Potentialanalyse für Batteriespeicher

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1 Projektskizze Potentialanalyse für Batteriespeicher in der europäischen Metropolregion Nürnberg Projektkürzel: Themenfeld: Typ der Arbeit: Projektbearbeiter: Anschrift: Batteriespeicher Analyse der Möglichkeiten zur Verwendung von Batteriespeichern im Hinblick auf eine möglichst hohe dezentrale Versorgung in Wohngebäuden. Studienarbeit Patrick Dirr Rieterstraße 49, Nürnberg Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm Matrikelnummer: Studiengang: Prüfer: Korrekturleser: Maschinenbau (Vertiefungsrichtung: Energietechnik) Prof. Dr.-Ing. Matthias Popp Tobias Berg, Markus Kuczmann Datum: Sonntag, 29. April 2018 Unterschrift:

2 Inhaltsverzeichnis 1. Inhaltliche Kurzbeschreibung Ausführliche Projektbeschreibung Gesellschaftliche und politische Relevanz Problembeschreibung Stand der Forschung und eigene Vorarbeiten Zielsetzung und grundsätzliche Herangehensweise Forschungsfragen Arbeitsprogramm Beschreibung der Arbeitspakete Methodik und Einschätzung des wissenschaftlichen Risikos Zeitplan und Arbeitsteilung Verwertungskonzept Quellenangaben Lebenslauf... 8 II

3 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Zeitplan der Studienarbeit... 6 III

4 1. Inhaltliche Kurzbeschreibung Diese Arbeit befasst sich grundlegend mit der Speicherung elektrischer Energie mithilfe von elektrochemischen Speichern, sprich Batteriespeichern. Hierbei soll geklärt werden, welchen Beitrag diese Speichermethode zur Energiewende im Hinblick auf eine regenerative und dezentrale Energieversorgung leisten kann. Zunächst wird analysiert, inwieweit derzeit innerhalb der Europäischen Metropolregion Nürnberg (EMN) der Ausbau von Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) mit Batteriespeichern ist. Diese Untersuchung beschränkt sich im Rahmen der Studienarbeit auf Wohngebäude. Im Anschluss werden die derzeit üblichen elektrochemischen Speichertechnologien hinsichtlich ihrer Eigenschaften verglichen. Die passende Batterieart wird für alle weiteren Betrachtungen herangezogen. Des Weiteren wird untersucht, wie sich PV-Anlagen und Batteriespeicher bezüglich deren Verluste kombinieren lassen. Zuletzt wird noch betrachtet wie dieses System, basierend auf dem derzeit ausgebauten Stromnetz, netzdienlich betrieben werden kann. 2. Ausführliche Projektbeschreibung Im Rahmen des Faches Projekt Energietechnik an der Technischen Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm an der Fakultät Maschinenbau mit der Vertiefungsrichtung Energietechnik wird unter Leitung von Herrn Prof. Dr.-Ing. Matthias Popp von jedem Studierenden eine Studienarbeit zu dem übergeordneten Thema Reduzierung der CO2-Emissionen um 40% gegenüber 2017 in der Europäischen Metropolregion Nürnberg ausgearbeitet Gesellschaftliche und politische Relevanz Seit dem Abschluss des Kyoto-Protokolls und den damit verbindlichen Zielen für die Reduzierung des Ausstoßes von Treibhausgasen im Jahr 1997 sind bereits über zwei Jahrzehnte vergangen (Umweltbundesamt, 2013). Weiterhin wurde mit dem Übereinkommen von Paris auf der UN-Klimakonferenz im Jahr 2015 ein Ziel von einer maximalen Erderwärmung von 1,5 C gesetzt (Europäische Kommission, 2018). Diese internationalen Abkommen zeigen die Relevanz, wie die Menschheit zukünftig mit dem Thema Energie umgehen muss. Die Menge an regenerativ gewonnener Energie steigt jährlich nicht nur in Deutschland, welches sich zudem zu einem Ausstieg aus der Kernenergie verschrieben hat, 1

