Grundlagen Speichersysteme zur elektrischen Energieversorgung

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Alma Hofmann
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1 Grundlagen Speichersysteme zur elektrischen Energieversorgung Thomas Sandner Öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger der Handwerkskammer Münster für das Handwerk Elektrotechniker Schwerpunkt: Photovoltaikanlagen

2 Inhalt 1. Aufbau, Funktionsweise und Kenngrößen kommerzieller Speichersysteme 2. Systemvarianten mit Speichern zur Eigenversorgung 3. Vorschriften und Sicherheitsanforderungen 4. Auswahl Standort 5. Energiemanagementsysteme 6. Preisentwicklung bei Speichersystemen 7. Ausblick

3 Alles ist relativ auch der Wirkungsgrad! Kraftwerke mit fossilen Energieträgern ca % Millionen von Jahren? % Auf Bezugsgröße Solarstrahlung

4 Alles ist relativ auch der Wirkungsgrad! Photovoltaik Sekundenbruchteile

5 Strategien zur Energieumwandlung Fossile Energieträger Fossile Energieträger Elektrizität Sonnenlicht Elektrizität CO 2 Sugar O 2 e H 2 e H O 2 O 2 Photosynthese sc H O 2 M Wasserstofftechnik/ Brennstoffzellen sc M Photovoltaik

6 Smart Grid in der Zukunft

7 Technologien für Energiespeicher bei elektrischer Energie in Netzen

8 Netze und Speicher Elektrische Energie kann nicht gespeichert werden (Physik!) Netze ermöglichen eine Verschiebung von Leistung im Raum Speichersysteme ermöglichen eine Verschiebung von Energie in der Zeit Netze und Speicher ergänzen einander aber können sich nicht gegenseitig vollständig ersetzen! Flexibilitäten in der Energieversorgung Nur die Betrachtung der komplexen Zusammenhänge zwischen den Energiesektoren und Technologien erlaubt eine Ableitung des Systemausbaus (Netze, Speicher und Flexibilitätstechnologien).

9 Netze und Speicher Flexibilität im Netz bedeutet: Bereitstellung von negativer und/oder positiver Ausgleichsleistung Unterscheidung der Flexibilitätstechnologien nach Reaktionsgeschwindigkeit Energie-/Leistungsverhältnis ( max. Dauer der Bereitstellung) Kostenstruktur (beinhaltet u.a. Lebensdauer, Wirkungsgrad, O&M) Lokalisierung bzgl. Netzebenen Fähigkeit zur Bereitstellung von Netzserviceleistungen (Regelenergie, Blindleistung, etc. Speicher liefern positive und negative Ausgleichsleistung

10 Netze und Speicher

11 Klassifizierung von Speichersystemen 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

12 Speichersysteme im Netz Klassifizierung von Speicheranwendungen

13 Zentrale Frage bei Speichersystemen Wie viel Speicherkapazität wird benötigt? Welche Eigenschaften müssen die Speicher haben? Gibt es einen Wettbewerb zwischen Netzen und Speichern? Wo sollten die Speicher stehen? Gibt es ein Problem, die notwendige Speicherkapazität aufzustellen? Rechnet sich die Investition und welche Unterstützungsmaßnahmen für Speichertechnologien gibt es?

14 Zentrale Frage bei Speichersystemen Wie viel Speicherkapazität wird benötigt? Welche Eigenschaften müssen die Speicher haben? Gibt es einen Wettbewerb zwischen Netzen und Speichern? Wo sollten die Speicher stehen? Gibt es ein Problem, die notwendige Speicherkapazität aufzustellen? Rechnet sich die Investition und welche Unterstützungsmaßnahmen für Speichertechnologien gibt es?

22 Klassifizierung und Typen von Lithium- Ionen-Batterie-Systemen

23 Lithium-Ionen-Batterien

24 Installierte und nutzbare Kapazität

26 Batterietyp Batteriesysteme Blei-Säure (flüssiger oder gebundener Elektrolyt) Lithium-Ionen Natrium-Schwefel Redox-Flow Batteriespannung Niedervolt (typ. 24 oder 48 V) Hochvolt (> 100 V bis hin zu 400 V) Technische Ausführung DC-System DC-gekoppeltes System AC-basiertes System

