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1 FEN - Forschungsverbund Energie Niedersachsen Charakterisierung von Energiespeichern Prof. Dr.-Ing. W.-R. Canders Hannover,

2 Gliederung 1. Einführung 2. Definitionen 3. Charakterisierung von Energiespeichern nach technischen und ökonomischen Gesichtspunkten 4. Bemerkungen zum Druckluftspeicher 5. Sonderprobleme 6. Ausblick 2

3 Warum braucht man Energiespeicher? Ein Verbundnetz ist ein nichtlineares, instabiles System, das durch ständige Regeleingriffe stabilisiert wird. Regelgrößen: Grundschwingung der Spannung und die Frequenz Unter hoher Beanspruchung sind solche Systeme sehr störempfindlich und neigen bekanntermaßen zur Instabilität Durch Energiespeicher kann die Stabilität verbessert werden 3

4 Gliederung 1. Einführung 2. Definitionen 3. Charakterisierung von Energiespeichern nach technischen und ökonomischen Gesichtspunkten 4. Bemerkungen zum Druckluftspeicher 5. Sonderprobleme 6. Ausblick 4

5 Energiespeicher für Netzbetrieb 50Hz Drehstromnetz W ein W aus Energiekonditionierung Energiewandlung Speicherelement Bilanzpunkt Systeme, welche die Ladearbeit für ihre internen Speicher vollständig aus anderen Quellen decken (fossile Primärenergie, Biomasse, Deponiegas, Erdwärme usw.) sollen hier als Kraftwerke oder Blockheizkraftwerke bezeichnet werden. 5

6 Ordnungssystem wesentliche Kriterien 6 Entladezeit Leistung Energieform Entladezeit Energieinhalt Lebensdauer Invest. Kosten Energieinhalt Kap. Kosten pro Zyklus Wirkungsgrad Leistung ökonomische Kriterien physikalische Kriterien Speichertyp

7 Gliederung 1. Einführung 2. Definitionen 3. Charakterisierung von Energiespeichern nach technischen und ökonomischen Gesichtspunkten 4. Bemerkungen zum Druckluftspeicher 5. Sonderprobleme 6. Ausblick 7

8 Für Netzbetrieb geeignete Energiespeicher Elektrochemische Batteriespeicher Brennstoffzellen mit über Elektrolyse erzeugtem Wasserstoff Druckluftspeicher Systeme Hydraulische Pumpspeicheranlagen Superkondensator Speicher Schwungmassenspeicher Supraleitende Spulen (SMES) 8

9 Energieinhalt und Leistung 100MW Primärregelung Power Quality & UPS Sekundärregelung Bridging Power 10MW 1MW 100kW 10kW 1kW Energy Management Tertiärregelung 100W 06070b/Can Wh kwh MWh 1000 Hydro Energy batteries Power batteries Batteries for portable applications Redox-flow and reversible fuel cells Supercapacitors SMES Flywheels Compressed air small Compressed air large 9

10 Wirkungsgrad und Lebensdauer 100 % Li-ion Efficiency (w/o power electronics) Metal- Air Lead-Acid Flow Bat. Ni-Cd NaS Pumped Hydro Fly Wheels Supercapacitors 40 CAES 100 1,000 10, , a/Can. Lifetime at 80% DoD - Cycles 10

11 Spezifische Investitionskosten (mit Leistungselektronik) Flywheels Supercaps kwh out Pb VnR Ni-Cd ZnBr NiMH NaS Li-ion 100 CAES 07024a/Can kw

12 Energiespez. Investitionskosten bei Berücksichtigung von Wirkungsgrad und Lebensdauer pump-storage-type plant c/Can. 0.1 Zinc-Air CAES NaS Flow Batteries Flywheel advanced/ conventional Pb-H2SO4 Ni-Cd Li-Ion Supercap Capital Costs Energy Efficiency Number of Cycles Capital Costs per Cycle (Euro Cent/kWh-output) sec - min min - hours UPS, Power Quality Bridging Power Energy Management

