Energiespeicher und -systeme für die Energiewende

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1 Energiespeicher und -systeme für die Energiewende Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher, Hochschule Regensburg Niedersächsisches Forum für Energiespeicher und -systeme Landesinitiative Energiespeicher Hannover

2 Inhalt 1) Energiesysteme Vernetzung ist angesagt 2) Speicherbedarf Jetzt oder doch erst später? 3) Batteriespeicher Eine (Ab)lösung für starre Kraftwerke 4) Druckluft Von Huntorf in die USA 5) Pump / Lagespeicher Auf und ab egal wo und was 6) Power-to-Gas Der größte Speicher angezapft 7) Power-to-Heat Wärmespeicher effizient und günstig 8) Zusammenfassung Niedersachsen ist gut aufgestellt

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4 Quelle: Sterner, 2012 Handlungsfeld Strom: Wind und PV leitende Größen Anteil EE 20% 35% 50% 65% 80% Netze Netze umbauen, Netze ausbauen, Energienetze koppeln Erzeugung Kraftwerke flexibilisieren Verbrauch Nachfrage flexibilisieren, Lastmanagement ausbauen Speicher Power-to-Heat für Überschüsse einsetzen Pumpspeicher Power-to-Gas Forschung, Entwicklung, Demoanlagen, Monitoring der Energiewende

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6 Inhalt 1) Energiesysteme Vernetzung ist angesagt 2) Speicherbedarf Jetzt oder doch erst später? 3) Batteriespeicher Eine (Ab)lösung für starre Kraftwerke 4) Druckluft Von Huntorf in die USA 5) Pump / Lagespeicher Auf und ab egal wo und was 6) Power-to-Gas Der größte Speicher angezapft 7) Power-to-Heat Wärmespeicher effizient und günstig 8) Zusammenfassung Niedersachsen ist gut aufgestellt

7 Quelle: VDE ETG, 2012 VDE ETG Studie: Energiespeicher für die Energiewende (2012) Fragestellungen! Zukünftiger Ausgleich zwischen Verbrauch und volatiler EE-Erzeugung! Kurzzeitspeicher (< 24 h)! Langzeitspeicher (> 24 h)! Flexible Kraftwerke & KWK! Flexible EE-Erzeugung (Abregeln, Biogas)! Auswirkungen auf den Netzausbau

8 Quelle: VDE ETG, 2012 Annahmen in der Studie Speicherart Stromspeicherwirkungsgr. Speicherklasse Pumpspeicher % Bleibatterien % Li-Ion-Batterien % Adiabate Druckluft % Lastmanagement (Power-to-Heat) 90% Power-to-Gas % Kurzzeitspeicher: - Speichervol. 5 Wh/W - Wirkungsgrad 80 % Langzeitspeicher: - Speichervol. Wh/W - Wirkungsgrad 40 % 1 Deutscher Durschnitt

9 40% EE Speichernutzung Auslastung h Zyklen 150 Kurzzeitspeicher Kurzzeitspeicher - Zyklen Entladen Laden Langzeitspeicher Langzeitspeicher - Zyklen Entladen Laden EE-Abregelung ohne Speicher: 0,11% mit Speicher: 0,01% Quelle: VDE ETG, 2012 Auslastung h Zyklen 1

10 Speicher werden bis zu einem EE-Anteil von ca. 40% nur in geringem Umfang zur Einspeicherung von EE-Strom benötigt.! Bei EE-Anteil von 40% nur wenige Stunden mit Erzeugungsüberschuss; Ausgleich durch flexible Kraftwerke & homöopathischer EE-Abregelung! Speicher dienen dann überwiegend der Einsatzoptimierung der Kraftwerke (klassische Speicherfunktion). 10 TWh !2!4 nicht1abgeregelte1ee Biomasse1KWK KWK Erdgas,1Erdöl Steinkohle Braunkohle!6 B C D E Verschiebung der Stromerzeugung in Folge verschiedener Speicherzubauvarianten (Varianten B bis E) bei einem EE-Anteil von 40% Quelle: VDE ETG, 2012

