Vor- und Nachteile verschiedener Prinzipien der Speicherung elektrischer Energie

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1 Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl für Elektroenergieversorgung Vor- und Nachteile verschiedener Prinzipien der Speicherung elektrischer Energie Prof. Dr.-Ing. Peter Schegner Dipl.-Ing. Max Domagk Sächsisches Fachsymposium ENERGIE Gliederung Motivation Einteilung von Speichersystemen Vergleich der Speichertechnologien Elektrisch Mechanisch Chemisch Zusammenfassung & Ausblick Folie 2

2 Motivation Erzeugung und Eigenverbrauch ohne Speicher Verbrauch PV-Erzeugung Natürlicher Eigenverbrauch Differenz zwischen Erzeugung und Eigenverbrauch Folie 3 Motivation Erzeugung und Eigenverbrauch mit Speicher Verbrauch PV-Erzeugung Natürlicher Eigenverbrauch Speicherung Eigenverbrauch aus Speicher Einspeicherung überschüssiger Energie Ausspeicherung bei vorhandenem Eigenbedarf Folie 4

3 Einteilung von Speichersystemen Einsatzmöglichkeiten Technische und wirtschaftliche Systemoptimierung Betrieb von Inselnetzen und autarken Verbrauchern Ausgleich von Energieangebot und Energiebedarf Einspeicherung bei Schwachlastzeiten & Einspeisespitzen Spitzenlastregelung ( Peak Shaving ) Gewährleistung der Versorgungssicherheit Frequenz- und Spannungshaltung in elektrischen Versorgungsnetzen Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) Integration dargebotsabhängiger Energien und Elektromobilität Einbindung regenerativer Energieträger in bestehenden Versorgungsstrukturen Integration zukünftiger Mobilitätskonzepte Folie 5 Einteilung von Speichersystemen Physikalisches Wirkungsprinzip [1] Folie 6

4 Einteilung von Speichersystemen Physikalisches Wirkungsprinzip [1] Folie 7 Einteilung von Speichersystemen Anforderungen Folie 8

5 Vergleich der Speichertechnologien Folie 9 Vergleich der Speichertechnologien Elektrische Speicher - Doppelschichtkondensatoren Folie 10

6 Doppelschichtkondensatoren Auch Electric Double-Layer Capacitors, Superkondensatoren oder Supercaps Energiespeicherung im elektrostatischen Feld zwischen zwei Elektroden Hohe zyklische Lebensdauer Breiter Arbeitstemperaturbereich Kein Memoryeffekt [4] Selbstentladung: bis zu 25 % in den ersten 48 h, danach sehr gering Vorteile Nachteile Hauptanwendungen Hohe Zykluszahlen, hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit, Schnellladefähigkeit, Tiefentladungsfestigkeit Hohe Selbstentladung, niedrige Energiedichte, hohe Kosten pro installierter Energie Frequenzregelung, Spannungsregelung, Spitzenlastregelung, unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), Hybridfahrzeuge Folie 11 Doppelschichtkondensatoren Richtwerte aus [1] Folie 12

7 Vergleich der Speichertechnologien Elektrische Speicher Supraleitende Energiespeicher Folie 13 Supraleitende Energiespeicher Energiespeicherung im elektromagnetischen Feld einer supraleitenden Spule Supraleitung durch Kühlung unterhalb der Sprungtemperatur (z.b. 9 K für Niob-Titan) Verlust des elektr. Widerstandes Verlustlose Stromleitung ohne externe Energiezufuhr Selbstentladung: 10 %/Tag bis 15%/Tag [5] Vorteile Nachteile Hauptanwendungen Kurze Zugriffszeit auf hohe Leistungen, keine beweglichen Teile, Zuverlässigkeit Teure Rohstoffe für Supraleiter, hohe Selbstentladung, Kühlungsleistung benötigt: Kühlung, Schaltsystem und Umrichter Frequenzregelung, Spannungsregelung, Spitzenlastregelung Folie 14

8 Supraleitende Energiespeicher Richtwerte aus [1] Folie 15 Vergleich der Speichertechnologien Mechanische Speicher - Schwungradspeicher Folie 16

9 Schwungradspeicher Speicherung in Form kinetischer Energie rotierender Körper Ladevorgang über Elektromotor Entladevorgang über Generatorbetrieb des Elektromotors Verwendung von mechanische oder magnetischen Lagern in Vakuumkammer Selbstentladung: 5 %/h bis 15 %/h [6] Vorteile Nachteile Hauptanwendungen Kurzzeitspeicherung, geringe Betriebskosten und Wartungsanforderungen, Tiefentladungfestigkeit Hohe Lagerverluste bzw. benötigte Vakuumkammer, sehr hohe Selbstentladung, Betriebssicherheit Frequenzregelung, Spannungsregelung, Spitzenlastregelung, unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), Nutzung von Bremsenergie in Elektrofahrzeugen Folie 17 Schwungradspeicher Richtwerte aus [1] Folie 18

