Energiewirtschaftliche und technische Anforderungen an Speicher-Systeme für den stationären und mobilen Einsatz

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1 1 Energiewirtschaftliche und technische Anforderungen an Speicher-Systeme für den stationären und mobilen Einsatz Dipl.- Ing. Christian Fieger Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft mbh, München

2 Einflussfaktoren auf die Stromversorgung der Zukunft Wirtschaftlichkeit Effizienzsteigerungen Altersbedingte Abschaltungen Energieträgerpreise Stromversorgung CO 2 -Zertifikate Netze Klimaschutzziele KWK 2 Speicher Versorgungssicherheit Einsatzcharakteristik gesicherte Leistung Erneuerbare Energien Umweltverträglichkeit Neue Technologien

3 Leistung in GW Kapazität in GWh Bestand an Stromspeichern für das deutsche Versorgungsnetz Ist-Zustand 2007, möglicher Ausbau bis CAES Inland SLW Inland SW Inland PSW Ausland PSW Inland Kapazität Ausland Kapazität Inland Entladen 2007 Laden 2007 Entladen 2020 Laden 2020 Kapazität 2007 Kapazität Quelle: Bundesverband Erneuerbare Energien, Stromversorgung 2020, BEE CAES: Druckluftspeicher SLW: Schwellfähige Laufwasserkraftwerke SW: Speicherwasser Speicherkapazität: Nur Pumpspeicher (PSW) werden betrachtet

4 Energiewirtschaftliches Potential Peak-Shaving Bereitstellung von Regelleistung Ermittlung des wirtschaftlichen Potentials und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung von Speichern Investition in Speicher? Ausgleich von Windprognosefehlern Als Alternative zum Netzausbau 4

5 Anforderungen an elektrische Energiespeicher Energetische Qualität Sicherheit Lebensdauer Umweltverträglichkeit Wirtschaftlichkeit hohe Energiedichte hohe Leistungsdichte niedriger kumulierter Energieaufwand wenig Verluste geringe Selbstentladung geringer Hilfsenergieverbrauch hoher Systemnutzungsgrad hohe Betriebssicherheit geringes Schadenspotenzial hohe Zyklenlebensdauer hohe kalendarische Lebensdauer Herstellung Nutzung Entsorgung niedrige Investitionskosten niedrige Betriebskosten 5

6 Nutzungsgrade der Energiespeicherung in Abhängigkeit von der Speicherdauer 6

7 Pumpspeicher-Kraftwerk Weltweit die am häufigsten angewandte Speichertechnologie In Deutschland 33 Kraftwerke mit 6,9 GW Leistung installiert Weltweit ca. 280 Kraftwerke mit 80 GW Neubau ist von geologischen Gegebenheiten abhängig Ober- und Unterbecken sowie ausreichender Höhenunterschied erforderlich Weiter Rahmen der Investitionskosten, ca / kw Pumpspeicherkraftwerk Waldeck Größtes deutsches Kraftwerk: Goldisthal (Thüringen) 8,5 GWh Speicherkapazität 7

8 Pumpspeicher-Kraftwerk Vorteile: Hoher Wirkungsgrad, ca. 80 % Kostengünstig im Vergleich zu anderen Speichertechnologien Nachteile: In Deutschland nur noch geringes Ausbaupotential Teilweise starker Eingriff in die Landschaft Innovationspotenzial Kaum technologische Verbesserungen zu erwarten Repowering Anwendungsgebiete Regelleistung Peak-Shaving Black Start Ability 8

9 Druckluftspeicher-Kraftwerk Weltweit 2 CAES-Kraftwerke in Betrieb: Huntorf (Niedersachsen / 1978) und McIntosh (Alabama / 1991) Für einen Neubau wäre das Vorhandensein eines unterirdischen Speichers, z.b. einer Salzkaverne, erforderlich CAES-Kraftwerk Huntorf 9

