Fluktuierende Erneuerbare Stromerzeugung und Speicher

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1 Fluktuierende Erneuerbare Stromerzeugung und Speicher Franz Baumgartner, Prof. Dr. ZHAW Zurich University of Applied Sciences, School of Engineering Winterthur; Dozent für Erneuerbare Energie, Vortrag im Rahmen Energie-Apero SWW, am Winterthur CH Inhalt 1. Traditionelle Stromnetze im Wandel 2. Stromnetz limitieren den Solarstrom 3. Elektrische Speichertechnologien 4. Schweizer Speicherseen für Erneuerbare University of Applied Science Zuerich; ; bauf@zhaw.ch;

2 1. Traditionelle Stromnetze im Wandel 2

3 Die Treiber für die Energiewende Das Klima der Welt: CO 2 Ressourcen -Knappheit 2100 mit +6 C? regionaler Klimawandel Risiken: Kosten / Sicherheit Lit Lit Öl-Preis akt. 120$/bl in 2008; 40$ - 150$ 200$/bl? Tankerunfälle, KKW Unfälle/Risiken Erdölreserven bis 2050?; China, Indien? Zukunftsmarkt und Jobs Gesellschaftlicher Konsens: Zukunft ist ERNEUERBAR, wenn heute investiert wird? University of Applied Science Zuerich; ; bauf@zhaw.ch;

4 Energiepreissteigerung 300% Öl Strom Schweiz Stromendkundenpreis 14.6 (2008) auf 16( %) Rp/kWh Gesamtausgaben Strom ca. 2% BIP BFE Stromstatistik % 100% 4

5 Solare Kostenreduktion /kw /kw 5

6 Kosten sinken mit industrieller Massenproduktion z.b. Solarmodule KAI MT new /W cost.o.o. Oerlikon Solar, Produktionlinie, Schweiz Gerold Büchel, PV Industry Forum, Munich 10 June Rp/kWh Trend Photovoltaikstrom BOS 40% Module 60% BOS 70% 30% University of Applied Science Zuerich; ; bauf@zhaw.ch;

7 Historische Kostenentwicklung Kraftwerke Photovoltaik / Kostensenkung Nuclear reactor / Kostensteigerung Breyer, EUPVSEC, Hamburg Sept 2011 University of Applied Science Zuerich; ; bauf@zhaw.ch;

8 Über 20% Erneuerbar in Deutschland 2012 Brutto-Stromerzeugung Deutschland nach Energieträgern Mitte 2011 (Quelle: BDEW Bundesverband der Energieund Wasserwirtschaft e.v., Berlin, 29. August 2011; 8

9 1. Traditionelle Stromnetze im Wandel Die Auswirkungen auf das Stromnetz wird zuerst im Leitmarkt für Ökostrom (Wind, Solar, Bio) in Deutschland auftreten. 9

10 Traditionelle Stromnetze in der Schweiz Jedes erzeugte Elektron muss im selben Moment verbraucht werden! VSE Schweiz; University of Applied Science Zuerich; ; bauf@zhaw.ch;

11 Traditionelle Kraftwerke in Deutschland Fr So GW Nuklear 12 GW Nuklear Abschaltung von 7 KKW Reaktoren am 16. März 2011 Nach dem Unfall in Japan am 11. März und vor den Landtagswahlen in Baden Württemberg: Neckarwestheim-1, Philippsburg-1 (Baden-Württ.), Biblis A und B (Hessen), Isar-1 (München) und Unterweser (Niedersachs). University of Applied Science Zuerich; ; bauf@zhaw.ch;

12 Wind und Solar wichtig im BRD Stromnetz Freitag Uhr Last 68 GW 33% Wind+Solar Sonntag Uhr Last 46 GW 25% Wind+Solar Starke Windkraft Starke Solarkraft University of Applied Science Zuerich; ; bauf@zhaw.ch;

