Speichertechnologien Eigenschaften und Anwendungen. Dr. Peter Eckerle Geschäftsführer

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1 Speichertechnologien Eigenschaften und Anwendungen Dr. Peter Eckerle Geschäftsführer

2 StoREgio bietet eine wertschöpfungskettenüberbreifende Plattform zur Zusammenarbeit Start: Cluster Aug. 2010, Verein März 2013 Offen für juristische Personen mit Sitz in Deutschland Sitz und Büro im Technologiezentrum Ludwigshafen Ziel: Industrialisierung und Anwendung stationärer Energiespeichersysteme in intelligenten Energiesystemen Aktuelle Mitglieder: 2

3 Im Fokus der Arbeiten liegt die Anwendung von Energiespeichersystemen Erzeugung StoREgio Fokus Smart Grids/Flexibilität Speicherung elektrochemisch thermisch chemisch (mechanisch) Flexibilität Vernetzung, Kommunikation, Steuerung Verbrauch Themen Business Cases / Models Komplementäre Technologien Sicherheit (safety&security) und Akzeptanz Prognose- und Marktmodelle 3

4 Wirtschaftlichkeit und Akzeptanz bestimmen den Erfolg von Speichersystemen StoREgio - Leitgedanken Flexibilität - eine der wichtigsten Komponenten in Energiesystemen auf Basis erneuerbarer Energien Energiespeichersysteme - besonders attraktive Flexibilitätsoption, aber kein Selbstzweck Wirtschaftlichkeit und Akzeptanz wesentliche Erfolgsfaktoren Optimierte Kosten und Performance Neue Geschäfts- und Betriebsmodelle Geeignete, stabile regulatorische Rahmenbedingungen Technische und kommunikative Sicherheit und Zuverlässigkeit 4

5 Energiespeicher sind energiewirtschaftlich nicht eindeutig definiert Energiespeicher, enge Definition Ein Energiespeicher nimmt Energie auf und gibt sie in der gleichen Form am gleichen Ort zu einem späteren Zeitpunkt wieder ab. Zur Speicherung kann eine Energieumwandlung erfolgen (Batterien, Pumpwasserspeicher etc.) Energiespeicher, weite Definition Ein Energiespeicher nimmt Energie auf und gibt sie in gleicher oder anderer Form am gleichen oder einem anderen Ort zu einem späteren Zeitpunkt wieder ab (inkl. Power2Heat, Power2Gas) Flexibilität Eine Flexibilität stellt dem Energiesystem positive oder negative Leistung am gleichen oder an verschiedenen Orten zur Verfügung (inkl. Lastmanagement) 5

6 Ein Energiespeichersystem ermöglicht den Betrieb eines Speichers in einer Anwendung Energiespeicher + Sicherheitselemente, z.b. Batteriemanagement Physikalische Netzanbindung, z.b. Wechselrichter Kommunikationsanbindung Steuerungslogik Energiespeichersysteme können nur mit Bezug zu einer konkreten Anwendung miteinander verglichen werden! 6

7 Als Stromspeicher stehen verschiedene Technologien zur Verfügung Übersicht Energiespeichertechnologien Strom zu Strom Wirkprinzip Wandler Speichermedium Wandler Mechanisch Schwungrad Pumpwasser/ Druckluft Elektrochemisch LIB, NaS Motor Rotierende Masse Generator Pumpe/ Kompressor Speichersee/ Kaverne Batteriezelle Turbine Redox-Flow RF-Zelle Elektrolyttank RF-Zelle Chemisch Wasserstoff Methan Elektrolyse Brennstoffzelle Methanisierung Wasserstofftank Erdgasnetz BHKW Quelle: Siemens 7

8 Die Eigenschaften der Speichertechnologien unterscheiden sich stark Entwicklungsstand Pumpwasser AC-AC- Effizienz 75-80% Energiedichte (kwh/m3) 0,3 pro 100m Kostenskalierung (Invest) Reaktionsfähigkeit Sicherheit** Lebensdauer E P +/o +/+ ++ ausgereift Lithium- Ionen (stationär) Natrium- Schwefel Redox Flow Blei- Säure 90-95% /o % /o % /o +/+ ++/+ Markteintritt Skalierung/ Optimierung Etabliert Optimierung Markteintritt Skalierung/ Optimierung E P 60-70% /- - ausgereift E E E P P P Chem. Speicher* 30-35% 800 (80bar) E P o -/o + Pilotanlagen * Methan ** Brennbarkeit / Toxizität 8

