Speicher die Achillesferse der Energiewende: Potenziale, Technologien und Lösungsansätze

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1 Speicher die Achillesferse der Energiewende: Potenziale, Technologien und Lösungsansätze Univ.-Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) und Institute for Power Generation and Storage Systems E.ON ERC RWTH Aachen University Contact: batteries@isea.rwth-aachen.de Jägerstrasse (ISEA) Mathieustrasse (E.ON ERC) Hüttenstrasse (Test center)

2 Wofür werden Speicher in Systemen mit fluktuierenden Stromerzeugern gebraucht? Lastverlauf und Windleistung im Vattenfall Hochspannungsnetz ( ) Leistung [MW] Load consumption Lastverlauf Wind power generation Windleistung Windleistung power (Prognose) prognosis Source: IfR / TU Braunschweig 03/02 10/02 17/02 24/02 02/ IfR, TU Braunschweig

3 LeistungMW 5347MW Wofür werden Speicher in Systemen mit fluktuierenden Stromerzeugern gebraucht? Leistung Wind p Windleistu /02 02/03 IfR, TU Braunschweig

4 Wofür werden Speicher in Systemen mit fluktuierenden Stromerzeugern gebraucht? Lastverlauf und Windleistung im Vattenfall Hochspannungsnetz ( ) Leistung [MW] Load consumption Lastverlauf Wind power generation Windleistung Windleistung power (Prognose) prognosis ~540 GWh 0 Source: IfR / TU Braunschweig 03/02 10/02 17/02 24/02 02/ IfR, TU Braunschweig

5 Technologien für elektrische Energiespeicher Redox-Flow Batterien Wasserstoff Pumpspeicher Supraleitende Spulen Elektromobilität Eigenverbrauch in PV-Anlagen Schwungrad Doppelschichtkondensatoren Batterien - Blei, Lithium, NaNiCl,... Druckluft

6 Klassifizierung von Speichern für Strom und Wettbewerbstechnologien Strom zu Strom positive und negative Regelenergie Speicher nimmt Strom aus dem Netz auf und gibt Strom in das Netz ab Irgendwas zu Strom positive Regelenergie System generiert Strom aus einem speicherbaren Energieträger oder stellt dem Netz Strom durch Verzicht zur Verfügung Strom zu Irgendwas negative Regelenergie Strom wird verwendet und in einen anderen niederwertigeren Energieträger umgewandelt oder vernichtet

7 Klassifizierung von Speichern für Strom und Wettbewerbstechnologien Sekunden bis Minuten Kurzzeitspeicher Hohes Leistung zu Energieverhältnis Energiebereitstellung bei Volllast für weniger als 15 min Hohe Zyklenzahlen Tagesspeicher mittelfristige Energiespeicher Energiebereitstellung im Bereich von einer bis zehn Stunden Typischerweise geeignet nur für den Ausgleich innerhalb eines Tages Ein bis zwei Zyklen pro Tag Wochen bis Monate Langzeitspeicher Energiebereitstellung über viele Tage bis zu einem Monat Ausgleich z.b. für lang anhaltende Flautenphasen oder saisonale Schwankungen Wenige Zyklen pro Jahr

8 Klassifizierung von Speichern für Strom und Wettbewerbstechnologien Zentrale Speichersysteme Typischerweise nur als große Einheiten wirtschaftlich betreibbar Meist an spezielle Standorte (z.b. Pumpspeicher, Druckluft) gebunden Modulare Speichersysteme Speicher sind aus kleinen Einheiten aufgebaut Aufbau ist nicht an bestimmte Umgebungsvoraussetzungen gebunden Mit wachsender Größe kaum wirtschaftliche Skaleneffekte Modulare Speichersysteme mit Doppelnutzen Speicher erfüllen einen anderen Primärzweck Netzdienstleistung sind ein kostengünstig anbietbarer Zusatzverdienst