11 Quelle: Ahmels, 2011, NEP 2012, Stand 08/12, eigene Ergänzungen Netzausbau vs. Preiszonen und Speicher - was lokal hergestellt und verbraucht wird, muss nicht transportiert werden Windenergie Photovoltaik- / Bioenergieanlagen Ballungszentrum Engpass Übertragungsnetz 2800 km (ca. 7% dazu), umgesetzt ca. 214 km Verteilnetz PV: NetzUMbau; Wind: Netzplanung

12 Inhalt 1) Energiesysteme Vernetzung ist angesagt 2) Speicherbedarf Jetzt oder doch erst später? 3) Batteriespeicher Eine (Ab)lösung für starre Kraftwerke 4) Druckluft Von Huntorf in die USA 5) Pump / Lagespeicher Auf und ab egal wo und was 6) Power-to-Gas Der größte Speicher angezapft 7) Power-to-Heat Wärmespeicher effizient und günstig 8) Zusammenfassung Niedersachsen ist gut aufgestellt

13 E-mobilität wichtig für Mobilität, weniger als Speicher Hausspeicher für PV nicht sinnvoll Systemspeicher für Netzstabilität sinnvoll Glättung Solar = = = 3~ Gri d Battery Controller DC-DC Controller Inverter Controller Quelle: A123, Younicos

14 Bereits heute Batterien in Primärregelung (Younicos, Berlin) Ersatz konventioneller Kraftwerke (must run) möglich Expected Results: Quelle: Younicos, 2012

15 Inhalt 1) Energiesysteme Vernetzung ist angesagt 2) Speicherbedarf Jetzt oder doch erst später? 3) Batteriespeicher Eine (Ab)lösung für starre Kraftwerke 4) Druckluft Von Huntorf in die USA 5) Pump / Lagespeicher Auf und ab egal wo und was 6) Power-to-Gas Der größte Speicher angezapft 7) Power-to-Heat Wärmespeicher effizient und günstig 8) Zusammenfassung Niedersachsen ist gut aufgestellt

16 1978 Druckluftspeicher Huntorf: braucht fossile Energie Quelle: E-ON

17 Quelle: SustainX, USA Isotherme)Drucklu/) )Innova4on)aus)USA) Flexible Standortwahl, skalierbar Keine Emissionen: isothermisch, kein Kraftstoffverbrauch Einfache Technologie MAN Motor, Normale Gasrohre MW Prototyp (2013)

18 Inhalt 1) Energiesysteme Vernetzung ist angesagt 2) Speicherbedarf Jetzt oder doch erst später? 3) Batteriespeicher Eine (Ab)lösung für starre Kraftwerke 4) Druckluft Von Huntorf in die USA 5) Pump / Lagespeicher Auf und ab egal wo und was 6) Power-to-Gas Der größte Speicher angezapft 7) Power-to-Heat Wärmespeicher effizient und günstig 8) Zusammenfassung Niedersachsen ist gut aufgestellt

19 PSW-Projekt Atdorf (Südschwarzwald) " Standortbezogen - Tagesspeicher Quelle: Schluchseewerke, 2011

20 Grundprinzip des Lageenergiespeichers Stromnetz r 2r E~r 4 Verbindung Pumpe und Turbine Wasservolumen h max =r o Bei niedrigen Strompreis: Wasser wird unter eine Felsmasse gepumpt o Die hydraulischen Kräfte heben die Felsmasse o Bei hohem Strompreis: Stromerzeugung mit Turbine + Generator Quelle: Heindl, 2012

21 Quelle: Schulz, 2012 Nutzung von Kohlegruben / Bergwerken / Staustufen als Pumpspeicher Neues Oberbecken 12 m 28 m Fahrweg 120 m 220 MW über 8 Stunden 11 m Tosbecken/ Prallbecken Ausgebauter Nord-Ostsee-Kanal

