Energiespeicher - Technologien und Anwendungen

Transkript

1 Energiespeicher - Technologien und Anwendungen BUNDESVERBAND ENERGIESPEICHER Gemeinsam stark für die Zukunft des Energiespeichermarktes! Andreas Hauer

2 Inhalt Definitionen Technologien Anwendungen Wirtschaftlichkeit und Markt Zusammenfassung

3 Energiespeicher - Definition

4 Definition Energiespeicher Was ist ein Energiespeicher? Ein Energiespeicher kann Energie aufnehmen und zu einem späteren Zeitpunkt wieder abgeben. Der Speicherprozess besteht prinzipiell aus drei Schritten: Dem Laden, dem eigentlichen Speichern und dem Entladen. Nach dem Entladen kann ein Energiespeicher erneut geladen werden. Was wird gespeichert? Die Energieform (Elektrizität, Wärme, Kälte, mechanische Energie, chemische Energie), die ein Energiespeicher aufnimmt, wird in der Regel auch wieder abgegeben. Allerdings wird häufig die geladene Energieform zur Speicherung in eine andere umgewandelt (z.b. Pumpspeicherwerk, Batterie). Zum Entladen wird sie dann wieder in der ursprünglichen Form bereitgestellt, oder in manchen Ausprägungen auch in der Form der Speicherung bereitgestellt, z.b. Powerto-Gas oder Power-to-Heat.

5 Definition Energiespeicher Zusammenhang zwischen Energiespeichern und ihren Anwendungen Die technischen und wirtschaftlichen Anforderungen an den Speicher werden durch die tatsächliche Anwendung des Speichers im Versorgungssystem bestimmt. Daher ist eine Beurteilung verschiedener Speichertechnologien (und ein Vergleich) nur anhand konkreter Anwendungen möglich. Die Anwendung gibt technische Anforderungen vor (Energieform, Ein- und Ausspeicherleistung, Speicherkapazität, Reaktionszeit). Die Anwendung legt auch das ökonomische Umfeld fest (z.b. welche Energiepreise können angesetzt werden, welche Nutzungsdauer wird erreicht, etc.).

6 Energiespeicher Technologien

7 Elektrische Energiespeicher Speicherung elektrischer Energie Super-conducting Magnetic Energy Storage (SMES) Super-Kondensatoren Speicherung elektro-chemischer Energie Natrium-Sulfid Batterien (NaS- Cells) Blei-Säure Batterien Redox-Flow Batterien Speicherung mechanischer Energie Pumpspeicherwerke Druckluftspeicher(CAES) Schwungräder

8 Elektrische Energiespeicher Speicherdauer und Entladeleistung C. Dötsch

9 Thermische Energiespeicher Speicherung sensibler Wärme Speicherung latenter Wärme ZAE Bayern Warmwasser-Speicher Erdwärmesonden u.ä. (Underground Thermal Energy Storage, UTES) ZAE Bayern Thermo-chemische Energiespeicherung Makro- / Mikroverkapselte Phasen- Wechsel-Materialien (PCM), Slurries Adsorptions- (Zeolith) und Absorptions-Speicher (LiCl) Thermo-chemische Materialien (TCM) ZAE Bayern

10 Thermische Energiespeicher ZAE Bayern

11 Chemische Energiespeicher Energiespeicherung durch Wasserstoff-Produktion und -Speicherung Wasserstoff ist der energiereichste Treibstoff (bezogen auf die Masse) Verlustfreie Langzeitspeicherung möglich Stromproduktion durch Brennstoffzelle / H 2 -Turbine

12 Vergleich: Energiespeicher-Technologien Storage Storage Power Capacity Storage Period Density Efficiency Lifetime Cost technology Mechanism MW MWh time kwh/ton kwh/m 3 % # cycles $/kw $/kwh /kwhdelivered Lithium Ion Electrochemical < 1,7 < 22 day - month ,89-0,98 (Li Ion) Sodium Sulfur Electrochemical day ,75-0,86 (NAS) battery 9-55 Lead Acid Electrochemical < 30 day - month ,65-0,85 battery Redox/Flow Electrochemical < 7 < 10 day - month ,72-0,85 battery 5-88 Compressed air 2-7 at energy storage Mechanical day - 0,4-0, bar (CAES) Pumped hydro ,27 at 0,27 at energy storage Mechanical day - month 0,63-0, m 100m (PHES) ,1-18 Hydrogen Chemical varies varies indefinite ,7-160 at 384-0,22-0, bar Methane Chemical varies varies indefinite at 1 bar 0,24-0, Sensible storage - Water Thermal < 10 < 100 hour - year < 60 0,5-0,9 ~5000-0,1-13 0,01 Phase change materials (PCM) Thermochemical storage (TCS) Thermal < 10 < 10 hour - week < 120 0,75-0,9 ~ ,3-6 Thermal < 1 < 10 hour - week ,8-1 ~ ZAE Bayern

13 Energiespeicher Anwendungen

14 Energiespeicher Anwendungen Energiespeicher sind bereits heute eine Säule der Versorgungssicherheit für Strom und Wärme. Mit der zunehmenden fluktuierenden Erzeugung durch erneuerbare Energien wird die Sicherstellung einer unterbrechungsfreien Energieversorgung noch wesentlich bedeutsamer. Die Energiewende beinhaltet auch eine zunehmende Verflechtung von Strom-, Wärme- und Mobilitätsnutzung. Mit Lösungen wie Power-to-Heat oder Power-to-Gas wachsen z.b. die Sektoren Strom und Wärme sinnvoll zusammen.

