 2

3 Kinetische Energiespeicher Ein alter Hut? Älteste t Form der Energiespeicherung i Antike Töpferscheibe Schwungräder in Pressen und Kraftmaschinen Speichern von elektrischer Energie in der Bewegungsenergie eines Rotors Quelle: Experimentelle Archäologie in Deutschland Elektrisches Netz Entladen Laden Technischer Fortschritt: Hohe Trägheit und hohe Drehzahlen Hochfeste Materialien Reibungsfreie Magnetlager Vakuum reduziert Luftreibung Motor/ Generator Schwungmasse Schwungmasse Lager Gehäuse Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 3

4 Aktuelles Forschungsprojekt: Energieeffizienter, hoch integrierter Außenläufer Energie in Rotationsbewegung ti U/min Innovative Bauform Verlustoptimierung ti i Feinvakuum 0,3 Pa Berührungslose Magnetlager Hohe Leistung Schnelle Reaktionszeit Unabhängig von Kapazität Lagerung Motor Generator Einheit Lagerung Schwung masse Stator Hohe Lebensdauer Keine Zyklen abhängige Alterung Standard Industriekomponenten Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 4

5 Methodischer Forschungsschwerpunkt: Dimensionierung und Betrieb von Energiespeichern Starke Abhängigkeit von Zielsetzung Mögliche Zielsetzungen Autarkie (Inselbetrieb) USV-Funktionalität Frequenzstabilisierung Besondere Anforderung Hohe Kapazität Hohe Zuverlässigkeit Hohe Dynamik Reduktion der Anschlussleistung von Industrieanlagen Je nach Anwendung Ausgleich von Prognosefehlern bei WEA Filterung von Lastspitzen in Verteilernetzen PV-Strom zwischenspeichern Nicht Vernachlässigbar: Aktuelle Forschung Hohe Leistung Intelligente Betriebsweise Wandlungs- und Standbyverluste Zyklische und kalendarische Alterung chem. Speicher Unterschiedliche Speichertechnologien werden unterschiedlich dimensioniert! Wirtschaftliche Auswirkung Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 5

6 Forschungsprojekt Plus-Energiehabitat Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 6

7 Energiespeicher in Wohngebäuden Die Ausgangssituation Kosten PV-Stromgestehungskosten und Strompreise Preisparität bei PV-Strom Zeit Fremdbezug Eigenerzeugung.de Quelle: Erneuerbare Energien sind volatil Steigende Strompreise (2-4% p.a.) Verbrauch ist schwer planbar Eigenverbrauch ohne Speicher: ca. 20% Fallende PV-Stromgestehungskosten Eigener Strom ist bereits heute billiger Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 7

8 Nutzen von elektrischen Speichern in Wohngebäuden Energiespeicher erhöhen die Verträglichkeit von Erzeugung und Verbrauch Speicher erhöhen Eigenverbrauch Sinnvolle EV-Werte liegen bei 70-80% Abhängig von PV-Leistung, Nutzerprofil und Speichergröße Steigende Energiekosten werden durch Investkosten ersetzt Leistung in kw :00 6:00 12:00 18:00 0:00 PV Erzeugung Verbrauch EFH Verbrauch MFH Vielerlei Nutzen: Erhöhung des Autarkiegrads (Ideeller Gewinn für Endverbraucher) Geringerer Strombezug (Endverbraucher) Reduktion von hohen Einspeisespitzen (Netzbetreiber) Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 8

9 Status Quo: 20% Eigenverbrauch - Geht da nicht mehr? Erzeugeranlagen wie PV oder BHKWs erzeugen nicht bedarfsgerecht Strom Leistung Leistung einer PV-Anlage mit Wolkendurchzug PV-Erzeugung Haushaltsverbrauch Besonders PV ist volatil und saisonal stark veränderlich Nicht selbst genutzter Strom wird eingespeist Teurer Strom muss eingekauft werden wenn kein eigener Strom vorhanden ist Niedriger Eigenverbrauch des günstigeren selbsterzeugten Stroms bei ca. 20% Tagesverlauf PV ist nicht dann verfügbar wenn häufig hoher Strombedarf auftritt Ohne Speicher müsste das Verbraucherverhalten geändert werden Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 9