10 Druckluftspeicher-Kraftwerk 10 Vorteile: Speicher komplett unterirdisch, daher geringer Eingriff in die Landschaft In Deutschland große Anzahl von Salzkavernen vorhanden, daher viele denkbare Standorte Nachteile: Geringer Nutzungsgrad des CAES-Kraftwerks, ca % Kombination mit einer Gasturbine erforderlich Wirtschaftlichkeit abhängig vom Gaspreis Innovationspotenzial: Eine spätere Umrüstung eines CAES-Kraftwerks zu einer AA-CAES-Anlage ist möglich Anwendungsgebiete: Regelleistung Peak-Shaving Notstromversorgung und Black Start Ability Glättung der Einspeisung von Windkraftanlagen

11 Schwungmassenspeicher Geplante Anlage zur Netzregulierung der Firma Beacon Power: 100 kw Schwungspeicher 200 x 5 MWh Speicherkapazität 20 MW Leistung für 15 Minuten Zugriffszeit: < 4 Sekunden Lebensdauer: 20 Jahre 11

12 Schwungmassenspeicher Innovationspotenzial: Elimination der Reibungsverluste durch supraleitende Magnetlager Anlagen aus einem Verbund zahlreicher Schwungräder könnten zur großtechnischen Energiespeicherung genutzt werden Anwendungsgebiete: Notstromversorgung Unterbrechungsfreie Stromversorgung Verbesserung der Netzqualität Im mobilen Bereich Zwischenspeicher für Bremsenergie 12

13 Wasserstoffspeicher Elektrische Energie lässt sich zur Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse nutzen Speicherung des Wasserstoffs kann im gasförmigen Zustand in Druckbehältern erfolgen Daneben ist eine Speicherung in Salzkavernen möglich Speicherung flüssigen Wasserstoffs erfordert eine Kühlung unter 20,4 K Möglichkeit der Metallhydridspeicherung, noch sehr teuer 13 Transportbehälter für gasförmigen Wasserstoff Tank für flüssigen Wasserstoff

14 Wasserstoffspeicher Aus Wasserstoff lässt sich mit Hilfe einer Brennstoffzelle wieder Strom gewinnen Wasserstoff kann auch in einer Gasturbine zur Stromerzeugung eingesetzt werden Besserer Gesamtwirkungsgrad bei Einsatz des Wasserstoffs als Kraftstoff für Fahrzeuge PEMFC Brennstoffzelle Fahrzeug mit PEMFC Brennstoffzellenantrieb 14 Derzeit wird Wasserstoff überwiegend aus Erdgas mittels Dampfreformierung erzeugt

15 Akkumulatoren Vorteile: Systemgröße skalierbar Standortunabhängig Nachteile: Hohe Kosten, etwa im Vergleich zum Pumpspeicher Kürzere Lebensdauer als Pumpspeicher oder CAES-Kraftwerk Teilweise nicht ausgereifte Technik Innovationspotenzial: Ständige technologische Weiterentwicklung Entwicklung neuer Akkumulatortypen Potenzial für Kostensenkungen 15 Li-Ion-Akkumulatoren

16 Vergleich Pumpspeicherkraftwerk vs. Li-Ion Akkumulator Pumpspeicherkraftwerk Goldisthal: 8,5 GWh Leistung: MW für ca. 8 Stunden Energiedichte: Blei-Akku: ca. 30 Wh/kg etwa t Li-Ion Akku: ca Wh/kg etwa t Kosten nur für die Zellen: 10 Mrd. Volumetrische Energiedichte eines Li-Ionen Akkus: ca. 130 kwh/m³ Volumenbedarf: m³ 530 m Dimension eines Li-Ion Akkus mit der Kapazität Goldisthals: 5 m m

17 Mobiler Speicher stationärer Speicher Viele kleine Speicher können große Speicher ersetzen Elektrische Energie kann in Batterien gespeichert werden und somit im Verkehr genutzt werden. Das führt zur Diversifizierung der Energieträger im Verkehr. 17

18 Vehicle to grid (V2G) Bidirektionale Anbindung von ESF ans Elektrizitätsnetz ESF übernehmen Speicherfunktionen Unterschiedliche Konzepte zur Einbindung Regelleistung Peak Shaving Integration EE 18

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Ansprechpartner: Dipl.- Ing. Christian Fieger +49 (89) Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft mbh Am Blütenanger München 19