15 Balancing Supply & Demand Constant Supply Variable Supply

16 Energiespeicher für die Energiewende Integration Erneuerbarer Energien Integration Erneuerbarer Elektrizität Netzstabilität Frequenzregelung Spannungshaltung Leistungsausgleich/SRL Netzausgleich (Energie) positive/negative Regelenergie Peak Shaving Eigenverbrauch, Inselbetrieb, Demand Side Integration Verschiebbare Last Power to Gas Power to Heat Sicherheit, Back-up Integration Solarer Wärme Solarthermische Kraftwerke Solare Prozesswärme Solarthermie für Heizung/ Warmwasser Steigerung der Energieeffizienz Industrielle Prozesse Abwärmenutzung Rekuperation mechanischer Energie Gebäude Heiz- und Kühlbedarf Tag/Nacht-Ausgleich Sommer/Winter-Ausgleich Elektrizitätserzeugung Fossile Kraftwerke Kraft-Wärme-Kopplung Mobilität Antrieb Heizung / Klimatisierung 1

17 Energiespeicher für die Energiewende Integration Erneuerbarer Energien Integration Erneuerbarer Elektrizität Netzstabilität Frequenzregelung Spannungshaltung Leistungsausgleich/SRL Netzausgleich (Energie) positive/negative Regelenergie Peak Shaving Eigenverbrauch, Inselbetrieb, Demand Side Integration Verschiebbare Last Power to Gas Power to Heat Sicherheit, Back-up Integration Solarer Wärme Solarthermische Kraftwerke Solare Prozesswärme Solarthermie für Heizung/ Warmwasser Steigerung der Energieeffizienz Industrielle Prozesse Abwärmenutzung Rekuperation mechanischer Energie Gebäude Heiz- und Kühlbedarf Tag/Nacht-Ausgleich Sommer/Winter-Ausgleich Elektrizitätserzeugung Fossile Kraftwerke Kraft-Wärme-Kopplung Mobilität Antrieb Heizung / Klimatisierung EES TES EES/TES/CES 1

18 Zentral - Dezentral Erneuerbare Energien Zentrale Energiespeicher Verteilung Dezentrale Energiespeicher Verbraucher PV Netz Elektrizität Wind Bio/BHKW EES TES CES Fernwärme/ -Kälte EES TES CES Wärm/Kälte Solarthermie

19 und wo im Netz? Zentrale Speicher Pumpspeicher Wasserstofferzeugung Druckluftspeicher Dezentrale (große) Speicher Blei-Akkumulatoren NaS Batterien Redox-Flow Batterien Dezentrale (elektr.) Speicher Lithium-Ionen-Batterie Blei-Akkumulatoren NiMh-, NiCd Batterien Dezentrale (therm.) Speicher Wärmepumpen + Thermische Speicher KWK/KWKK + Thermische Speicher

20 Zentral Dezentral im Netz Solange unser Netz nicht perfekt ist, können dezentrale Speicher durch verschiedene Systemdienstleistungen wie Peak-Shaving Bereitstellung von Regelenergie Erhöhung des Eigenverbrauchs Umwandlung von Strom zu Wärme/Kälte zur Spannungs- und Frequenzhaltung beitragen und somit lokale Überlastungen vermeiden.

21 Vergleich: Energiespeicher-Technologien Storage technology Storage Mechanism Storage Power Capacity Density Efficiency Lifetime Cost Period MW MWh time kwh/ton kwh/m 3 % # cycles $/kw $/kwh /kwhdelivered Lithium Ion Electrochemical < 1,7 < 22 day - month ,89-0,98 (Li Ion) Sodium Sulfur Electrochemical day ,75-0,86 (NAS) battery 9-55 Lead Acid Electrochemical < 30 day - month ,65-0,85 battery Redox/Flow Electrochemical < 7 < 10 day - month ,72-0,85 battery 5-88 Compressed air 2-7 at energy storage Mechanical day - 0,4-0, bar (CAES) Pumped hydro ,27 at 0,27 at energy storage Mechanical day - month 0,63-0, m 100m (PHES) Vergleich verschiedener Speichertechnologien 0,1-18 Hydrogen Chemical varies varies indefinite ,7-160 at 384-0,22-0, bar Methane Chemical varies varies indefinite at 1 bar 0,24-0, Sensible storage - Water Phase change materials (PCM) ist schwierig. Die Eigenschaften eines Speichers hängen stark von der tatsächlichen Anwendung ab! Thermal < 10 < 100 hour - year < 60 0,5-0,9 ~5000-0,1-13 0,01 Thermal < 10 < 10 hour - week < 120 0,75-0,9 ~ ,3-6 Thermochemical storage (TCS) Thermal < 1 < 10 hour - week ,8-1 ~ ZAE Bayern