10 Was kann mit Stromspeichern erreicht werden? Nutzerorientierte ti t Funktionen Verschieben der ungenutzten PV-Erzeugung in die Abendstunden Erhöhung des Eigenverbrauchs Reduktion des Strombezugs vom Netz Kostenvorteile in Nutzungsphase Netzdienliche Funktionen Glättung der Netzlast Vermeidung von Überspeisung des Mittelspannungsnetz Spannungshaltung Erhöhung der Netz-Verträglichkeit von PV Leistung in kw L Leistung in kw Energiemenge in kw Wh Verbrauch und Erzeugung 0 0:00 5 6:00 12:00 18:00 0: PV Erzeugung Netzlast Verbrauch 0 0:00-5 6:00 12:00 18:00 0: ohne Speicher Ladezustand des Speichers mit Speicher 0 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 Energiemenge im Speicher E_max Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 10

11 Nutzerorientierte Speichernutzung Ermittlung der Speichergröße Problematik Speicher sind sehr teuer Überdimensionierung g vernichtet Strom durch unnötige Wandlung bei Rückspeisung und Standbyverluste Speicher Standby Wandlung Verlust te Herausforderung: Speicherdimensionierung Methodisches Vorgehen Hochaufgelöste, gemessene oder synthetisierte Lastprofile Keine Standard-Lastprofile! Hoher Einfluss von PV-Ertrag und Nutzerverhalten E, P, (t) Unterschiedliche Zielsetzungen ergeben unterschiedliche Speichergrößen Nutzerorientiert: z.b. Steigerung des Eigenverbrauchs E ; P Netzorientiert: z.b. Kappen der Mittags-Peaks E ; P Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 11

12 Nutzorientierte Speichernutzung Beispiel-Szenario Mehrfamilien-Plusenergie-Haus i in Frankfurt am Main 18 Parteien, ca. 39 Bewohner 6,7 kw el BHKW (2200 Betriebsstunden) 1 30 kwp PV-Anlage virtuell virtuell aufgesetzt 0,9 0,8 Jahres Stromverbrauch: kwh 0,5 04 0,4 Methodik bei gemessenen Lastgang: Erfassen der Energiemengen Häufigkeitsverteilungen g Simulation 0,7 0,6 0,3 Einfluss der Speichergröße 0,2 0, Speichergröße in kwh Eigenverbrauch Reduktion des Strombezug Methodik bei unbekanntem Lastgang Synthetische Lastprofile mit statistisch signifikanter Ähnlichkeit z.b. (Standardabweichung, Autokorrelation) Ziel: EV von ca. 80% Führt zur Reduktion des Strombezugs um 56% Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 12

13 Nutzorientierte Speichernutzung Beispiel-Szenario über 365 Tage Netzbezug ohne Speicher: kwh Netzbezug mit Speicher: kwh Reduktion des Netzbezugs : 56% Eigenverbrauchsquote mit (ohne) Speicher: 79% (53%) Reduktion der Einspeisung 26% Leistung Leistung in g kw in kw Leistungsverlauf Lastprofil Leistungsverlauf Lastprofil Sollverlauf = 0kW Sollverlauf = 0 kw Lastprofil ohne Speicher Lastprofil ohne Speicher Lastprofil mit Speicher Lastprofil mit Speicher Zeit in d Zeit in d Speicherdaten: Speichergröße 25 kwh mit 15 kw Leistung Wandlungs- und Standby-Verluste berücksichtigt Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 13

14 Netzdienliche Funktionalität Warum Helfen dumme Speicher nicht dem Netz? PV-Anlagen: Sehr hohe h Einspeise-Spitzen i it in den Mittagsstundent Mittagsspitzen ergeben größere Energiemengen als abends verbraucht werden Speicher bereits um 10 Uhr geladen Mittagsspitze schlägt voll auf Netz durch Leistung in kw Leistungsverlauf Lastprofil Lastprofil geglättetes g Lastprofil Sollverlauf Zeit in d 40 Energieverlauf Speicher Energieinhalt [kw Wh] Zeit in d Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 14