22 STENSEA Stored Energy in Sea (Hochtief, Fraunhofer IWES) Kugelpumpspeicher unter Wasser Quelle: Hochtief, 2012

23 Inhalt 1) Energiesysteme Vernetzung ist angesagt 2) Speicherbedarf Jetzt oder doch erst später? 3) Batteriespeicher Eine (Ab)lösung für starre Kraftwerke 4) Druckluft Von Huntorf in die USA 5) Pump / Lagespeicher Auf und ab egal wo und was 6) Power-to-Gas Der größte Speicher angezapft 7) Power-to-Heat Wärmespeicher effizient und günstig 8) Zusammenfassung Niedersachsen ist gut aufgestellt

24 Quelle: Sterner, 2009 Wie speichert die Natur Energie über lange Zeiträume? IWES, 2010 Chem. Energie (fossil, bio) Effizienz: ca. 1% Energiespeicherung Kernprozess: 1) Spalten von Wasser 2) H 2 reagiert mit CO 2

25 Erneuerbares Gas Power-to-Gas Energiespeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz " Kommunale Energieversorgung / Windgas statt Windstrom Quelle: Quelle: Sterner, Sterner, Specht Specht et al, 2010 et al, 2010 Sterner, M. (2009): Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable energy systems. Limiting global warming by transforming energy systems. Kassel University, Dissertation.

26 Quelle und : Greenpeace Energy, 2012 Windgas bei Greenpeace Energy Power-to-Gas bei E-ON Ruhrgas Über 6000 neue Gaskunden Direktvermarktung des Gases Pipelineanbindung Niederspannungsversorgung Automation Stromübergabe Messtechnik Elektrolysen

27 Hybridkraftwerk Prenzlau Quelle: Enertrag, 2012

28 Quelle: Audi 2012 Audi e-gas Projekt in Werlte / Emsland Richtfest am WKA à 3.6 MW el Elektromobilität

29 Gestehungskosten für EE-Gas Ergebnisse DVGW Projekt Energiespeicherkonzepte Quelle: Köppel, DVGW 2012

30 Inhalt 1) Energiesysteme Vernetzung ist angesagt 2) Speicherbedarf Jetzt oder doch erst später? 3) Batteriespeicher Eine (Ab)lösung für starre Kraftwerke 4) Druckluft Von Huntorf in die USA 5) Pump / Lagespeicher Auf und ab egal wo und was 6) Power-to-Gas Der größte Speicher angezapft 7) Power-to-Heat Wärmespeicher effizient und günstig 8) Zusammenfassung Niedersachsen ist gut aufgestellt

31 Power-to-Heat Für Wind: günstigster Speicher heute & technisch einfach umsetzbar Problem: Rückverstromung & Mobilität " p2g

32 Inhalt 1) Energiesysteme Vernetzung ist angesagt 2) Speicherbedarf Jetzt oder doch erst später? 3) Batteriespeicher Eine (Ab)lösung für starre Kraftwerke 4) Druckluft Von Huntorf in die USA 5) Pump / Lagespeicher Auf und ab egal wo und was 6) Power-to-Gas Der größte Speicher angezapft 7) Power-to-Heat Wärmespeicher effizient und günstig 8) Zusammenfassung Niedersachsen ist gut aufgestellt

33 Quelle: IWES-Berechnungen für UBA Energieziel 100% Strom aus EE Speicherkapazitäten im Vergleich Speicher vs. Netze Sektorenübergreifende Betrachtung angebracht Kapazität und Leistung Pumpspeicher heute Pumpspeicher Norwegen (Theorie) 42 Mio. E-KFZ (Theorie) Kapazität und Leistung Gasspeicher heute

34 Stabile Energieversorgung durch Kopplung der Energienetze Zukunftsthemen Power-to-Gas / Power-to-Fuels / Power-to-Chemicals Quelle: Sterner, 2011

35 Niedersachsen ist gut aufgestellt Mobilität Batterien Druckluft Kavernen Power-to-Gas Power-to- Chemicals Viel frischer Wind und engagierte Leute

36 Kontakt Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner Hochschule Regensburg Fakultät Elektro- und Informationstechnik + 49 (0) hs-regensburg.de Vielen&Dank&