9 Virtuelle Großspeicher durch verteilte Speicher in Fahrzeugen (Plug-in Hybride) 10 kwh 10 kwh 10 kwh 10 kwh 10 kwh Hohes Potential mit bi-direktionalen Ladegeräten bei intelligenter Steuerung Besonders geeignet für schnelle Regelung über kurze Zeiten = = = = = Kapazität: 10 Mill. Fahrzeuge 20 GW, 30 GWh (Annahme: 2/3 zeitliche Verfügbarkeit, 3 kw Anschlussleistung, 20% Kapazitätsnutzung von 15 jwh) ~ ~ ~ ~ ~ 5 kw 5 kw 5 kw 5 kw 3 kw 400 V 400 V 400 V 400 V 400 V 10 kv / 20kV Nutzungsdauer < 4 Stunden / Tag Pro Fahrzeug: 20 h/tag verfügbar 10 kwh Speicher 3 kw Leistung

10 Speicher in netzgekoppelten PV-Anlagen Persönliche Optimierung des Strombezugs Einsatz von Speichern zur Optimierung des Eigenbedarfs Persönlicher Nutzen Strombezugspreis für Endkunden: ct/kwh Stromgestehungskosten neue PV-Anlagen: 17 ct/kwh Stromgestehungskosten nach 20 Jahren EEG-Förderung: nahe 0 ct/kwh Doppelnutzen für zusätzliche Netzdienstleistungen auf jeden Fall im Kurzzeitspeicherbereich möglich Wirtschaftlich für den Betreiber sicher attraktiv Start Marktanreizprogramm der Bundesregierung im Frühjahr 2013 geplant Bild: Wiikmedia Commons

11 Speicherklassifizierung Strom zu Strom "Electricity to Electricity" storage systems only "seconds to minutes" storage systems "daily" storage systems "weekly to monthly" storage systems E2P ratio < 0.25 h 1-10 h h typical power modular storage systems with double use 1 kw - 1 MW - electric and plug-in hybrid vehicles with bi-directional charger - grid-connected PV-battery systens (e.g. lead-acid, lithium-ion, NaS, redox-flow, zinc-bromine batteries) - electric and plug-in hybrid vehicles with bidirectional charger - grid-connected PV-battery systens (e.g. lead-acid, lithium-ion, NaS, redox-flow, zinc-bromine batteries) modular storage technologies for grid control only 1 kw MW - flywheels - (lead-acid batteries) - lithium-ion batteries - NiCd / NiMH batteries - EDLC ("SuperCaps") - lead-acid batteries - lithium-ion batteries - NaS batteries - redox-flow batteries - zinc-bromine flow batt. - redox-flow batteries (?) centralised storage technologies 100 MW - 1 GW - pumped hydro - compressed air (diabatic or adiabatic) - hydrogen - pumped hydro

12 Speicherklassifizierung Strom zu Strom "Electricity to Electricity" storage systems only "seconds to minutes" storage systems "daily" storage systems "weekly to monthly" storage systems E2P ratio < 0.25 h 1-10 h h typical power modular storage systems with double use 1 kw - 1 MW - electric and plug-in hybrid vehicles with bi-directional charger - grid-connected PV-battery systens (e.g. lead-acid, lithium-ion, NaS, redox-flow, zinc-bromine batteries) - electric and plug-in hybrid vehicles with bidirectional charger - grid-connected PV-battery systens (e.g. lead-acid, lithium-ion, NaS, redox-flow, zinc-bromine batteries) modular storage technologies for grid control only 1 kw MW - flywheels - (lead-acid batteries) - lithium-ion batteries - NiCd / NiMH batteries - EDLC ("SuperCaps") - lead-acid batteries - lithium-ion batteries - NaS batteries - redox-flow batteries - zinc-bromine flow batt. - redox-flow batteries (?) centralised storage technologies 100 MW - 1 GW - pumped hydro - compressed air (diabatic or adiabatic) - hydrogen - pumped hydro