5 sondern auch International. Um jedoch weiterhin den Lebensstandard zu erhalten bzw. zu verbessern, ist es notwendig, weit mehr regenerative Energie nutzbar zu machen sowie diese speichern zu können. Ein weiterer Vorteil, wenn Länder ihre Energie selbst produzieren können, ist die Unabhängigkeit gegenüber wenigen anderen Ländern mit großen Vorkommen an fossilen Energieträgern. Dies erfordert jedoch enorme Summen in den Ausbau der Technologie sowie die Bereitschaft der Bevölkerung vor Ort, um beispielsweise Trassen oder Speicher zu bauen. Auch diesem Problem soll hier Rechnung getragen werden, indem der Ansatz der dezentralen Energieversorgung mit Speichern verfolgt wird Problembeschreibung Die große Schwierigkeit an der Nutzbarmachung regenerativer Energien aus Wind und Sonne sind im Vergleich zur Biomasse, dass sie fluktuierend auftreten und somit ein stabiler Netzbetrieb, wie bisher, wesentlich komplexer wird. Um diese Über- oder Unterkapazität ausgleichen zu können gibt es einige Ansätze. Einerseits könnten mithilfe eines Ausbaus des Übertragungsnetze Regionen verbunden werden, um die Überkapazität und Unterkapazität auszugleichen. Dies erfordert jedoch einen enormen Ausbau an Übertragungsnetzen, welche häufig nur schwer oder gar nicht von der Bevölkerung akzeptiert werden, wie am Ausbau zwischen dem windreichen Norden und dem energieintensiven Süden Deutschlands zu sehen ist. Andererseits können auch viele verschiedene Energiespeicher verwendet werden, um zu versuchen, die Überkapazität in eine Zeit zu verschieben in der zu wenig Strom generiert werden kann. Hierfür werden wesentlich weniger Übertragungsnetze benötigt. Dafür sind Speichertechnologien derzeit teilweise noch nicht serienreif, sehr teuer oder würden große Flächen einnehmen. Zudem muss bei Energiespeicherung unterteilt werden, ob es sich um Kurz- oder Langzeitspeicher handelt. Weiterhin muss beachtet werden, dass bei einem Ausbau an regenerativer Energie immer mehr konventionelle Kraftwerke überflüssig werden und diese mit ihren großen Schwungmassen auch zur Netzstabilisation beitragen. Anhand dieses Auszuges an Problemen bei der regenerativen Energieversorgung wird schnell klar, dass weder eine einzige Technologie der Erzeugung, noch eine einzige Technologie der Speicherung ausreichend sein wird. Letztlich wird ein Technologiemix bei der Energieerzeugung und Energiespeicherung notwendig sein um den derzeitigen Energieverbrauch weiterhin gewährleisten zu können. 2

6 2.3. Stand der Forschung und eigene Vorarbeiten Derzeit wird an vielen verschiedenen Arten von elektrochemischen Speichern geforscht. Hierbei geht es unter anderem um die Leistungsdichte, da vor allem bei Batterien im Mobilitätssektor möglichst viel Gewicht eingespart werden soll. Die hier anfallenden Batterien werden häufig unter dem Begriff Second Life für einen sinnvollen Einsatz im Hausgebrauch weiter betrachtet. Hier steht jedoch die Verfügbarkeit der Ressource Lithium im Vordergrund, welche begrenzt ist und sich somit die Frage stellt, ob Lithium-Ionen-Akkumulatoren eher recycelt werden sollten, um diese dem Mobilitätssektor wieder zur Verfügung stellen zu können. Weiterhin wird der Leistungsgradient zukünftig eine größere Rolle spielen, wenn Batterien netzdienlich betrieben werden sollen und somit kurze Reaktionszeiten aufweisen müssen. Unter dem Leistungsgradienten wird die leistungsbezogene Ein- und Ausspeichergeschwindigkeit verstanden. Für die Einschätzung der aktuellen Entwicklung werden die einzelnen elektrochemischen Speicher mithilfe des Technologie-Reifegrades nach Sterner eingeordnet und bewertet (Sterner & Stadler, 2017, S. 654). Weiterhin wird mit einem Datensatz aus einem aktuellen Forschungsprojekt der Technischen Hochschule Nürnberg das reale Betriebsverhalten von Batterien analysiert Zielsetzung und grundsätzliche Herangehensweise Das Ziel der Arbeit soll eine geeignete Auswahl zur Verwendung von Batteriespeichern in Wohngebäuden mit Photovoltaikanlagen bringen. Zunächst wird analysiert wie der Ausbau der Photovoltaikanlagen innerhalb des Betrachtungsgebietes ist und wenn möglich die Anzahl der derzeitigen Batteriespeicher zu ermitteln. Danach werden die üblichen Arten von elektrochemischen Speichern hinsichtlich ihrer Eigenschaften wie Zyklenzahl, Wirkungsgrad und Leistungsgradient verglichen. Für die Analyse des Wirkungsgrades und der Wirtschaftlichkeit werden Daten von Herrn Prof. Dr.-Ing. Günter Kießling aus einem aktuellen Förderprojekt durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie zu einem Energiespeicherhaus herangezogen und ausgewertet. Zuletzt wird prognostiziert, wie Batteriespeicher innerhalb des Stromnetzes netzdienlich verwendet werden könnten und was hierzu notwendig ist. Als Beispiel wäre hier die Bereitstellung von Regelenergie eine Option. 3

