Energiespeicher. Technologien, Herausforderungen und Perspektiven. (Ergebnisse einer VDE-Studie)

Transkript

1 Energiespeicher Technologien, Herausforderungen und Perspektiven (Ergebnisse einer VDE-Studie) BMWI: Energiesysteme der Zukunft Berlin, 13. September 2010 Dr.-Ing. Martin Kleimaier 1

2 Elektrofahrzeuge Lastmanagement Dezentrale Energieversorgung 2020 Smart Distribution Elektrische Energieversorgung 2020 VDE Studien Effizienzund Einsparpotenziale Energie- Speicherung 06/2009 Energieund Klimaziele Übertragungstechnologien Infrastruktur Flexibilisierung Erzeugungspark Energieforschung Versorgungsqualität 2

3 Gliederung Die Herausforderung: Energiespeicher zur Vergleichmäßigung des fluktuierenden Dargebots bei erneuerbaren Energien - Speicherbedarf Einsatzbereiche für Energiespeicher Speichertechnologien für stationäre und mobile Anwendungen Wasserstoff als Energiecarrier und Speicher Nutzung zur stationären Stromerzeugung und als Kraftstoff für Fahrzeuge mit Brennstoffzellen Demand Side Management mit Wärme-/Kältespeichern und Elektrofahrzeugen Technischer und wirtschaftlicher Vergleich anhand von Szenarien zentrale vs. dezentrale Speicher 3

4 Speicheroptionen im Netz Speicherung elektr. Energie Mobile Speicher Nutzwärme/-kälte- Speicherung Netznutzung Energiemärkte G KW Wärme- Speicherung G KWK Nutzwärme- Speicherung G KW Biomasse Biogas Primärenergieträger 4

5 Ist-Stand und Ziele bei Erneuerbaren Energien Erneuerbare Energien in Deutschland % Anteil an der Stromerzeugung (bez. auf 582 TWh) davon: 3,3 % Wasserkraft MW (inst. Leistung) 6,5 % Windenergie MW (inst. Leistung) 5,1 % Biomasse MW (inst. Leistung) 1,1 % Photovoltaik MW (inst. Leistung) 20/20/20 Ziele der Europäischen Union bis 2020 ca % Anteil der Erneuerbaren an der Stromerzeugung Mittelfristiges Ziel der Bundesregierung 50 % Anteil der Erneuerbaren an der Stromerzeugung Langfristiges Ziel der Bundesregierung 80 % Anteil der Erneuerbaren an der Stromerzeugung Vervielfachung der installierten Leistung erforderlich 5

6 Ausbau der Windenergie in Deutschland 6

7 Ausbau der Solarenergie in Deutschland 7

8 Die Herausforderung: Beispiel Windenergie 8

9 Die Herausforderung - Speicherbedarf MW : E wind = GWh ca Volllaststunden Pumpspeicherkapazität in Deutschland (incl. Vianden) 8 GW 45 GWh Windkraft in Deutschland 2007 Jan 07 Okt 07 12/06: P inst = MW 12/07: P inst = MW Ohne Speicherung müssten die Erneuerbaren immer häufiger gedrosselt werden. Mehr Erzeugung als Verbrauch ist nicht möglich! Jahresmittelwert: 4500 MW Windenergie allein kann praktisch kein einziges konventionelles thermisches Kraftwerk ersetzen (Reservebedarf bei Flauten). ca. 1 TWh Tag 9

10 Die Herausforderung: Energiespeicher zur Vergleichmäßigung des fluktuierenden Dargebots bei erneuerbaren Energien - Speicherbedarf Einsatzbereiche für Energiespeicher Speichertechnologien für stationäre und mobile Anwendungen Wasserstoff als Energiecarrier und Speicher Nutzung zur stationären Stromerzeugung und als Kraftstoff für Fahrzeuge mit Brennstoffzellen Demand Side Management mit Wärme-/Kältespeichern und Elektrofahrzeugen Technischer und wirtschaftlicher Vergleich anhand von Szenarien zentrale vs. dezentrale Speicher 10

11 Speicher in der Netzregelung Frequenzeinbruch durch Leistungsmangel z.b. Kraftwerksausfall Batteriespeicher Batteriespeicher Pumpspeicher Load Shift alle Speicher Quelle: Siemens 11