22 Anwendung: Langzeitspeicherung Storage Storage Power Capacity Storage Period Density Efficiency Lifetime Cost technology Mechanism MW MWh time kwh/ton kwh/m 3 % # cycles $/kw $/kwh /kwhdelivered Lithium Ion Electrochemical < 1,7 < 22 day - month ,89-0,98 (Li Ion) Sodium Sulfur Electrochemical day ,75-0,86 (NAS) battery 9-55 Lead Acid Electrochemical < 30 day - month ,65-0,85 battery Redox/Flow Electrochemical < 7 < 10 day - month ,72-0,85 battery 5-88 Compressed air 2-7 at energy storage Mechanical day - 0,4-0, bar (CAES) Pumped hydro ,27 at 0,27 at energy storage Mechanical day - month 0,63-0, m 100m (PHES) ,1-18 Hydrogen Chemical varies varies indefinite ,7-160 at 384-0,22-0, bar Methane Chemical varies varies indefinite at 1 bar 0,24-0, Sensible storage - Water Thermal < 10 < 100 hour - year < 60 0,5-0,9 ~5000-0,1-13 0,01 Phase change materials (PCM) Thermochemical storage (TCS) Thermal < 10 < 10 hour - week < 120 0,75-0,9 ~ ,3-6 Thermal < 1 < 10 hour - week ,8-1 ~ ZAE Bayern

23 Anwendung: Langzeitspeicherung Methan ( Power-2-Gas ) Effizienz: gesamt 61.7 % Wasserstoff: Gesamt ~ 62% Effizienz: Elektrolyse Kompression Transport Speicherung U. Stimming, TUM ~ 85 % ~ 90 % ~ 90 % ~ 90 % Treibstoff: Gesamteffizienz 60% Elektrizität (BSZ): Gesamteffizienz 30 % Heizen: Gesamteffizienz 60 %

24 Anwendung: Langzeitspeicherung Hot Water: Total ~ 225% Efficiency: Heat Pump ~ 300 % Storage ~ 75 % ZAE Bayern Treibstoff: Nicht möglich! Elektrizität (BSZ): Nicht möglich! Heizen: Gesamteffizienz 225 %

25 Das heißt Wichtig: Die gesamt Effizienzkette muss berücksichtigt werden! Die benötigte Endenergie spielt bei der Wahl der Speichertechnologie eine Rolle! Das geeignetste Speicherverfahren sollte für die tatsächliche Anwendung identifiziert werden!

26 Energiespeicher Wirtschaftlichkeit und Markt

27 Wirtschaftlichkeit Die Wirtschaftlichkeit eines Energiespeichers hängt ab von Investitionskosten des Speichersystems Zahl der Speicherzyklen (pro Zeit) und damit der bereit gestellten Energie Ausgeben = Investitionskosten ZAE Bayern Ladestation Speicher Entladestation Gesamtkosten Einnehmen = bereit gestellte Energie = Zyklen 4 MWh pro Zyklus, Lade-/Entladeleistung 1 MW, 2 Zyklen pro Tag, 1 MWh = x 200 = /Jahr

28 Wirtschaftlichkeit Die Wirtschaftlichkeit eines Energiespeichers hängt ab von Investitionskosten des Speichersystems Zahl der Speicherzyklen (pro Zeit) und damit der bereit gestellten Energie Preis der ersetzten Energie (Strom, Kraftstoff, Wärme, ) Benefit-Stacking! /kwh 250 /kwh ZAE Bayern 100 /kwh ZAE Bayern 2,0 /kwh

29 Speicher sind sauber! Tragen Energiespeicher zur Integration erneuerbarer Energien und zur Steigerung der Energieeffizienz bei, ist die von ihnen bereit gestellte Energie CO 2 -neutral. Steigende Preise der CO 2 -Zetifikate würden die Wirtschaftlichkeit von Energiespeichern unterstützen! z.b. Regelleistung

30 Fairer Marktzugang! Keine Subventionen, keine Markteinführung notwendig! Wenn Flexibilisierung vergütet wird sind Speicher konkurrenzfähig! Energiespeicher sind keine Endverbraucher! Japan: Eisspeicher zur Klimatisierung wg. hohem Strompreis in Peak-Stunden

31 Zusammenfassung

32 Zusammenfassung Zahlreiche Energiespeichertechnologien stehen zur Verfügung oder werden zur Zeit erforscht und entwickelt In unserem zukünftigen Energiesystem (Energiewende) ergeben sich auch zahlreiche Anwendungsbereiche für Energiespeicher Bei der Zuordnung von Speichertechnologien und Anwendungen sollte der Endenergiebedarf und die Effizient des Gesamtsystems beachtet werden Geschäftsmodelle sollten auf der Basis der Möglichkeiten der Speichertechnologien in konkreten Anwendungen diskutiert werden (Bottom-up) Für einen wirtschaftlichen Betrieb von Energiespeichern müssen deren Möglichkeiten angemessen vergütet werden

33 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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