JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbh

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1 JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbh Energiesysteme und Speichertechnologien Johanna Pucker & Gerfried Jungmeier SONNENSYMPOSIUM Fachsymposium für Photovoltaik und Solarthermie Graz,

2 2 INHALT Einleitung Speichertechnologien im Überblick Anwendungsbeispiele Zukünftiger Speicherbedarf Zusammenfassung

3 3 Warum Energiespeicher? Endenergie Primärenergie Angebot fossile, erneuerbare Energie Diskontinuierliches Angebot Angebot Energiespeicher für Stunden, Tage, Wochen und Monate Endenergieträger (Strom, Wärme, Brennstoffe) Verbrauch Diskontinuierlicher Bedarf Nutzenergie Bedarf Raumwärme Verkehr mech. Arbeit Prozessw. Licht Kontinuierliches Angebot deckt kontinuierlichen Bedarf

4 monatlicher Anteil der Solarwärme bzw. des Raumwärmbedarfs [%/Monat] 4 Angebot an Solarwärme und Bedarf an Raumwärme 20% 18% 16% 14% 12% 10% 8% 6% 4% 2% 0% Jän Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Angebot-Solarwärme Bedarf Raumwärme

5 5 Fluktuierendes Windangebot 2010 und Prognose 2035 Stromproduktion in N-Europa aus Wind und Sonne Solar Wind Onshore Wind Offshore Quelle: Pöyry, 2011

6 6 INHALT Einleitung Speichertechnologien im Überblick Anwendungsbeispiele Zukünftiger Speicherbedarf Zusammenfassung

7 Energiespeicher im Überblick Elektrische Energiespeicher Supraleitende Spulen 1) Schwungradspeicher 1) 1) für kurzzeitige Stromspeicherung zur Abdeckung von Leistungsspitzen Kondensatoren 1) Pumpspeicher Thermische Energiespeicher Druckluftspeicher Elektrochem. Speicher Brennstoffe als elektrische Energiespeicher CH 4 2) H 2 3) Latentwärmespeicher Feststoffspeicher Erdsondenspeicher Aquiferspeicher Wasserspeicher Kies-Wasserspeicher Thermochem. Speicher Brennstoffe als Energiespeicher Fossile Brenn- & Treibstoffe CH 4 2) H 2 3) Feste Biomasse Gasförmige Biomasse Flüssige Biomasse 2) CH 4 : Methan 3) H 2 :Wasserstoff

8 angebotsnahe Speicherung Ort der Speicherung Angebot verbrauchernahe Speicherung Quelle: nach Fraunhofer AST Verbrauch

9 9 Kenngrößen von Energiespeichern Kapazität Leistung Wirkungsgrad Nutzungsgrad Speicherzyklus Entladetiefe Volumetrische und gravimetrische Energiedichte Nutzbare Energie eines Speichers in [J] oder [Wh] Maximale abrufbare Energie pro Zeiteinheit in [W] Verhältnis von abgegebener zu zugeführter Energie für einen stationären Zustand in [%] Verhältnis von abgegebener zu zugeführter Energie für einen bestimmten Zeitraum in [%] Summe von Lade-, Halte- und Entladezeit (Sekunden, Stunden, Wochen, Monate) Maximale entnommene Energiemenge eines Zyklus bezogen auf die Speicherkapazität in [%] Verhältnis des nutzbaren Energieinhalts zu seinem Volumen [Wh/m³] bzw. zu seiner Masse [Wh/kg]

10 10 Vergleich verschiedener elektrischer Energiespeicher * Leistungsdichte [W/kg] 1) Richtwerte, tatsächliche Investitionen abhängig von Einsatzart, Technologie, etc. ECO TECHNOLOGIE RADAR Energiespeicher ECO WORLD STYRIA