9 Überblick Speichertechnologien Storage technology Storage Mechanism Power Capacity Storage Period Density Efficiency Lifetime Cost MW MWh time kwh/ton kwh/m 3 % # cycles $/kw $/kwh /kwhdelivered Lithium Ion (Li Ion) Sodium Sulfur (NAS) battery Lead Acid battery Redox/Flow battery Electrochemical Electrochemical Electrochemical Electrochemical < 1,7 < 22 day - month ,89-0, day ,75-0, < 30 day - month ,65-0, < 7 < 10 day - month ,72-0, Compressed air energy storage (CAES) Mechanical day at bar 0,4-0, Pumped hydro energy storage (PHES) Mechanical day - month 0,27 at 100m 0,27 at 100m 0,63-0, ,1-18 Hydrogen Chemical varies varies indefinite ,7-160 at bar 0,22-0, 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 ~ Quelle: BVES 9

10 Überblick Blei-Säure Batterie Eigenschaften Geringe Energiedichte Mäßige Effizienz Schnelle Reaktion Geringe Stromdichte Zyklenlebensdauer Kal. Lebensdauer 5-10 Jahre Temperaturbereich -20 bis 60 o C Allgemein Günstiges System mit gemischten Eigenschaften Ausgereifte, zuverlässige Technologie Etabliertes Recyclingsystem Geeignet für Anwendungen mit begrenzter Zyklenzahl und Zyklentiefe im unteren Leistungsbereich Alterung Korrosion Sulfatierung bei seltener Vollladung Abscheidung Aktivmaterial bei mech. Stress Selbstentladung z.b. durch Elektrolyse Sicherheit Wasserstoffentwicklung bei Überladung 10

11 Überblick Redox-Flow Batterie (RF) V 2+/ V 4+ V 3+/ V 5+ Allgemein Sehr flexibles System bzgl. Leistung und Energie Hohe Entladetiefe möglich Wenige kommerzielle Anbieter Weitere Verbesserungen zu erwarten Elektrolyt sehr gut recyclingfähig Gut für Anwendungen mit hoher Energie und vielen Zyklen Eigenschaften Geringe Energiedichte Leistung und Energie unabhängig skalierbar Mäßige Effizienz Schnelle Reaktion Stromdichte abh. von Stackdesign Zyklenlebensdauer > Kal. Lebensdauer Jahre Temperaturbereich 20 bis 30 o C Alterung Keine Alterung des Elektrolyten Stack/Pumpen können ggf. getauscht werden Sicherheit Unkritisch, verd. Schwefelsäure als Lösungsmittel 11

12 Überblick Natrium-Schwefel Batterie (NaS) Eigenschaften Hohe Energiedichte Hohe Effizienz Schnelle Reaktion Stromdichte abh. von Separator Zyklenlebensdauer >10000 Kal. Lebensdauer >10 Jahre Temperaturbereich 290 bis 350 o C Allgemein Sehr leistungsfähiges System NGK (Japan) Monopolanbieter, seit > 20Jahren im Einsatz Weitere Anbieter in Vorbereitung (NaS und NaNiCl) Bisherige Systeme nur im MW- Bereich erhältlich Gut für Anwendungen mit ständiger Belastung (Abwärme zur Temperierung) Alterung Stabiles System Irreversible Bildung von Na 2 S bei Überladung (Kapazitätsverlust) Sicherheit Bei Freisetzung Brand und toxische Gase 12