13 Primitive Extrapolation PV Wachstum BRD 12% 68GW % 51GW %/a jährlich neuer PV Stromanteil 3% 17GW_PV % 24GW_PV University of Applied Science Zuerich; ; bauf@zhaw.ch;

14 Grenzen deutscher Stromnetze Sturmtief Ekkehardt am 8/9. Dez 2011, erforderte Kaltreserve Ölkraftwerk in Graz A; Block C des Atomkraftwerks Gundremmingen war unplanmäßig abgeschaltet Quelle: Institute for Power Systems and Power Economics, RWTH Aachen, University, 2005; bzw. N. Schrader, Deutsche Umwelthilfe, Netzintegration BUND Umwelttage Radolfzell,

15 Fluktuation Wind Jahresgang BRD 15 VDE, Energiespeicher Studie 2009;

16 Realisiertes EE Wachstum in Deutschland vgl. Ziel Schweiz Bundesrat und VSE für 2035 ein plus von EE 7 bis 10%, Stand Was wird heute 2012 erreicht! (nicht was wurde versprochen oder gewollt!) University of Applied Science Zuerich; ; bauf@zhaw.ch; Schweiz BRD Solarstrom 0.2% 4% Windstrom 0.1% 7% Biogene Stoffe 0.5% 6% Wasserkraft 57% 4%

17 Schweizer Lastgangskurve 2008 VSE Schweiz, 2008 PV?? Hydro Nuclear 56% Wasserkraft Leistung Pumpspeicherwerke 1.4 GW (2% elec.) Ausbauziele Schweiz ca. 4GW Der Erlös aus Exporten von Elektrizität 66.3TWh lag im Jahr 2010 bei 5064 Millionen Franken (7,65 Rappen/kWh). Für Importe 66.8TWh ergaben sich Ausgaben von 3736 Millionen Franken (5,60 Rappen/kWh). University of Applied Science Zuerich; ; bauf@zhaw.ch;

18 2. Stromnetze limitieren Solarstrom 18

19 Schweiz: PV ergänzt fixe Grundlast Szenario A 15 min Load profil: Greater Zurich Area University of Applied Science Zuerich; ; bauf@zhaw.ch;

20 Modellannahme: Solare Einstrahlung Meteotest, Bern University of Applied Science Zuerich; ; bauf@zhaw.ch;

21 Szenario A: Überschüsse am Wochenende 5% PV 10% PV University of Applied Science Zuerich; ; bauf@zhaw.ch;

22 Resultat: sinkender Ertrag für PV Kraftwerk Szenario A: Grundlast bleibt erhalten kwh/kwp -8% in annual PV electricity production 640Wp per capita University of Applied Science Zuerich; ; bauf@zhaw.ch;

23 Photovoltaik hat stets Vorrang im Netz Szenario B: mit 17% PV Stromanteil die Grundlast wird nachgeregelt (vgl. EEG in BRD) University of Applied Science Zuerich; ; bauf@zhaw.ch;

24 Ergebnis aller Szenarien Keine weiteren neuen Erneuerbaren Quellen berücksichtigt! 50% load losses Leistung für Speicher 30% der mittleren Leistung (ca. 3GW) University of Applied Science Zuerich; ; bauf@zhaw.ch;

25 Speicher erhöhen den Eigenverbrauch PV Erzeugung SFr/kWh Aktuelle Kostenstruktur Speichern SFr/kWh N. Kreutzer, C. Allert, J. Weide, M. Rothert, F. Thim; 4BV th European Photovoltaic Solar Energy Conference /5th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, 6-10 September 2010, Valencia, Spain University of Applied Science Zuerich; ; bauf@zhaw.ch;

26 ZHAW Projektarbeit: Fallstudie Leitungsbau versus Speicher 110kW PV 100kW h oder 400kWh 30kW Limit alt Leitungsausbau Fr 26 Lukas Baumgartner, ZHAW SoE Projektarbeit 2011