11 11 Volumetrische Energiedichte von Speichern

12 Erdgas-GuD-KW Hackgut-KW EE-CH4-GuD-KW H2-GuD-KW adiabat. Druckluftspeicher-KW Pumpspeicher-KW m Fallhöhe Pumpspeicher-KW m Fallhöhe Elektrische Energie aus 1m³ Energiespeicher-Volumen [kwh/m³] 12 Elektrische Energie aus 1 m³ Energiespeicher Erdgas-GuD-KW (GuD-Prozess): η=60 % EE-CH 4 1) -GuD-KW (Strom-Elektrolyse-Methanisierung-Verdichtung-GuD-KW-Strom): η=24 % H 2 2) -GuD-KW (Strom-Elektrolyse-Verdichtung-GuD-KW-Strom): η=32 % Strom aus Hackgut (Dampfprozess): η=30 % Adiabat.Druckluftspeicher-KW (Strom-Verdichtung-Strom): η=70 % Pumpspeicher-KW-300 m bzw. 600 m (Strom-Wasser-Strom): η=80 % , ,6 1,3 Brennstoff zu Strom 1) EE-CH 4 : erneuerbares Methan 2) H 2 : Wasserstoff Strom zu Strom

13 Speicherkosten [ /MWh] 13 Kosten der Energiespeicherung Kosten Strom aus Speicher Wochenspeicher /MWh /MWh 220 /MWh Pumpspeicher Wasserstoff Methan PSP H2 EE-CH /MWh Strompreis Laden [ /MWh] Quelle: TU Wien 2011

14 14 Umweltauswirkungen der Energiespeicherung (Lebenszyklus) 100 g CO 2 -Äq/kWh 72 g CO 2 -Äq/kWh Quelle: JOANNEUM RESEARCH 2011

15 15 INHALT Einleitung Speichertechnologien im Überblick Anwendungsbeispiele Zukünftiger Speicherbedarf Zusammenfassung

16 16 Projekt Energiespeicher der Zukunft 30 Anwendungsbeispiele Angebotsnahe (zentrale) & verbrauchernahe (dezentrale) Anwendungen Elektrische Speicher Thermische Speicher Brennstoffspeicher In Kooperation mit Gesamtbewertung Technisch Ökonomisch Ökologisch Finanziert von

17 17 Ökologische Bewertung mit der Methode der Lebenszyklusanalyse Untersuchung der Umweltaspekte und die potentiellen Umweltwirkungen im Verlauf des Lebensweges eines Produktes Rohstoffgewinnung Produktion Anwendung Entsorgung: Abfallbehandlung und Recycling Herstellung Hilfsenergie ISO 14040:2006 Umweltmanagement Ökobilanz Grundsätze und Rahmenbedingungen Energiebereitstellung Speicher Ladeeinheit Entladeeinheit Nutzbare Energie aus Speicher Verluste

18 Stromspeicher Referenzsystem Biomasse 31% Wind 33% PV 12% Wasser 24% Biomasse 31% Wind 33% PV 12% Wasser 24% Strommix Erneuerbar 2020 Strommix Erneuerbar 2020 Stromnetz Stromspeicher Stromnetz (inkl. Lade- u. Entladeeinheit) 1 MWh Strom

19 Wochenspeicher Tagesspeicher 19 Überblick Anwendungsbeispiele Stromspeicher Angebotsnah (zentrale Großanlagen) Leistung: 300 MW Kapazität: MWh Verbrauchernah (dezentrale Kleinanlagen) Leistung: 10 kw Kapazität: 10 kwh Technologien: Pumpspeicher Druckluftspeicher diabat (CAES) Druckluftspeicher adiabat (AA-CAES) Natrium-Schwefel-Batterien (NaS) Redox-Flow-Batterien Lithium-Ionen-Batterien Leistung: 300 MW Kapazität: Technologien: Pumpspeicher Wasserstoffspeicher Methanspeicher MWh Technologien: Blei-Säure-Akku Li-Ion-Akku Leistung laden: Leistung entladen: Kapazität: 1 kw 10 kw 60 kwh Technologien: Blei-Säure-Akku H 2 -Speicher+ Brennstoffzelle