12 Speicher im Energiehandel eise eines zentralen Speichers im reinen Peak-Shaving Betrie SO MO DI MI Verschieben preisgünstiger Erzeugung off-peak in Tageszeiten mit hohem Verbrauch und hohen Strompreisen ( peak ) Refinanzierung über Preisdifferenzen (spread) zwischen Einlagerungspreis (Einspeichern) und Verkaufspreis (Ausspeichern) abzüglich der Wirkungsgradverluste und der Betriebskosten. Dauer der Nutzung: mehrere Stunden pro Tag ( Stundenspeicher ) Tageszeit Heute typische Aufgabe von Pumpspeichern. Laden Entladen EEX-Preis 12

14 Energiespeicherarten und Einsatz-Zeitbereiche reversible Speicher Kondensatoren (ms) Supercaps (s) SMES (s) Schwungmassenspeicher (s-min) Druckluftspeicher klein (s-min) Batterien (leistungs-/ energieoptimiert) (min-h) Pumpspeicher (h) Druckluftspeicher in Kavernen (h) Wasserstoffspeicher (Tage-Wochen) nicht reversible Speicher: alpine Wasserspeicher (Wochen-Monate) Wärme-/Kältespeicher (min-h) Primärenergiespeicher (Monate-Jahre) 14

15 Zn Batterietechnologien - Zink-Brom + Anode Separator Cathode Zn ++ Br - Br - NaS / NaNiCl Redox-flow 2e - 2e - Br 2 Anolyte Catholyte Lithium-Ionen NiCd Bleisäure Quelle: Prof. Sauer, ISEA, RWTH Aachen 15

16 Pumpspeicher Kapazitätsbegrenzung durch Ober- oder Unterbecken Gesamtwirkungsgrade: 75 % - 80 % Anfahrzeiten (Beispiel Kraftwerk Goldisthal) Stillstand bis Volllast Turbine: 75 s Stillstand bis Volllast Pumpen: 185 s Verfügbare Gesamtleistung in Deutschland: ca. 7 GW (ohne Vianden) Gesamte Speicherkapazität in Deutschland: ca. 40 GWh (ohne Vianden) In Deutschland gibt es derzeit kaum konkrete Ausbaupläne (Geographie und Akzeptanz, touristische Nutzung von Stauseen) Oberbecken M/G Unterbecken Pumpe/Turbine Goldisthal 16

17 Druckluftspeicher (CAES) Huntdorf: 320 MW / 2 Stunden Wirkungsgrade: Huntdorf: 45 % McIntosh: 54 % adiabat: ca. 70 % Projekt ADELE (RWE / GE): 200 MW / 1GWh (Quelle: RWE) 17

18 Saisonspeicher Saison-Speicherkraftwerke (beispielhaft): Speicherkapazität Leistung Österreich 4,5 TWh 6 GW Norwegen 81,7 TWh 29 GW Schweden 33,8 TWh 16 GW Nutzbarkeit für Deutschland nur sehr eingeschränkt: Grande Dixence Lac de Dix (CH) Übertragungskapazität eines HGÜ-Seekabels: derzeit nur ca MW Kraftwerksleistung (Pumpen und Turbinen) müsste ausgebaut werden Probleme: i.d.r. unsymmetrische Beckengrößen Aufnahmevermögen des Ablaufgewässers begrenzt Leistung Aus Akzeptanzgründen kaum noch Potenzial für neue Speicher In Österreich und in der Schweiz werden derzeit bestehende Saisonspeicher (insbesondere mehrstufige Anlagen) um Pumpfunktion erweitert 18

20 Wasserstoff als Energy-Carrier und Speichermedium Kavernenspeicher 2.) station Brennstoffzelle H 2 Kompressor CO 2 1.) salt dome GuD-Kraftwerk Methan cavern storage derzeit noch Zumischung von Erdgas erforderlich Verkehr (Brennstoffzellen) Quelle: Daimler hohe spezifische Speicherkapazität kostengünstiges Speichervolumen aber: Wirkungsgrad (Strom-Strom) der gesamten Kette: zukünftig bestenfalls ca. 40 % (derzeit ca. 30 %) 20