13 Überblick Lithium-Ionen Batterie Eigenschaften Sehr hohe Energiedichte Sehr hohe Effizienz Sehr schnelle Reaktion Hohe Stromdichte Zyklenlebensdauer >10000 Kal. Lebensdauer 7-12 Jahre Temperaturbereich 0 bis 40 o C Allgemein Hochleistungsbatterie, aber teuer Breite Eigenschaftspalette durch verschiedene Materialkombinationen Sehr dynamische Weiterentwicklung sinkende Kosten, bessere Qualität Sicherheit kritisch gute Qualität hat ihren Preis Ideal für Leistungsanwendungen Alterung Nebenreaktionen an Elektroden, morphologische Veränderungen Abscheidung von Lithium-Metall bei Überspannung (irreversibel) Sicherheit Interner Kurzschluss kann zu Brand und Explosion führen, toxische Gase 13

14 Exkurs: Sicherheit von Lithium-Ionen Batterien Hohe Energiedichten führen immer zu sicherheitskritischen Systemen Es gibt keine eigensicheren Lithium-Ionen Batterien CE-Kennzeichnung garantiert keine Sicherheit Hohe Marktdynamik (PV-Kleinspeicher) lockt viele Anbieter Normen und Anwendungsregeln erst im Entwurfsstatus Unterschiedliches Sicherheitsniveau bei verschiedenen Herstellern, insb. durch Unkenntnis der Elektrochemie Sicherheit kein Hexenwerk, durch Sorgfalt und Know-how zu erreichen Produktsicherheit für Installateure (Gatekeeper) und Endkunden schwer erkennbar. Brände und Folgemaßnahmen in fast allen Branchen mit Li-Ionen-Zellen (Notebooks, Pedelecs, Transporte, ), wenig im Automotive-Bereich 14

15 Sicherheitsleitfaden Li-Ionenheimspeicher Publikation eines Sicherheitsleitfadens in Kooperation mehrerer Verbände Kostenfrei online verfügbar ( Englische Übersetzung geplant» Keine gültige Norm, Quasi-Standard zum Stand der Technik» Kein Anspruch auf Vollständigkeit, Kombination mit bestehenden Normen» Verabredung mit Prüflaboren zur einheitlichen kostenoptimierten Prüfung (Cetecom, TÜV Rheinland, VDE)» Übernahme der Kernpunkte in Normenentwürfe (u.a. IEC) und Anwendungsregeln 15

16 Überblick Chemische Speicher (Bsp. Methan) Eigenschaften Höchste Energiedichte Speicher bereits vorhanden (Gasnetz) Sehr niedrige Effizienz Mäßige Reaktion Stromdichte abh. von Zelldesign Allgemein Kein echtes Speichersystem mehrere Komponenten wirken zusammen Niedrigste Effizienz Unabdingbar für saisonale Speicherung Interessant als Brücke zu anderen Märkten (Rohstoff, Mobilität, Gas) Alterung Vergiftung der Katalysatoren im Elektrolyseur und Methanisierung Sicherheit Analog Gasnetz 16

17 Leistung [kw] Zusammenfassung: Die Speichertechnologien ergänzen sich in ihren Anwendungsbereichen Anwendungsbereiche von Speichertechnologien Minuten Stunden Tage Leistungsspeicher Tagesspeicher Langzeitspeicher Energie [kwh] kw Lokal LIB Pb-S RF MW Dezentral NaS Chem. Speicher Pumpwasser GW Zentral Quelle: StoREgio 17

18 Leistung [kw] Der Einsatz aller Technologien muss sich über ihre Anwendungen refinanzieren Anwendungslandschaft stationärer Speichersysteme Minuten Stunden Tage kw Lokal Leistungsspeicher Tagesspeicher Langzeitspeicher Netzstabilisierung Lastspitzenkappung Eigenverbrauch Vermeidung Netzausbau Energie [kwh] Inselsysteme MW Dezentral Regelenergie Lastspitzenkappung USV Back-up Systeme Vermeidung Netzausbau Inselsysteme Back-up Systeme GW Zentral Regelenergie Ausgleichsenergie Regelenergie Ausgleichsenergie Inselsysteme Ausgleich saisonaler Schwankungen Elektrochem. Speicher Therm. Speicher Chem. Speicher Pumpwasser-, Druckluftspeicher DSM, bivalente Systeme Quelle: StoREgio 18