10 Vergleich der Speichertechnologien Mechanische Speicher - Pumpspeicher Folie 19 Pumpspeicherkraftwerke Speicherung in Form potentieller Energie des Wassers Einspeicherung durch Pumpen des Wassers in das höher liegende Becken Ausspeicherung durch das Durchströmen einer Turbine, die einen Generator antreibt Fallhöhen deutscher Anlagen: 70 m bis 600 m Selbstentladung: 0,005 %/Tag bis 0,02 %/Tag [7] Vorteile Nachteile Hauptanwendungen Etablierte Technologie, geringe Selbstentladung, sehr lange Lebensdauer, Tiefenentladung, Anfahren von Kraftwerken möglich Lokale Voraussetzungen: benötigt 2 Speicherbecken mit deutlichem Höhenunterschied, geringe Energiedichte, hohe Investitionskosten Frequenzregelung, Spannungsregelung, Spitzenlastregelung, Lastausgleich, Schwarzstart Folie 20

11 Pumpspeicherkraftwerke Richtwerte aus [1] Folie 21 Vergleich der Speichertechnologien Mechanische Speicher - Druckluftspeicher Folie 22

12 Druckluftspeicher Speicherung durch Komprimieren von Umgebungsluft Einspeicherung der komprimierten Luft in Kavernen (50 bar 70 bar) Ausspeicherung durch Verbrennen der komprimierten Luft zusammen mit Erdgas in Gasturbine Generator Verbrennung von Erdgas um Abkühlungseffekt bei Druckabfall entgegenzuwirken Selbstentladung: 0,5 %/Tag bis 1 %/Tag adiabatischer Druckluftspeicher [1] Vorteile Nachteile Hauptanwendungen Volle Leistung schnell abrufbar, geringe Leckverluste, Anfahren von Kraftwerken möglich, lange Lebensdauer (ca. 25 Jahre) Geringer Wirkungsgrad, benötigt nutzbare Kavernen z.b. Salzkavernen, zusätzlicher Brennstoff (Erdgas) Frequenzregelung, Spannungsregelung, Spitzenlastregelung, Lastausgleich, Schwarzstart Folie 23 Druckluftspeicher Richtwerte aus [1] Folie 24

13 Vergleich der Speichertechnologien Chemische Speicher - Lithium-Ionen-Batterien Folie 25 Lithium-Ionen-Batterien Speicherung in Form von chemischer Energie Aufbau Pos. Elektrode: Li-Metalloxid (z.b. LiMeO 2 ) Neg. Elektrode: Graphit Elektrolyt: Li-Salze in organischen Lösungsmitteln Laden Entladen [1] Selbstentladung: 5 %/Monat Vorteile Nachteile Hauptanwendungen Hohe Energiedichte, lange Lebensdauer, Hohe Entladetiefe Keine hohen Lade- und Entladeströme, entflammbar, Packaging und Kühlung aufwendig, Einzelspannungsüberwachung Frequenzregelung, Spannungsregelung, Spitzenlastregelung, Lastausgleich, Elektromobilität, PV-Speichersysteme, Mobile Geräte mit hohen Energiebedarf Folie 26

14 Lithium-Ionen-Batterien Richtwerte aus [1] Folie 27 Vergleich der Speichertechnologien Chemische Speicher - Blei-Säure-Batterien Folie 28

15 Blei-Säure-Batterien Speicherung in Form von chemischer Energie Klassischer Aufbau: 2 Blei-Elektroden und Schwefelsäure als Elektrolyt Laden Entladen Pb + PbO H 2 SO 4 2 PbSO H 2 O + elektrische Energie [1] Selbstentladung: 0,1 %/Tag bis 0,4 %/Tag Vorteile Nachteile Hauptanwendungen Geringe Selbstentladung, kein Memoryeffekt, technisch erprobt Ventilation aufgrund von Gasbildung, keine Schnell- und Tiefenentladung, Unfallgefahr (Auslaufen der Säure) Blei-Gel Frequenzregelung, Spitzenlastregelung, Inselnetze, PV- Speichersysteme, unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), Elektroautos, Starterbatterien für Kraftfahrzeuge Folie 29 Blei-Säure-Batterien Richtwerte aus [1] Folie 30

16 Vergleich der Speichertechnologien Chemische Speicher Hochtemperatur-Batterien Folie 31 Hochtemperatur-Batterien Speicherung in Form von chemischer Energie Flüssige Elektroden und Festkörper-Elektrolyt Arbeitstemperatur bei C zur Verflüssigung der Elektroden Heizung auch im ruhenden Betrieb notwendig Nur ein Anbieter weltweit (Japan) Natrium-Schwefel-Batterien (NaS) [8] Selbstentladung: 10 %/Tag (kleine in Bereitschaft stehende Systeme) Vorteile Nachteile Hauptanwendungen Hohe Energiedichte und Wirkungsgrad, kein Memoryeffekt, vernachlässigbare elektrochemische Alterung, Günstige Rohstoffe (NaS) Benötigt hohe Arbeitstemperatur zum Be- und Entladen, anfällig gegenüber Temperaturschwankungen, hohe Verluste Frequenzregelung, Spannungsregelung, Lastausgleich, Inselnetze, Elektromobilität, Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) Folie 32