7 3. Forschungsfragen 1. Wie ist der aktuelle Stand der Batteriespeicher in der Metropolregion Nürnberg und kann dieser noch weiter ausgebaut werden? 2. Welche Batteriespeicherart ist für eine möglichst autarke Energieversorgung hinsichtlich Wirkungsgrad und Wirtschaftlichkeit in Wohngebäuden am sinnvollsten? 3. Mit welchen Verlusten können Batteriespeicher derzeit in Wohngebäuden, welche mit PV-Anlagen ausgestattet sind, betrieben werden? 4. Wie ist die Netzdienlichkeit von Batteriespeichern zukünftig prognostizierbar? 4. Arbeitsprogramm Im folgenden Abschnitt werden die einzelnen Arbeitspakete für die Bearbeitung der Forschungsfragen erklärt. Weiterhin wird auf die wissenschaftlichen Risiken eingegangen, welche im Vorfeld anhand einer ausführlichen Recherche abzuschätzen sind Beschreibung der Arbeitspakete Das erste Arbeitspaket wird aus der Recherche zu den Datensätzen bezüglich der derzeit ausgebauten PV-Anlagen sowie installieren Batteriespeichern bestehen. Hierzu werden unter anderem Datenbanken wie der Energieatlas Bayern herangezogen. Danach wird ein mögliches Ausbauszenario für 2030 angenommen, auf dem später die Netzdienlichkeit in Form von bereitstellbarer Regelleistung prognostiziert wird. Als nächstes werden die derzeit üblichen Technologien anhand ihrer Eigenschaften verglichen und eine davon näher betrachtet. Am Ende soll eine Technologie weiter betrachtet werden. Für die Abschätzung eines realen Betriebes eines elektrochemischen Speichers in Verbindung mit einem Wechselrichter, welcher auch Verluste erzeugt, werden die Datensätze aus einem aktuellen Förderprojekt ausgewertet. Aus diesen Ergebnissen wird dann eine mögliche Regelleistung abgeschätzt, mit welcher der Batteriespeicher letztlich nicht nur für den Hausbesitzer verwendet werden können Methodik und Einschätzung des wissenschaftlichen Risikos Zur Beantwortung der ersten Forschungsfrage wird mithilfe von Datenbanken ein mögliches Potential für PV-Anlagen und elektrochemischen Speichern analysiert. Hierbei besteht das 4

8 Problem, dass Anlagen, die erneuerbare Energie einspeisen, bei der Bundesnetzagentur gemeldet werden müssen und Batteriespeicher lediglich dort gemeldet werden können wenn diese ausschließlich durch Strom aus Erneuerbaren-Energie-Anlagen gespeist werden (Bundesnetzagentur - Registrierung anderer EEG-Anlagen). Daher ist es fraglich, ob der aktuelle Bestand der Batterien auch der Realität entspricht und ein geeigneter Datensatz für eine weitere Analyse vorhanden sein wird. Weiterhin ist es nicht klar ob die Leistungsgradienten für einzelne Batteriespeicher zu ermitteln sind, da in gängiger Literatur hauptsächlich die Werte von konventionellen Kraftwerken gegeben sind. Um die vierte Forschungsfrage zu beantworten, wäre es von Vorteil einen Datensatz der N-Ergie zum Projekt SWARM zu bekommen. Dies ist zu dem Zeitpunkt der Erstellung der Projektskizze noch nicht eindeutig geklärt. 5. Zeitplan und Arbeitsteilung Da mit dem 26. Juni 2018 die Abgabe der Studienarbeit sowie die öffentliche Präsentation ansteht, wird sich der folgende Zeitplan danach ausrichten. Die einzelnen Arbeitsschritte sowie der Meilenstein Abschlusspräsentation werden in Abbildung 1 dargestellt. Der Abstand der horizontalen Achsen beträgt eine Woche. 5