15 Netzdienliche Funktionalität Auf die Intelligenz kommt es an! Betriebsstrategie t t i ist für Netzdienlichkeit it entscheidend d Speicher muss Einspeisepeak begrenzen Je größer der Speicher ist desto besser Netzeinspeisung aus dem Speicher in den Abendstunden Bei prognosebasierter Betriebsstrategie kaum Absenkung des Eigenverbrauchs Größere Speicher Verluste bei der erneuten Wandlung Aktuelle Studie: Fraunhofer ISE, Speicherstudie 2013: Netzauswirkungen Reduktion der Mittagsspitze um 40% Bis zu 66 % mehr PV- Peakleistung möglich! Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 15

16 Was spricht gegen g elektr. Speicher in Wohngebäuden? - Die Realität der Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit Speichertechnologien sind teuer! Darum müssen sie möglichst lange halten Rentabilität erst nach 15 bis 20 Jahren fragwürdig bei vielen angebotenen Systemen Bei chemischen Speichern hat die Betriebsweise große Auswirkungen auf Lebensdauer und damit die Wirtschaftlichkeit Entladetiefe: Es steht nicht die volle Kapazität der angegebenen Kapazität zu Verfügung um eine Tiefentladung zu vermeiden SOH: State Of Health Zyklische und kalendarische Degradation bei hochwertigen Li-Ionen- Akku-Systemen: 12,9 % + 6,3 % = 19,2 % Verlust an Kapazität in 20 Jahren (Angbabe von: Bosch Powertec) Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 16

17 Förderung von PV-Batteriespeichern durch die Bundesregierung Fördervolumen 50 Mio /kwp Über Tilgungszuschuss bei KfW-Kredit Kredit Ca Speichersysteme Beispiel: Beschränkt auf kleine Anlagen bis 30kWp Voraussetzungen Neue Anlagen ab 2013 Schnittstellen zur Fernsteuerung 7 Jahre Hersteller-Garantie des Zeitwerts KfW 3000,- 3.4 kwh Li-Ion ~ Verbl. Kosten: Aktuell liegt keine Pflicht zu Netzdienlichkeit vor Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 17

18 Fazit und Ausblick Speicher erhöhen den Eigenverbrauch erheblich h Methodisches Vorgehen bei der Dimensionierung Abhängig von Zielsetzung und Nutzerverhalten Reduktion der System- und Betriebskosten Simulation und statistische Auswertung Betriebsstrategie kann zur Netzstabilität beitragen Fehlende Netzdienlichkeit behindert die PV-Integration Bisher kein Anreiz/Pflicht zur Netzdienlichkeit für Kleinanlagen Lebensdauer/Wirtschaftlichkeit noch fragwürdig Durch Zyklenbeständigkeit von kinetischen Energiespeichern kann die Wirtschaftlichkeit im Lebenszyklus verbessern Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 18

19 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 19

20 Was kann mit Stromspeichern erreicht werden? Nutzerorientierte ti t Funktionen Verschieben der ungenutzten PV-Erzeugung in die Abendstunden Erhöhung des Eigenverbrauchs Reduktion des Strombezugs vom Netz Kostenvorteile in Nutzungsphase Netzdienliche Funktionen Glättung der Netzlast Vermeidung von Überspeisung des Mittelspannungsnetz Spannungs- und Frequenzhaltung Erhöhung der Netz-Verträglichkeit von PV Leistung in kw L Leistung in kw Energiemenge in kw Wh Verbrauch und Erzeugung 0 0:00 5 6:00 12:00 18:00 0: PV Erzeugung Netzlast Verbrauch 0 0:00-5 6:00 12:00 18:00 0: ohne Speicher Ladezustand des Speichers mit Speicher 0 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 Energiemenge im Speicher E_max Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 20

21 Reale Lastverläufe :00 6:00 12:00 18:00 0:00 PV Erzeugung Verbrauch EFH Verbrauch MFH Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 21

22 Verbrauch im Haushalt ist nur bedingt planbar Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 22

23 Anwendungsgebiet g Produzierende Industrie Aufgaben des Speichers: Glättung des Lastgangs (Peakshaving) Reduzierung der Anschlussleistung Kinetischer Energie Speicher Maschine 1 Maschine 2 Maschine 3 Maschine n Stromnetz P soll P P P P t t t t t Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 23

24 Anwendungsgebiet g Siedlung Öffentliches Netz e e M Aufgabe des Energiespeichers Lastverschiebung Netzstabilisierung Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 24