20 20 Verbrauchernahe Stromspeicher Tagesspeicher

21 Wochen-/ Monatspeicher Tagesspeicher 21 Überblick Anwendungsbeispiele Wärmespeicher Mehrfamilienhaus Einfamilienhaus Warmwasserbedarf: 275 MWh/a Speichervolumen: 27 m³ Technologien: Warmwasserspeicher (Solar + Zusatzheizung) Warmwasserbedarf: 6,9 MWh/a Speichervolumen: 0,27 m³ Technologien: Warmwasserspeicher (Solar + Zusatzheizung) Gesamtwärmebedarf: 590 MWh/a Speichervolumen: 72 m³ Gesamtwärmebedarf: 11,4 MWh Speichervolumen: 1,1 m³ Technologien: Warmwasserspeicher (Solar + Zusatzheizung) Technologien: Warmwasserspeicher (Solar + Zusatzheizung)

22 Solaranlage + Zusatzheizung Referenzsystem Strommix Erneuerbar 2020 Umgebungswärme Strommix Erneuerbar 2020 Umgebungswärme Solarkollektor Deckungsgrad: 30% Wärmespeicher (inkl. Lade- u. Entladeeinheit) Sonneneinstrahlung Wärmepumpe Wärmepumpe 1 MWh Wärme

23 23 Verbrauchernahe Wärmespeicher Tagesspeicher, Zusatzheizung Wärmepumpe

24 Solaranlage + Zusatzheizung Referenzsystem Sonneneinstrahlung Solarkollektor Rohgas Rohgasförderung Aufbereitung Transport Rohgas Rohgasförderung Aufbereitung Deckungsgrad: 30% Gaskessel Transport Wärmespeicher (inkl. Lade- u. Entladeeinheit) Gaskessel 1 MWh Wärme

25 25 Verbrauchernahe Wärmespeicher Tagesspeicher, Zusatzheizung Gaskessel

26 26 Verbrauchernahe Wärmespeicher Tagesspeicher, Zusatzheizung Gaskessel

27 27 INHALT Einleitung Speichertechnologien im Überblick Anwendungsbeispiele Zukünftiger Speicherbedarf Zusammenfassung

28 Lastverlauf [MW] Tagesbilanz Strom an Sommertag 100% erneuerbar 2050 konstant Zusätzliches Stromangebot (00:00-24:00): 82 GWh = 55% des Strombedarfs an einem Sommertag im Jahr 2050 Tagesbilanz 0 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 Verbrauch ohne Pumpspeicherung 2050 PV-2050 Wind-2050 kalorische Biomasse-Kraftwerke & Geothermie 2050 Laufkraftwerke-2050

29 Lastverlauf [MW] Tagesbilanz Strom Wintertag 100% erneuerbar 2050 Fehlende Erzeugung (00:00-24:00): 40 GWh = 22% des Strombedarfs an einem Wintertag im Jahr 2050 Tagesbilanz Max. Lastdifferenz (17:00): 3,0GW 0 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 Verbrauch ohne Pumpspeicherung 2050 PV-2050 Wind-2050 kalorische Biomasse-Kraftwerke & Geothermie 2050 Laufkraftwerke-2050 Speicherkraftwerk

30 30 INHALT Einleitung Speichertechnologien im Überblick Anwendungsbeispiele Zukünftiger Speicherbedarf Zusammenfassung

31 31 Zusammenfassung Energiespeicher dienen schon heute dem Ausgleich von Energieangebot und nachfrage im Energiesystem Bedeutung steigt zukünftig durch vermehrte fluktuierende Energieerzeugung aus Erneuerbaren (Solar, Wind) Herausforderung der saisonalen Speicherung Energiespeicher der Zukunft : technische, ökonomische & ökologische Bewertung von Anwendungsbeispielen Einflussfaktoren auf ökologische Bewertung: Herkunft von Strom und Wärme Speicherverluste & Systemwirkungsgrade Für elektrische Energiespeichertechnologien, die Strom aus erneuerbaren Energieträgern speichern, auch Herstellungsaufwand relevanter Einflussfaktor (10 35% der Gesamt-THG-Emissionen)

32 Ihr Kontakt Quelle: Spektrum der Wissenschaft, April 2012 JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbh Johanna Pucker Gerfried Jungmeier Elisabethstraße 18, 8010 Graz