9 Abbildung 1: Zeitplan der Studienarbeit Projektdauer Themenfindung Recherche Erstellung der Projektskizze Datenbeschaffung Datenaufbereitung Erstellung des Kurzberichtes Erstellung des Abschlussberichtes Erstellung der Präsentation Abschlusspräsentation Quelle: Eigene Abbildung basierend auf Annahmen 6. Verwertungskonzept Letztlich soll im Rahmen der Bearbeitung eine Abschätzung abgegeben werden, inwieweit der Ausbau von PV-Anlagen und Batteriespeichern bis zum Jahr 2030 möglich wäre um die Energie möglichst vor Ort verbrauchen zu können. Weiterhin sollen die verschiedenen Technologien anhand der Verwendung zur Energiespeicherung in Wohngebäuden verglichen werden. Anhand der Auswertung des Verhaltens einer Batterie soll letztlich noch eine mögliche Netzdienlichkeit in Form der Bereitstellung von Regelleistung durch Batteriespeicher prognostiziert werden. Die Ergebnisse der Studienarbeit werden zusammen mit allen anderen Studienarbeiten im Rahmen einer öffentlichen Konferenz bei der N-Ergie in Nürnberg öffentlich präsentiert. 6

10 7. Quellenangaben Bundesnetzagentur - Registrierung anderer EEG-Anlagen. Zugriff am Verfügbar unter Institutionen/DatenaustauschundMonitoring/MaStR/RegistrEEGAnlagen/RegistrEEGAnlag en_node.html Europäische Kommission. (2018). Pariser Übereinkommen - Klimapolitik - European Commission. Zugriff am Verfügbar unter Sterner, M. & Stadler, I. (Hrsg.). (2017). Energiespeicher - Bedarf, Technologien, Integration (2. korrigierte und ergänzte Auflage). Berlin: Springer Vieweg. Verfügbar unter Umweltbundesamt. Kyoto-Protokoll. Zugriff am Verfügbar unter 7

11 8. Lebenslauf PERSÖNLICHES Name: Geburtsdaten: Staatsangehörigkeit: Patrick Dirr 17. Februar 1993 in Eichstätt deutsch STUDIUM 10/2015 heute Bachelorstudiengang Maschinenbau (Bachelor of Engineering, B. Eng.) an der Technischen Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm mit der Vertiefungsrichtung Energietechnik AUSBILDUNG 10/ /2015 Weiterbildung zum staatlich geprüften Maschinenbautechniker an der Technikerschule in Ingolstadt 09/ /2012 Ausbildung zum Metallbauer bei Erhard Brandl GmbH & Co.KG in Eitensheim PRAXISERFAHRUNG Abschluss: Metallbauer Fachrichtung Konstruktionstechnik 02/2018 heute Studentischer Mitarbeiter am Institut für Energie und Gebäude (ieg) Optimierung von industrieller Energieversorgung Messtechnische Versuchsdurchführungen Energiemanagement 10/ /2018 Tutor bei Technischer Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm Unterrichtung von Studierenden im Fach Technische Thermodynamik Unterrichtung von Studierenden im Fach Festigkeitslehre 04/ /2017 Praktikant bei Audi AG in Ingolstadt im Energie- und Gebäudemanagement Energie- und CO2 Einsparung Berechnung zur Energie- und Medienversorgung ZUSATZQUALIFIKATIONEN Softwarekenntnisse Sprachkenntnisse Catia V5 sehr gute Kenntnisse MS Office sehr gute Kenntnisse Excel VBA gute Kenntnisse Englisch fließend in Wort und Schrift Nürnberg, der 29. April 2018 Patrick Dirr 8