27 Lastprofil Bauernhof / Melkmaschine typische elektrische Lastspitze 3.5kW 27 Lukas Baumgartner, ZHAW SoE Projektarbeit 2011

28 110kW PV versus Leitungsgrenze 30kW 28 Lukas Baumgartner, ZHAW SoE Projektarbeit 2011

29 Resultat Simulation ohne Speicher Ergebnis: 44% des Solarstroms kann über alter Leitung nicht eingespeist werden (5% Spannungerhöhung) entspricht Fr entgangener KEV Vergütung Der Leitungsausbau mit Fr ist also in etwa in 5 Jahren amortisiert 29

30 Resultat Simulation mit Speicher Speichervariante A: Flow Redox 1000 Fr/kWh Invest Speicher 100kWh / etwa gleiche Kosten wie Netzbau 9600Fr geretteter KEV Einnahmen-Amortisation 10a Speichervariante B: 400kWh kein kwh Verlust keine wirtschaftliche Amortisation 30

31 ZHAW 2010 PV Storage Demo 5kWh (500kWh) 5kW (1000kW) Bleibatterie 4.6kWh Oerlikon 2 x 2kWh täglich Entladung Gesamt 900 x Nennkapazität Pb Investition 370 Fr/kWh (3a Lebensdauer) Kosten Speicher 79 Rp/kWh Nutzenergie Bachelorarbeit ZHAW, R. Bosshart, N. Moser; SoE 2010; Partner EKZ, Dietikon 31

32 3. Elektrische Stromspeicher 32

33 Speichermedien 33

34 Stromspeicher: ZHAW Schwungrad ZHAW SoE Projektteam GyroP 2011 u 12: Leitung Alberto Colotti 1. Schwungrad 2. Rotor elektrische Maschine 3. Stator elektrische Maschine 4. Gehäuse 5. Vertikallager 6. Horizontallager 7. Vakuumpumpe 8. Kühlkreislauf 9. AC-AC Konverter 0.3kWh, d=0.4m, m=25kg University of Applied Science Zuerich; ; bauf@zhaw.ch;

35 Zentrale Druckluftspeicher H. Ladninger, LBST München, VDE

36 NaS Hochtemperaturbatterie NaS: 0.5MW x 6 h (Preisbasis 300MW, large NAS Battery for United Arab Emirates in 2009, 720 Mio US$; about 2300$/kW Total kwh = 330,000kW 6hours 4500 = 8.91 billion kwh Cycles 4500 cost 0.72/8.91 = US $0.08/kWh + interest efficiency is 75% Cost = (4/3) interest = US $ interest Nov University of Applied Science Zuerich; ; bauf@zhaw.ch; Juni

37 Druckluftspeicher - Tagesspeicher Mittelfristiges Kostenziel: 3 ct/kwh 37 VDE, Energiespeicher Studie 2009;

38 Druckluftspeicher - Wochenspeicher Mittelfristiges Kostenziel: 10 ct/kwh 38 VDE, Energiespeicher Studie 2009;

39 Leistungselektronik: PV EV-Speicher-Haus Sharp nutzt im Demonstrationsprojekt Eco House die Batterie des Elektroauto imiev, um die Leistung von 8 kw dem Hausstromnetz zur Verfügung zu stellen. (z.b. über DC Hausstromnetz) Gleichzeitig ist die Sharp Leistungselektronik fähig, 4 kwh PV Energie in 30 Minuten wieder in die Autobatterie zu laden. Anmerkung: ca für kwh Batterie mit Elektronik University of Applied Science Zuerich; ; bauf@zhaw.ch;

40 Traktionsbatterie E-Mobil, Lithium 20kWh Kleine Zwischenrech. 20kWh pro E-Auto ca Fr (2020) Schweiz 100% EV 4. Mio E-mobile =80 GWh (ca. 24 Mrd SFr!!!!!) Vergleich Speichersee Vergleich Pumpspeichersee 25Mio m3 Wasser 600m = 41GWh Vergleich alle CH Speicherseen Ca GWh Li Battery, Nissan Leaf 40

