Überblick über den aktuellen Stand der modernen Speichersysteme

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1 Überblick über den aktuellen Stand der modernen Speichersysteme Forum für Zukunftsenergien Berlin, Dipl.-Ing. Benedikt Lunz, Prof. Dr. rer. nat. Dirk Uwe Sauer Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) und Institute for Power Generation and Storage Systems E.ON ERC RWTH Aachen University Kontakt: batteries@isea.rwth-aachen.de ISEA E.ON ERC Testzentrum Technologien für elektrische Speichersysteme Druckluft Wasserstoff Pumpspeicher Supraleitende Spulen Elektrofahrzeuge Eigenverbrauch in PV-Systemen Schwungrad Supercapacitors SuperCaps Batterien - Blei, Lithium, NaS,... Redox-Flow Batterien 2

2 Pumpspeicherkraftwerke Erprobte Technologie Über 90 GW installierte Leistung weltweit Bild: Wirkungsgrad % Entladedauer Stunden bis Tage Leistung größter Nachteil 10 MW bis 1 GW kaum neue Stauseen in Europa möglich 3 Gasspeicherung 4

3 Blei-Säure-Batterie Große Zahl Installationen weltweit, erprobte Technologie Von zahllosen Herstellern kommerziell angeboten Wirkungsgrad 80 90% Resümee: + Erfahrung, sichere Technologie, günstig Lebensdauer, Gewicht (spielt keine große Rolle bei stationären Speichern) Bewag-Speicher (Berlin, 1986): 17 MW / 14 MWh Exide (Büdingen), 0,5 MWh-Container 5 Lithium-Ionen-Batterien Anwendung in mobilen Geräten, Elektrofahrzeugen und stationären Speichern Hohe Energiedichte Hohe Kostendegression durch Massenproduktion für mobile Anwendungen Wirkungsgrad 90 95% Resümee: + Sehr gute Lebensdauer, hohe Energiedichte Aufwändiges Batteriemanagement nötig, fehlende Normung für stationären Einsatz 6

4 Speicherbedarf für Deutschland bei 100% erneuerbaren Energien Kurzzeitspeicher GW 2 4 Stunden Energie Langzeitspeicher GW (Ausspeicherung) Bis maximal 3 Wochen (ca. 20 TWh) Grobe Abschätzungen, dienen nur der ungefähren Einschätzung des Bedarfs 7 Speicherkapazitäten sind technisch kein Problem Beispiel: Tagesspeicher in Batterien 1 MWh/1MW in Li-Ionen-Technologie in einem 20-Fuß-Container Container ausreichend auch bei 100% PV- & Wind-Versorgung Beispiel: Langzeitspeicher über Gas (Wasserstoff oder Methan) vorhandene Kavernenkapazität für Erdgas ausreichend für 3 Wochen Stromproduktion 8

5 Probleme der Energiespeicherung sind nicht fehlende Technologien oder verfügbarer Platz sondern die Wirtschaftlichkeit! Primäres Ziel sind nicht neue Speichertechnologien, sondern Technologien mit geringeren Lebenszykluskosten. Technologie muss weiterentwickelt werden, um die Lebenszykluskosten zu verringern (was auch die Verbesserung der Wirkungsgrade enthält). 9 Klassifizierung bzgl. Bereitstellungsdauer Energie Bereitstellungsdauer 1000h = 6 Wochen 100h 10h 100 GWh 1h 10 GWh <10min 1 GWh <1min 100 MWh 10 MWh 1 MWh 100 kwh 10 kwh 1 kwh 1 kw 10 kw 100 kw 1 MW 10 MW100 MW 1 GW 10 GW Leistung 12

6 Klassifizierung bzgl. Netzebene Wind Photovoltaik 220 / 380 kv 110 kv 10/20 kv 400 V ~ 1 kw pro Haushalt ~ 4 6 kw pro Haushalt Speichertechnologien (Beispiele) Pumpspeicher Wasserstoff Power-to-Gas Batterien Power-to-Gas Elektrofahrzeuge Batterien 13 Netzausbau Power-to-Heat Demand Side Management (Industrie) Stromerzeugung Doppelnutzen- Speicher Stromgeführte KWK-Anlagen Stromspeichertechnologien sind ein Element im Portfolio der Flexibilitätstechnologien und liefern positive und negative Ausgleichsleistung. Abschaltung von EE-Anlagen Power-to-Gas (Chemicals) Flexible konventionelle Kraftwerke Intelligente Netze Bedarfsgesteuerte Biogasanlagen Demand Side Management (Haushalte inkl. Elektromobilität) 15