21 kwh/m³ Vergleich der Speicherkapazitäten Volumetrische Speicherdichte kwh/m³ direkte Nutzung (hu) Annahmen: H2 Dp = 13 MPa ACAES Dp = 2 MPa Pump.Sp Dh = 300 m kwh/m³ Nutzung in einem GuD-Kraftwerk ,9 kwh/m³ 0,7 kwh/m³ H2 (hu) H2 (GuD) CAES Pump-Sp. Quelle: VDE-Studie 21

23 Lastmanagement und Tarifstruktur Bei heutiger Tarifstruktur sind nur ca. 21 % der Stromkosten tatsächlich beeinflussbar geringe Motivation für Lastmanagement Umsatzsteuer 14 % Stromsteuer 12 % Konzessionsabgabe 9 % KWK 1 % EEG 2 % Quelle: RWE Dezentrale el. Speicher für eigenerzeugten Strom erscheinen heute noch betriebswirtschaftlich sinnvoll zu sein (Argument grid parity ). keine nachhaltige Lösung Zusatznutzen für das Netz fraglich (wg. E-Mobility) Evt. Zusatznutzen für den Kunden (USV-Funktion) falls entsprechender Bedarf vorhanden 23

24 Wärmespeicher mit elektrischer Aufladung Management eines Erzeugungsüberangebots bei weiterem Ausbau der fluktuierenden erneuerbaren Energien: Speicherung mit dem Ziel einer späteren Wiederverstromung (teuer und verlustbehaftet) Abregelung der erneuerbaren Energien (mangelnde Akzeptanz) Erhöhung des Bedarfs durch zusätzliche Last Wärmespeicher sind aufgrund ihrer Trägheit ideale variable Lasten Einbindung der Wärmespeicher in das Lastmanagement Nachtspeicher werden Windspeicher (100 % Speicherwirkungsgrad) Hybridheizsysteme mit elektrischer Heizpatrone (im kleinen und großen Maßstab) 24

25 Wärmespeicher mit elektrischer Aufladung Vorhandenes Speicherpotenzial Wärmespeicher: 5 8 Millionen Speicher (Schätzungen von ZVEI und HEA) ca. 4 kw / Speicher Energieinhalt: ca. 32 kwh / Speicher GW installierte Speicherleistung GWh speicherbare Energie zum Vergleich: Pumpspeicher in Deutschland: 7 GW / 40 GWh Warmwasserspeicher: ca. 4,5 Millionen Speicher 110 Liter für 3 Personenhaushalt: ca. 3,6 kwh Anschlussleistung: ca. 3 kw ca. 13 GW installierte Leistung ca. 16 GWh speicherbare Energie riesiges Potenzial für das tägliche Lastmanagement 25

26 Einfluss von Elektro-Fahrzeugen (Plug-In Hybrid) Annahmen: Fahrstrecke pro Ladung: benötigte Batteriekapazität: Ladeleistung: 50 km 10 kwh 3 kw großes Leistungspotential (gleichzeitiges Laden von 25 Mio. Fahrzeugen entspricht der Leistungsspitze in Deutschland von etwa 75 GW) geringes Energiepotential (in 25 Mio. Fahrzeugen sind bei voller Batterie nur etwa 250 GWh gespeichert (entsprechend etwa 15 % des täglichen Strombedarfs in D) 26

28 Wirtschaftlichkeit von Speichern Einflussgrößen: Investitionskosten - energieabhängige Kosten (z.b. Errichtung von Speicherseen) - leistungsabhängige Kosten (z.b. Pumpturbine, Motor/Generator, Trafo ) Betriebskosten - Wartung und Instandhaltung - Verluste (Lade-/ Entladeverluste, Stand-by Verluste) - Betriebsstoffe (z.b. Kraftstoff bei diabaten CAES) Betriebsweise - Zyklenhäufigkeit und Zyklenzahl ( Zyklenlebensdauer) - Entladetiefe - Lebensdauer (Komponenten und Gesamtsystem) Ein Speicher muss sich durch die Strompreisdifferenz zwischen Einkauf (Laden) und Verkauf (Entladen) refinanzieren! Häufiger Energieumsatz verbessert prinzipiell die Wirtschaftlichkeit Wirtschaftlichkeitsvergleich nur anhand von Szenarien möglich! 28