41 Die Kosten der Batteriespeicher sollen sinken Anmerkung: BA Arbeit 2010 ZHAW; R. Bosshard, M. Moser; Li-Ionen Offerte, 900 /kwh mit 80% DOD von 4.3kWh, 2000 Zyklen, folgt 76 Rp/kWh genutzt ca. 20 Rp/kWh 25kWh battery cost at $11,250 25kWh battery cost at $6,250 Li-Ion batteries: 1000$/kWh (2010) to 400$/kWh(2020), NAS Nat. Academies of Science, US University of Applied Science Zuerich; ; bauf@zhaw.ch;

42 Speicherzeit Batterie versus Kapazität Duration of Storage [min] Pb PV alpine hut PV home storage Pb UPS IT Li-bat EKZ-ABB Hydro Storage 1 F. Baumgartner, Fly-Wheel Storage Capacity [kwh] 42

43 Elektrischer Strom zu Gas / Power to Gas 43

44 Der Zoo der Batterietypen versus Kriterien 44

45 Fazit Speichertyp Heute [ /MWh] Trend 2020 [ /MWh] Anmerkung Druckluft - Kavernen Wirkungsgrad Flow-Redox Langzeitspeicher Lithium Batterie auch Kurzzeitspeicher, E-Mobile Bleibatterie Zyklenzahl, Pb Einsatz? NaS Hochtemperatur Leistungspreis hoch, Entladung Methan?? Wirkungsgrad, Erdgasnetz Wasserstoff 250? 100? Kosten / Infrastruktur Pumpspeichersee Hydro Standorte limitiert Juni 45

46 4. Schweizer Speicherseen für Erneuerbare 46

47 Jahresbilanz der Schweizer Elektrizität 2009 University of Applied Science Zuerich; ; bauf@zhaw.ch; BFE Bericht 2009, Ausgabe 2011

48 Schweizer Exportschlager Strom Mio SFr Gewinn Stromhandel Elektrizitätsstatistik

49 PV zur Heizungsunterstützung V. Quaschning, HTW Berlin, PV-Konf., Staffelstein,

50 Ausblick und Stufen des Solarstroms ins Netz 10% PV? 20% PV? Betriebsdauer des PV Kraftwerks University of Applied Science Zuerich; ; bauf@zhaw.ch;

51 Lösungsweg: Fluktuation EE und Netze 1. Verbraucher schalten 2. Drosselung PV + Wind 3. Ausbau Netz grossräumig Elektroboiler, Heizungen ein zur Mittagszeit! 20% PV Anteil kein Problem wenn Grundlast abregelt 1GW / 1000km / 1Mrd Fr 4. Stromspeicher: Batterie, Pumpspeicher Invest 400 bis 200 /kwh heute (0.4 /kwh) Druckluft haben grosses Potential auch für saisonale Speicher University of Applied Science Zuerich; ; bauf@zhaw.ch;

52 Erneuerbare und die CH-Speicherseen PV Potential in der Schweiz voll nutzbar nur mit vorrangiger Verfügbarkeit der Speicherseen, sonst auf 10% limitiert (PV Kosten steigen überprop.) Kurzfristig Pumpleistung muss erweitert werden nicht das Volumen der Speicherseen Langfristig saisonale Stromspeicherung mit höherem Speicherseevolumen bzw. verstärkter Fokus auch auf andere Technologien legen University of Applied Science Zuerich; ; bauf@zhaw.ch;

53 Danke für die Aufmerksamkeit Dank an die Mitautoren des Fachartikels: Erschienen 2010 im Progress of Photovoltaics, Wiley; 2010 Online ISSN: X; Download University website: T. Achtnich, ehem. ZHAW J. Remund; METEOTEST Bern, Switzerland; S. Gnos, S. Nowak; NET Nowak Energy&Technology, CH, 650kW, Waldshut Image: 60kW, Tenna 53