13 Speicherklassifizierung Strom zu Strom "Electricity to Electricity" storage systems only "seconds to minutes" storage systems "daily" storage systems "weekly to monthly" storage systems E2P ratio < 0.25 h 1-10 h h typical power modular storage systems with double use 1 kw - 1 MW - electric and plug-in hybrid vehicles with bi-directional charger - grid-connected PV-battery systens (e.g. lead-acid, lithium-ion, NaS, redox-flow, zinc-bromine batteries) - electric and plug-in hybrid vehicles with bidirectional charger - grid-connected PV-battery systens (e.g. lead-acid, lithium-ion, NaS, redox-flow, zinc-bromine batteries) modular storage technologies for grid control only 1 kw MW - flywheels - (lead-acid batteries) - lithium-ion batteries - NiCd / NiMH batteries - EDLC ("SuperCaps") - lead-acid batteries - lithium-ion batteries - NaS batteries - redox-flow batteries - zinc-bromine flow batt. - redox-flow batteries (?) centralised storage technologies 100 MW - 1 GW - (pumped hydro) - pumped hydro - compressed air (diabatic or adiabatic) - hydrogen - pumped hydro

18 Speicherklassifizierung Strom zu Strom "Electricity to Electricity" storage systems only "seconds to minutes" storage systems "daily" storage systems "weekly to monthly" storage systems E2P ratio < 0.25 h 1-10 h h typical power modular storage systems with double use modular storage technologies for grid control only 1 kw - 1 MW 1 kw MW Direkter Wettbewerb - electric and plug-in hybrid vehicles with bi-directional charger - grid-connected PV-battery systens (e.g. lead-acid, lithium-ion, NaS, redox-flow, zinc-bromine batteries) - flywheels - (lead-acid batteries) - lithium-ion batteries - NiCd / NiMH batteries - EDLC ("SuperCaps") - electric and plug-in hybrid vehicles with bidirectional charger - grid-connected PV-battery systens (e.g. lead-acid, lithium-ion, NaS, redox-flow, zinc-bromine batteries) - lead-acid batteries - lithium-ion batteries - NaS batteries - redox-flow batteries - zinc-bromine flow batteries - redox-flow batteries (?) centralised storage technologies 100 MW - 1 GW - pumped hydro - compressed air (diabatic or adiabatic) - hydrogen - hydro storage

19 Vergleich von Alternativen Tages -Speicher "Daily" storage systems Electricity to Electricity storage systems only "Anything to electricity" positive control power "Electricity to Anything" negative control power modular storage systems with double use modular storage technologies for grid control only centralised storage technologies typical power 1 kw - 1 MW Direkter Wettbewerb 1 kw MW 100 MW - 1 GW - electric and plug-in hybrid vehicles with bidirectional charger - grid-connected PV-battery systems - lead-acid batteries - lithium-ion batteries - NaS batteries - redox-flow batteries - zinc-bromine flow batteries - pumped hydro - compressed air (diabatic or adiabatic) Direkter Wettbewerb - CHP units with thermal storage - Demand side manag. (DSM) of electrical loads (shut down) - Electric vehicles and PHEV (stop charging) - bio-gas power plants - gas power plants - coal power plants - hydro storage - solar thermal power plants with heat storage - electric domestic house heating or cooling incl. heat pumps - demand side management (household & industry) - cooling devices - electric vehicles & PHEV (uni-directional charger) - hydrogen for direct use (e.g. in the traffic secor) - methan or methanol made from CO2 and hydrogen - shut down of renewables (wind, PV) - hydrogen for direct use (e.g. in the traffic secor) - methan or methanol made from CO2 and hydrogen

20 Netzstruktur und begrenzte Übertragungsleistung Stromerzeugung Wind Photovoltaik 220 / 380 kv 110 kv 10/20 kv 400 V ~ 1 kw pro Haushalt ~ 4 6 kw pro Haushalt Speichertechnologien Pumpspeicher Druckluft Wasserstoff DSM (demand side management) power to H 2 / CH 4 DSM (demand side management) Batterien power to H 2 / CH 4 DSM (demand side management) Elektrofahrzeuge Batterien