17 Hochtemperatur-Batterien Richtwerte aus [1] Folie 33 Vergleich der Speichertechnologien Chemische Speicher - Gasspeicher ( power to gas ) Folie 34

18 Gasspeicher - Wasserstoff Erzeugung von Wasserstoff mittels Strom durch Elektrolyse Speicherung des verdichteten Wasserstoffs in z.b. Kavernen Entladevorgang durch Verbrennungsturbinen oder Brennstoffzellen zur Verstromung Nutzung außerhalb des Stromsektors möglich z.b. zur Wärmeerzeugung [1] Selbstentladung: 0,003%/Tag bis 0,03%/Tag Vorteile Nachteile Hauptanwendungen Speicherung großer Energiemengen, Wasser zur Herstellung frei verfügbar, Wasserstoffnutzung für andere Energiesektoren Benötigt Unterirdische Kaverne, Speicherung in Tanks kostspielig, geringer Wirkungsgrad, hohe Elektrolysekosten Saisonspeicher, Inselnetz Folie 35 Gasspeicher - Wasserstoff Richtwerte aus [1] Folie 36

19 Gasspeicher - Methan Erzeugung von Wasserstoff mittels Strom durch Elektrolyse Methanisierung von Wasserstoff und Kohlendioxid Zusätzliche CO 2 -Quelle benötigt Direkte Nutzung des Erdgasnetzes möglich Entladevorgang durch Verbrennung in Gasturbinen ca. 3-fache Energiedichte gegenüber Wasserstoff [9] Selbstentladung: 0,003%/Tag bis 0,03%/Tag Vorteile Hohe Speicherkapazität für Langzeitspeicherung, Mitnutzung des Erdgasnetzes, hohe Energiedichte Nachteile Unterirdische Kaverne, oder Gasnetz-Anschluss, externe CO 2 - Quelle, geringer Wirkungsgrad, teurer als Wasserstoffspeicherung Hauptanwendungen Saisonspeicher, Inselnetz Folie 37 Gasspeicher - Methan Richtwerte aus [1] Folie 38

20 Zusammenfassung Potentielle Rolle der Speichertechnologien Kurzzeitspeicheranwendungen I ( Sekunden bis Minuten ) z.b. Doppelschichtkondensatoren, supraleitende Energiespeicher, Schwungräder Anwendungen mit hoher Zyklusbelastung und Leistungsanforderungen Frequenz- und Spannungshaltung in elektrischen Versorgungsnetzen Kurzzeitspeicheranwendungen II ( Tagesspeicherung ) z.b. große Vielfalt an Batterietechnologien, Pumpspeicher, Druckluftspeicher Optimierung des Netzbetriebes, PV-Speichersysteme, E-Mobilität, USV Ausgleich von Energieangebot und Energiebedarf (z.b. Last-, Einspeisespitzen, PV-Selbstversorgung) Langzeitspeicheranwendungen ( Wochen bis Monate ) z.b. Pumpspeicher im Großmaßstab, Elektrolyse von Wasser bzw. Gasspeicher Betrieb von Inselnetzen, bei hohem Anteil EE zur Überbrückung dunkler Flaute Einbindung regenerativer Energieträger in bestehende Versorgungsstrukturen Folie 39 Ausblick Energiespeicher für die Energiewende Anteil erneuerbarer Energien 40% 80% 100% bis zu einem EE-Anteil von ca. 40% werden Speicher nur in geringem Umfang zur Einspeicherung von EE-Strom benötigt (Ausgleich durch geringe Abregelung der EE-Einspeisung) bei EE-Anteilen über 40% ist eine Kombination aus Kurz- und Langzeitspeicherung und Abregelung von EE-Anlagen empfehlenswert bei EE-Anteilen von 80% dienen Kurz- und Langzeitspeicher dem Klimaschutz bei Erhöhung der EE-Anteile von 80% auf 100% verdreifacht sich der Speicherbedarf [2] Folie 40

21 Quellen [1] SEFEP Studie: Technology Overview on Electricity Storage, ISEA RWTH Aachen, September 2012 [2] VDE Studie: Energiespeicher für die Energiewende Speicherbedarf und Auswirkungen für das Übertragungsnetz, ETG-Task-Force Energieeinspeisung, Juni 2012 [3] TAB-Arbeitsbericht: Energiespeicher. Sachstandsbericht zum Monitoring»Nachhaltige Energieversorgung «, D. Oertel, Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag (TAB), 2008 [4] Maxwell Technologies [5] [6] [7] [8] [9] Folie 41 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Prof. Dr.-Ing. Peter Schegner TU Dresden IEEH Folie 42

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