7 Klassifizierung bzgl. Regelenergieart Technologien nur als Beispiele Strom zu Strom (pos./neg.) Irgendwas zu Strom (pos.) Strom zu Irgendwas (neg.) Zentrale Speichersysteme 100 MW 1 GW Pumpspeicher Gaskraftwerk H 2 für Verkehr Modulare Speichersysteme 1 kw 100 MW Batteriespeicher Biogasanlage H 2 für Verkehr Modulare Speicher mit Doppelnutzen 1 kw 1 MW Elektromobilität BHKW Klimaanlagen 16 Klassifizierung bzgl. Regelenergieart Technologien nur als Beispiele Strom zu Strom (pos./neg.) Irgendwas zu Strom (pos.) Strom zu Irgendwas (neg.) Zentrale Speichersysteme 100 MW 1 GW Direkter Wettbewerb Modulare Speichersysteme Modulare Speicher mit Doppelnutzen Direkter Wettbewerb 1 kw 100 MW 1 kw 1 MW Pumpspeicher Batteriespeicher Gaskraftwerk Biogasanlage H 2 für Verkehr H 2 für Verkehr Elektromobilität BHKW Klimaanlagen 17

8 Energiesysteme müssen verknüpft werden: Effizienz, Kosten und Systemnutzen beachten 100% - 350% 93% Strom Mobilität 60% 60% - Wärme Gas 25% - 50% 100% Umwandlungswirkungsgrade 18 Energiesysteme müssen verknüpft werden: Effizienz, Kosten und Systemnutzen beachten Strom aus Windkraft Batterieelektrisches Fahrzeug 93% Strom 100% - 350% Mobilität 60% 60% - Wärme Gas 25% - 50% 100% Umwandlungswirkungsgrade 19

9 Energiesysteme müssen verknüpft werden: Effizienz, Kosten und Systemnutzen beachten 100% - 350% 93% Strom Mobilität 60% 60% - Wärme 25% - 50% Gas Umwandlungswirkungsgrade 20 Strom aus Windkraft Fahrzeug mit Gasmotor 100% Gesamtwirkungsgrad ca. 20 % Dezentrale Speicher sind interessant durch Doppelnutzen Vehicle to grid Eigenverbrauch in PV-Anlagen Demand side management (Wärme-/Kälteerzeugung) Dezentrale Speicher werden insb. durch Primärnutzen finanziert Netzserviceleistungen können sehr günstig angeboten werden Privates Kapital wird für die Energiewende aktiviert Geringere Ertragserwartungen Ausbau erfolgt unabhängig vom energiewirtschaftlichen Markt Systeme müssen gebündelt und gesteuert werden, um an den Markt gebracht zu werden 21

10 Langfristige Strategien notwendig zur Vermeidung von Fehlinvestitionen Beispiel Doppelnutzen / Elektromobilität Wenn Elektromobilität in den nächsten Jahrzehnten in großem Umfang kommt, könnten die Fahrzeuge nahezu den ganzen Kurzzeitspeicherbedarf abdecken Zentralspeicher könnten sich nicht mehr refinanzieren Beispiel Kapazitätsmärkte Wenn Kapazitätsmärkte für Neubau von konventionellen Kraftwerken, dann nur für Gaskraftwerke auch langfristig für Ausspeicherung aus Gasspeichern Beispiel Kostenreduktion durch Massenproduktion Insbesondere Batteriespeicher werden nur günstig, wenn große Stückzahlen gebaut werden Subventionierung zur Ankurbelung des Absatzes ist notwendig 22 Marktdesign für Speicherbetreiber muss verbessert werden Problem: Speicher können heute nicht den Ertrag abschöpfen, den sie an Mehrwert schaffen, z.b. Effizienzsteigerung konventioneller Kraftwerke durch gleichmäßigeren Betrieb Vermeidung von Netzausbau Bereitstellung von Blindleistung, Flickerkompensation, Phasensymmetrierung, etc. Ertragsquellen heute nur optimierter Eigenverbrauch von EE-Anlagen und Regelenergiedienstleistungen Klare Definitionen des Status von Speichern ist notwendig (z.b. Netzentgelte, Steuer, etc. in Bezug auf Definition Erzeuger, Verbraucher oder beides) 23

11 Zusammenfassung Benötigte Kapazitäten sind eine Herausforderung, aber kein Problem Primäres Ziel sind nicht neue Speichertechnologien, sondern Technologien mit geringeren Lebenszykluskosten Bei der Verknüpfung von Energiesystemen (Strom, Wärme, Mobilität) müssen Effizienz, Kosten und Systemnutzen beachtet werden Speicher mit Doppelnutzung sind sehr wettbewerbsfähig für Netzdienstleistungen Langfristige Strategien zur Vermeidung von Fehlinvestitionen nötig Marktdesign für Speicherbetreiber muss verbessert werden 24