21 Vernetzung verschiedenen Energiesektoren kann Speichernutzung optimieren Strom Mobilität Wärme Gas

22 Power to gas Saubere Differenzierung notwendig power to gas Elektrische Energie wird in Wasserstoff umgewandelt (oder Methan oder Methanol oder Cabazol oder ) zur Nutzung ausserhalb des Stromsektors (z.b. Mobilität, Wärme, chemische Industrie). Gasspeichersystem (analog zu z.b. Druckluftspeichersystem) Elektrische Energie wird in Wasserstoff umgewandelt, der Wasserstoff wird gespeichert (z.b. in Salzkavernen) und wird wieder in elektrische Energie zurückgewandelt. Wirtschaftlichkeit hängt entscheidend von denstromkosten ab.

23 Funktionen und Aufbau power to gas Liefert Negative Regelleistung Komponenten: Elektrolyser, ggf. H 2 CH 4 Reaktor, Gaspipelines und Gasspeicher Bringt CO 2 -freie Energie in die nicht-elektrischen Energiesektoren (heute etwa 2/3 des Endenergiebedarfs) Gasspeichersystem Liefert positive und negative Regelleistung Komponenten: Elektrolyser, Gasspeicher, Brennstoffzelle oder Gasturbine Anwendung: gesicherte Leistung durch Langzeitspeicher

24 Vernetzung verschiedenen Energiesektoren kann Speichernutzung optimieren 85% 100% - 350% 93% Strom Mobilität 60% 60% - 75% Wärme Gas 25% - 50% 100% Umwandlungswirkungsgrade

25 Vernetzung verschiedenen Energiesektoren kann Speichernutzung optimieren Strom hoch Mobilität hoch gering Wärme gering Gas Speicherkosten

26 Vernetzung verschiedenen Energiesektoren kann Speichernutzung optimieren Strom mittel Mobilität hoch Wärme gering / mittel Gas Transportkosten

27 Beispielhafte Konversions-, Speicher- und Transportpfade bis Endenergienutzung Strom aus Windkraft Batterieelektrisches Fahrzeug Strom Fern-Transport Strom zu Antrieb 93% x 80% = 74,4% Strom aus Windkraft Fahrzeug mit ICE (CH 4 ) Power 2 Gas (Methan) Gas Fern Transport Gas 2 Mobility 65% x 90% x 30% = 17,6% Strom aus Windkraft Wärmeenergie aus saisonalem Wärmespeicher Strom Fern-Transport Power 2 Heat (Wärmepumpe) LangzeitWärmespeicher Wärme Nah-Transport 93% x 300% x 75% x 90% = 188% Strom aus PV Anlage Wärmeenergie durch Gasbrenner nach Gasspeicherung Strom Nah-Transport Power 2 Gas (Methan) Langzeitgasspeicher Gas 2 Heat 98% x 65% x 90% x 95% = 54,6% Alle Beispiele sind exemplarisch, Wirkungsgrade variieren je nach eingesetzter Technik Vollständige Betrachtung muss Kosten und Technologieakzeptanz berücksichtigen

28 Strom zu Wärme ein Tabu? Fallende PV-Strompreise werden zu einer verstärkten Wärmeerzeugung aus Strom führen. Voraussetzung: Wärmepumpensysteme Rechenbeispiel Strom aus Hausdach PV-Anlage (< 10 kw): 17,0 ct/kwh (ab ) Wärmeerzeugung mit Wärmepumpe (Faktor 3,5): 1 kwh el 3,5 kwh thermisch Wärmekosten (nur Energie, keine Investkosten): 4,9 ct/kwh Wärme aus Erdgas: 5 7 ct/kwh Tendenz: PV-Strompreis, Erdgaspreis (langfristig) Speicherung von Niedertemperaturwärme sehr viel günstig als eine Batterie Hohe Attraktivität für Wärmeerzeugung über PV-Anlage selbst mit Saisonalem Speicher