13 Gliederung 1. Einführung 2. Definitionen 3. Charakterisierung von Energiespeichern nach technischen und ökonomischen Gesichtspunkten 4. Bemerkungen zum Druckluftspeicher 5. Sonderprobleme 6. Ausblick 13

14 Druckluftspeicher mit einer Windenergieanlage bzw. einer Deponiegasanlage 2 3 Erdgas Netz El. Netz M 1B 1A M El. Netz El. Netz GEN C M M 06035/Can. 14

15 Energiebilanz einer CAES Anlage Abgegebene el. Energie Elektrische Verluste, P el,ab Energ. Wirkungsgrade[Lit.] P velg Verluste in Getriebe u. Lagerung, P t,mech Mc Intosh (320MW) 54% Huntorf (200MW) % Verluste im Motor, P mel Verluste in Getriebe u. Lagerung, P k,mech Verluste bei polytroper Kompression, P vk Verluste bei isobarer Abkühlung P va Zugeführte elektrische Energie für Kompressor P kel, zu P s p Verluste bei polytroper Expansion, P vex Abgasenergie Brennkammerverluste, P vb Brennstof f-energie Verluste bei isobarer Erwärmung, P vh Rekuperator Drosselverluste Eingespeicherte Energie P sp t k Drossel P mech,g Abwärme Energieentnahme aus dem Speicher, P e t e 15 MW Anlage 34% Der Wirkungsgrad ist hinsichtlich der Amortisation der Anlage eine dominante Größe 15

16 Ansätze zur Verbesserung des Wirkungsgrades Reduzierung der Zusatzverluste wie Lagerreibung und Getriebeverluste Betrieb des Speichers als isobarer Speicher und Verzicht auf Drosselung Ausführung als adiabater Speicher (Erhalt der Kompressionswärme) 16

17 Gliederung 1. Einführung 2. Definitionen 3. Charakterisierung von Energiespeichern nach technischen und ökonomischen Gesichtspunkten 4. Bemerkungen zum Druckluftspeicher 5. Sonderprobleme 6. Ausblick 17

18 Zusatzkriterien - Selbstentladung Batteriespeicher Batterietyp Blei-Säure Batterie Ni-Cd NiMH Li-Ion NaS ZnBr Vn Redox Selbstentladung [% pro Monat] vernachlässigbar?, vernachlässigbar, wenn Zelle leer?, vernachlässigbar, wenn Zelle leer 18

19 Zusatzkriterien - Selbstentladung Mittel- / Langzeitspeicher: Druckgasspeicher nur durch Leckage Pumpspeicher Leckage und Verdunstung Kurzzeitspeicher Superkondensatoren 98% pro Monat (mit Symmetrierung mehr) Schwungmassenspeicher konventionell 100% pro Stunde neueste Entwicklungen 100% in 10 Stunden SMES 100% in 10 sec bis 3 min 19

20 Zusatzkriterien Weitere Zusatzkriterien: Ansprechzeit: je nach Speicherart 1-2 ms bis 5 min Kurzschlussstrom / Selektivität 20

21 Gliederung 1. Einführung 2. Definitionen 3. Charakterisierung von Energiespeichern nach technischen und ökonomischen Gesichtspunkten 4. Sonderprobleme 5. Ausblick 21

22 Ausblick Netzstabilität und Versorgungsqualität können mit Energiespeichern verbessert werden Besonders in zukünftigen Netzen mit dezentralen und / oder regenerativen Energiequellen haben Energiespeicher erhebliche Bedeutung Vielzahl von Energiespeichern, die an unterschiedliche technische und ökonomische Bedingungen angepasst werden können. Bei vielen Speichersystemen liegt noch ein erhebliches Entwicklungspotential vor. Für mittlere Entladezeiten (Sekundärregelung) bieten Druckluftspeicher ein interessantes Entwicklungspotential 22

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Prof. Dr.-Ing. W.-R. Canders

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