27 Batteriesysteme Technische Ausführung Wechselrichter Einphasige Systeme (bis max. 4,6 kva Schieflast ) Symmetrische dreiphasige Systeme Unsymmetrische dreiphasige Systeme Netzparallel (Black-Out) Ersatzstromversorgung (Netzunabhängige Versorgung Netztrennung!) Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV-Funktion)

28 Eigenverbrauchssysteme Technische Ausführung AC-basiertes System DC-gekoppeltes System

29 Prinzip eines DC-gekoppelten Systems Batteriegestütztes System zur Erhöhung der Eigenversorgung mit DC-Laderegler/-Bus (Kompakt- bzw. Kombigerät, d.h. nur bei Neuanlagen einsetzbar)

30 Beispiel DC-gekoppeltes Systems

31 Beispiel DC-gekoppeltes Systems

32 Beispiel DC-gekoppeltes Systems Modular erweiterbar: PV + Speicher

33 Prinzip eines AC-gekoppelten Systems Batteriegestütztes System zur Erhöhung der Eigenversorgung mit AC-Bus (separate Geräte jederzeit erweiterbar)

34 Beispiel AC-gekoppeltes Systems

35 Beispiel AC-gekoppeltes Systems Batteriewechselrichter von SMA 3,7/5/6 kw einphasig 60 kw dreiphasig

36 Anforderungen Aufstellungsort - Installation

37 Anforderungen Aufstellungsort - Installation

38 Anforderungen Aufstellungsort - Installation

39 Anforderungen Aufstellungsort - Installation

40 Anforderungen Aufstellungsort - Installation

41 Anforderungen Aufstellungsort - Installation

42 Anforderungen Aufstellungsort - Installation

43 Kurzübersicht Sicherheitsleitfaden und AR

44 VDE-Anwendungsregel

45 Literatur Batteriesysteme HTW Speicherstudie (dezentrale Systeme) Solarspeicherstudie.pdf Sicherheitsleitfaden Li-Ionen Hausspeicher Ionen_Hausspeicher.pdf Leitfaden Eigenversorgung der Bundesnetzagentur Energie/Unternehmen_Institutionen/ErneuerbareEnergien/Eigenversorgung/Fi naler_leitfaden.pdf;jsessionid=6bc43f1ced6bcfef8139fdd55ab2dec6? bl ob=publicationfile&v=2

46 Zentrale Frage bei Speichersystemen Wie viel Speicherkapazität wird benötigt? Welche Eigenschaften müssen die Speicher haben? Gibt es einen Wettbewerb zwischen Netzen und Speichern? Wo sollten die Speicher stehen? Gibt es ein Problem, die notwendige Speicherkapazität aufzustellen? Rechnet sich die Investition und welche Unterstützungsmaßnahmen für Speichertechnologien gibt es?

47 Batteriegestützte Systeme mit EV im EEG Personenidentität Betreiber PV- und Batterie-Anlage

48 Preisentwicklung Blei/Li-Io Batterien

49 Preisentwicklung Lithium-Ionen Batterien Notes: This includes cells plus pack prices Source: Bloomberg New Energy Finance

50 Die Kosten müssen im System betrachtet und als solches bewertet werden!

51 PV-Systeme mit Batterie im Gewerbe Die wirtschaftliche Nutzung der Batterie-Speicherkapazität zur Erhöhung der Energieautarkie ist aktuell nicht gegeben. Die wirtschaftliche Nutzung der Batterie-Leistung zur Leistungsregulierung kann heute schon gegeben sein. Die optimale Auslegung eines Batteriespeichers hat entscheidenden Einfluss auf dessen Wirtschaftlichkeit. Eine weitere Kostendegression der Batteriespeicherkosten ist in den kommenden Jahren zu erwarten. Batteriespeicher können eine bedeutende Rolle im Regelenergiemarkt spielen. Steuerungstechniken zur Bündelung sind hierzu Voraussetzung.

52 Strom zu Wärme ein Tabu? Energetisch: ja! Finanziell: nein!

53 Variable und steuerbare Lasten Ziel: Anpassung von Verbrauch an die lokale Erzeugung träge Lasten oder solche mit Speicherfähigkeit können entsprechend der Eigenerzeugung gesteuert werden Vergleichbar mit Optimierungen zur Nutzung variabler Stromtarife oder Spitzenlastmanagement Beispiele: Kühlung Wärmepumpen Anlagen mit Wärme- oder Kältespeicher Ladestationen

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