29 Gibt es Wettbewerb Speicher gegen Netze? Generell Netze ermöglichen eine Verschiebung von Energie im Raum. Speichersysteme ermöglichen eine Verschiebung von Energie in der Zeit. Übertragungsnetz Kein Speichersystem ist günstig genug um der Ausbau des Übertragungsnetzes zu ersetzen, wenn irgendwo im Raum ein Abnehmer für die elektrische Energie gefunden werden kann. Verteilnetz Ergebnisse sind nicht so eindeutig, da die spezifischen Kosten des Verteilnetzes drei bis fünfmal höher als im Übertragungsnetz sind. Einzelfallabwägung ist notwendig.

30 Speicherbedarf für Deutschland bei 100% erneuerbare 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

31 Beispiel für Größe von Batteriespeichern 20 Fuss-Container mit 1 MWh / 1 MW Angebot auf HannoverMesse 2012 für ca (inkl. Leistungselektronik, ohne MS-Anschluss) 600 solcher Container liefern die gesamte Primärregelenergie für Deutschland

32 Systemkosten günstigster Anbieter 600 /kw für 1 MWh / 1 MW 950 /kw mit 2 MWh / 1 MW 1300 /kw mit 3 MWh / 1 MW 1650 /kw mit 4 MWh / 1 MW Planungs- und Errichtungsdauer < 6 Monate Achtung: Lebensdauer der Batterie nicht von uns verifiziert! Preis anderer Anbieter liegt derzeit noch etwa doppelt so hoch

33 Abschätzung von Systemkosten in der Zukunft MWh-Speicherkapazität: 200 T T (Lebensdauer heute wahrscheinlich bis 10 Jahre, 20 Jahre lassen sich wahrscheinlich erreichen) MW Leistungselektronik: 100 T Systemintegration: 100 T (geschätzt) Kostenziel ca. 450 T für 1 MWh / 1 MW ca. 450 /kw mit 1 kwh ca. 750 /kw mit 2 kwh ca /kw mit 3 kwh ca /kw mit 4 kwh Planungs- und Errichtungsdauer < 6 Monate

34 Beispiel für Größe von Batteriespeichern Modernste Klasse von Containerschiffen haben Platz für rund Container (Grundfläche rund 400 m x 56 m)

35 Beispiel für Größe von Batteriespeichern Modernste Klasse von Containerschiffen haben Platz für rund Container (Grundfläche rund 400 m x 56 m) Gefüllt mit Batteriecontainern entspricht dies einer Kapazität von 15 GWh / 15 GW (alle deutschen PSK haben zusammen 40 GWh / 6 GW) Energie

36 Beispiel für Größe von Batteriespeichern Modernste Klasse von Containerschiffen haben Platz für rund Container (Grundfläche rund 400 m x 56 m) Gefüllt mit Batteriecontainern entspricht dies einer Kapazität von 15 GWh / 15 GW (alle deutschen PSK haben zusammen 40 GWh / 6 GW) Leistung

37 Beispiel für Größe von Wasserstoffspeichern Heute vorhandene Kavernenspeicherkapazität in Deutschland für Erdgas: ca. 20 Mrd. m 3 Mit Wasserstoff gefüllt kann daraus 3 Wochen Strom für Deutschland produziert werden (Rückverstromung mit 60% Wirkungsgrad über GuD-Kraftwerke oder Brennstoffzellen)

38 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).

39 Speicher die Achillesferse der Energiewende: Potenziale, Technologien und Lösungsansätze Univ.-Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) und Institute for Power Generation and Storage Systems E.ON ERC RWTH Aachen University Contact: batteries@isea.rwth-aachen.de Jägerstrasse (ISEA) Mathieustrasse (E.ON ERC) Hüttenstrasse (Test center)