29 Kostenvergleich für Speicher (Modell) Energie [kwh] Stromkosten [ ct/kwh] Kosten Umrichter [ /kw] Kosten pro installierte Kapazität [ /kwh] Wartung & Leistung [kw] Speicherkosten für Energiedurchsatz [ ct/kwh] Annuitätenmeth. Reparatur [%/Jahr] Kapitalkosten [%] Wirkungsgrad [%] Selbstentladung [%/d] Zyklen [#/Tag] maximale Entladetiefe (DOD) [%] Systemlebensdauer [Jahre] Zyklenlebensdauer bei DOD [#] Quelle: Prof. Sauer, ISEA, RWTH Aachen 29

30 Speicherkosten bei zentraler Stundenspeicherung 1 GW für 8 Stunden (8 GWh), 1 Zyklus pro Tag, Zugriffszeit < 15 min. > 10 Jahre heute heute > 10 Jahre abhängig vom Standort Reine Speicherkosten; die Kosten für den Einkauf der abzugebenden Energie sind jeweils noch zu addieren. Quelle: VDE-Studie 30

31 Speicherkosten bei Wochenspeicherung 500 MW für 200 Stunden (100 GWh), 2 Zyklen pro Monat > 10 Jahre heute > 10 Jahre heute abhängig vom Standort Reine Speicherkosten; die Kosten für den Einkauf der abzugebenden Energie sind jeweils noch zu addieren. Quelle: VDE-Studie 31

32 Kosten für Energie aus Speichern im NS-Netz 100 kw für 2,5 Stunden (250 kwh), 2 Zyklen pro Tag 5 bis 10 Jahre heute Reine Speicherkosten; die Kosten für den Einkauf der abzugebenden Energie sind jeweils noch zu addieren. Quelle: VDE-Studie 32

33 Zusammenfassung: Speicherkosten und Effizienz Speicherung elektrischer Energie ist mit signifikanten Kosten verbunden. Mittelfristig ist günstigstenfalls von folgenden Kosten auszugehen: - 3 ct/kwh bei Stundenspeicherung (Pumpspeicher) - 10 ct/kwh bei Langzeitspeicherung ( Wochenspeicherung ) (reine Speicherkosten inkl. Kompensation der Verluste, ohne Kosten für Energieeinkauf) Dezentrale Speicherung in Batterien ist heute noch wesentlich teurer als zentrale Speicherung im Übertragungsnetz. Deutliche Kostensenkungspotenziale sind bei Massenfertigung jedoch möglich. Die Effizienz der unterschiedlichen Speicher liegt im Bereich von 40 % bei Wasserstoffsystemen und > 90 % bei Lithium-Ionen-Batterien. 33

34 Zusammenfassung Ein intelligentes Last- und Speichermanagement mit Wärme-/ Kältespeichern und Elektrofahrzeugen könnte alle Aufgaben für das Netz im Zeitbereich von Sekunden bis zu einigen Stunden übernehmen. Ein Anreiz hierfür ist nur mit einer anderen Tarifstruktur zu erreichen. Für die Abdeckung mehrtägiger Windflauten sowie zum Ausgleich saisonaler Schwankungen von erneuerbaren Energien sind die mobilen und die meisten Groß- und Batteriespeichertechnologien nicht ausreichend. Hierzu sind große stationäre Speicher (Wochen-/ Monatsspeicher) erforderlich. Mögliche Optionen: großen Speicherseen in alpinen Regionen (Umbau zu Pumpspeichern) und Wasserstoff, gespeichert in unterirdischen Salzkavernen oder weitere Aufarbeitung zu Methan Ein Netzausbau stellt i.d.r. die kostengünstigste Alternative dar! (Dies gilt auch für große Übertragungsentfernungen zur Erschließung von Regionen mit unterschiedlicher Last- und Erzeugungsstruktur.) 34

35 Der beste Speicher ist der nicht benötigte Speicher! Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Haben Sie noch Fragen? 35