25 Kinetische Energiespeicher Innovation durch Engineering Hohe Materialausnutzung durch Außenläuferkonzept Verlustreduzierung durch Vakuum gehäuse Carbon Rotor Magnetlager Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 25

26 Was sind Vorteile? Technologie und Ökonomie Sehr gute Eignung als Kurzzeit- bzw. Leistungsspeicher i Mehr Leistung Hohe Drehzahlen Effizienz Mehr Kapazität Zyklenfest (Lebensdauer: ~ 20 Jahre) Lebenszyklus Kleine bis mittlere Stückzahlen wirtschaftlich ( Batterien) Keine umweltschädlichen Chemikalien Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 26

27 Unsere Kernkompetenzen Dimensionierung i i und Konfektionierung i durch Modularität Energieinhalt Leistung Komponenten Betriebsstrategie Wann speichern? Wie viel speichern? Stahl/GFK/CFK CFK Stahl Abbildung: 3 Rotoren gleicher Trägheit Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 27

28 Verfügbare Speichertechnologien Speicher Chemische Speicher Blei-Säure Lithium-Ionen Redox-Flow Pumpspeicher Kondensatoren Wasserstoff Kinetische Energiespeicher Eigenschaften + etabliert + geringe Anschaffungskosten -- Lebensdauer ++ Große Kapazität -- Ausbaumöglichkeiten - Akzeptanz ++ Hohe Leistung - Hohe Kosten - Geringe Kapazität hydroprojekt.de zentodone.eu mouser.com + Große Kapazität - Hoher Invest -- geringe Effizienz H 2 + Hohe Leistung ++ Hohe Lebensdauer - Komplexes System Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 28

29 Moderne Hochleistungsspeicher Reduktion der parasitären Verluste Luftreibung -> Betrieb im Feinvakuum bei ca. 1 Pa Lagerreibung g -> Berührungslose magnetische Lagerung g Verlustoptimierung der Komponenten Energieeffiziente i aktive Lagerbauformen Passive, permanentmagnetische Lagerung zur Gewichtsentlastung Antriebsauswahl je nach Einsatzgebiet Zielkonflikt Reduktion der Schleppverluste Reluktanzmaschine vs. Reduktion der Wandlungsverluste PM-Synchronmaschine Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 29

30 Schlüsselfrage: Wie muss ein Speicher dimensioniert werden? Vermeidung von Über- oder Untererfüllung Speicherleistung und -kapazität konfektionierbar Wirtschaftlichkeit Technologische Erfüllbarkeit Dimensionierung ist stark von Anwendungsgebiet abhängig und unterliegt individueller Anforderungen hinsichtlich der Zielsetzung. Neue Bewertungs- und Dimensionierungsmethodik entwickelt Betriebsstrategien des Ladeverhaltens in Arbeit Je nach Zielsetzung unterschiedliche Strategien Korrelation mit Speicherauslegung Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 30

31 Wie sehen KES aus? Rotorbauformen Konventionell: Innenläufer Systemeigenschaften gut bekannt Rotordynamik in Grenzen beherrschbar Einfache Konstruktion des Rotors Bandagierung Notwendig große Luftspalte Aktuell: Außenläufer Faser-Kunststoff-Verbund Starrer Rotor Funktionsintegration: Schwungmasse bandagiert Einbauten Hohe Energiedichte Problem: Aufdehnung unter Fliehkraft! Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 31

32 Wie sehen KES aus? Alternative Bauformen Alternative: ti Hybrid Innenlaufende Welle an hohle Schwungmasse angebunden Einzelne Systeme existieren bereits Probleme bei der Festigkeit der Nabenanbindung Dehnungsunterschiede müssen überbrückt werden Anbindung meist sehr weich -> Schwingungsrelevant Vorteile: Das beste von beiden Keine Luftspaltaufweitung -> kompakte Aktorik Bekannte Regelstrategien Konventionelle Antriebskomponenten Beherrschbare Fanglagerung Frage: Gibt es vielleicht doch eine technische Lösung eine außenlaufende Schwungmasse dauerfest an eine Nabe zu binden? Arbeitskreis Energieberatung Tagung Elektrische Energiespeicher in Gebäuden Lukas Quurck 32

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