Untersuchung des Bedarfs elektrochemischer Speicher zur Sicherung der Netzstabilität

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1 Untersuchung des Bedarfs elektrochemischer Speicher zur Sicherung der Netzstabilität im Rahmen des Projekts ESPEN Heike Barth Tanja M. Kneiske, Sebastian Raab Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES), Kassel NEIS Konferenz September 2013 Hamburg

2 Agenda Motivation Bisherige und aktuelle Speicheranwendungen Projekt ESPEN Ziele Anwendungsfälle Erste Untersuchungen Zusammenfassung 2

3 Motivation Herausforderungen Spannungshaltung im Verteilnetz Überlastung von Netzbetriebsmitteln Weniger Großkraftwerke für Systemdienstleistungen Mögliche Maßnahmen: Netzausbau, regelbare PV-Wechselrichter und Netzbetriebsmittel (z.b. RONTS) Speicher Für vielfältige Anwendungsfälle einsetzbar auch kombinierbar Umsetzung schneller als Netzausbau (Netzausbau ggf. nur zeitlich begrenzt notwendig) Auch als Übergangslösung möglich (flexibel einsetzbar) 3

4 Einsatzmöglichkeiten von netzgekoppelten Batteriespeichern Ausgleich fluktuierender Erzeugung Vermarktung Engpassmanagement Spitzenlastglättung Unterbrechungsfreie Stromversorgung Speicher Überbrückung von Versorgungsunterbrechungen Regelleistung Spannungshaltung Unterstützung Versorgungswiederaufbau Erhöhung Eigenverbrauch 4

5 Erfolgreiche Projektbeispiele für Batteriegroßspeicher Batteriespeicher im Inselnetz von West-Berlin ( ) Problem: Leistungsmangel 17 MW Stromrichterleistung 14,4 MWh Speicherkapazität, Blei-Akku Speicher zur Frequenz-Leistungs-Regelung Unterstützung bei Kraftwerksausfällen Quelle: Energie-Museum Berlin Alaska Fairbanks (seit 2003) Herausforderungen: quasi Inselnetz, weite Entfernungen, geringe Population 27 MW über 15 Minuten bereitstellbar (Ni-Cadmium) Primärregelleistung, Blindleistungsbereitstellung Quelle: Golden Valley Electric Association Lasterhöhung im Netz, Unterstützung bei Kraftwerks- und Leitungsausfällen Verschiedene Batteriesysteme wurden bereits erfolgreich eingesetzt 5

6 Aktuelle Beispiele Pilotprojekte Batteriegroßspeicher Quartierspeicher in Weinsberg (150 kwh / 120 kw Li-Ionen) möglichst autarke Versorgung einer Neubausiedlung (PV, BHKW, Wärmepumpe, therm. Pufferspeicher) Quelle: KACO new energy GmbH Quelle: Wemag AG Fünf-Megawatt-Speicher in Schwerin (5 MWh / 5 MW), geplant bis Sept 2014 Lithium-Ionen-Batteriepark zur Sicherung der Netzstabilität Primärregelleistung Projekt LESSY Li-Ionen-Batterie (700 kwh), Einsatz zur Lieferung von Primärregelleistung (+/- 1 MW) Quelle: IBC Solar Ortsnetzspeicher in Fechheim (120 kwh / 45 kw), zur Stabilisierung des Niederspannungsnetzes (Spannungshaltung) Quelle: EWE Forschungszentrum Zahlreiche Pilotprojekte aktuell in Betrieb oder Umsetzung 6

7 Bisher Einzelfallbetrachtungen und sehr spezifische Umsetzungen globale Betrachtung des Speicherbedarfs (z.b. VDE Studie Speicher 2012) nur gesamte Energieflüsse berücksichtigt aber keine Netzrestriktionen Abschätzung des Einflusses auf Netzausbau bei gegebenen Anteil von Speichern zu EE-Erzeugungsanlagen (dena-verteilnetzstudie) Es fehlen strukturierte Untersuchungen zum tatsächlichen Bedarf an Speichern im Verteilnetz die Berücksichtigung von verschiedenen Netztopologien, die den Einsatz von Speichern bedingen oder ggf. limitieren Aussagen dazu, welche Speichertechnologie für welche Anwendungsfälle am besten geeignet / am wirtschaftlichsten ist Untersuchungen zu den verschiedenen Einsatzgebieten, ob alternative Lösungen ggf. wirtschaftlicher / ökologischer sind Bestimmung des Bedarfs sowie des technisch und ökonomisch sinnvollsten Einsatzes von Speichern 7

8 Forschungsprojekt: ESPEN Potentiale elektrochemischer Speicher in elektrischen Netzen in Konkurrenz zu anderen Technologien und Systemlösungen Projektdauer: 01. November Oktober 2015 Ziele und Fragestellung: Ermittlung des zukünftigen Bedarfs an Energiespeichern im Verteilnetz Bestimmung von technischen und wirtschaftlichen Anforderungen an Energiespeicher zur Netzintegration Berechnung quantitativer Auswirkungen auf die Netze und den zukünftigen Kraftwerkspark Entwicklung von neuen Regelkonzepten für elektrochemische Energiespeicher Vorschläge zur Weiterentwicklung rechtlicher Rahmenbedingungen und technischer Standards Möglichkeiten zur Nutzung bereits im Netz existierender Speicher zur Stabilisierung des Netzes Projektpartner: 8

9 Anwendungsfälle in ESPEN Auch Kombination von Anwendungsfällen Ausgleich fluktuierender Erzeugung Vermarktung Engpassmanagement Spitzenlastglättung Unterbrechungsfreie Stromversorgung Speicher Überbrückung von Versorgungsunterbrechungen Regelleistung Spannungshaltung Unterstützung Versorgungswiederaufbau Erhöhung Eigenverbrauch 9

10 P/Pangebot Anwendungsfall Frequenzregelung (Primärregelleistung) Primärregelleistung (PRL) Mindestgebotsgröße: +/- 1 MW Vollständige Aktivierung innerhalb von 30 sec Nach Abruf für 15 Min bereitzustellen Theoretisch zu realisierende Speicherkapazität (100%ige-Zeitverfügbarkeit): E speicher = 1 Woche * P angebot (168 MWh bei 1 MW-Angebot) Alternativ: Anlagenpooling oder Besicherung durch andere Anlagen Dimensionierung z.b. auf Grundlage des Abrufprofils vergangener Jahre Frequenz-Leistungskennlinie der Batterie 1 0,5 0 49,7 49,9 50,1 50,3-0,5 0,1 0, , ,02-0,05-0,1-1 Netzfrequenz [Hz] 10

11 Primärregelleistung - Leistungsflüsse Bereitstellung Regelleistung (1) Bereitstellung positive Regelleistung (2) Bereitstellung negative Regelleistung Erlöse entsprechend Angebotspreis Ausgleichsladungen zur Erhaltung eines mittleren Ladezustands zur Regelleistungsbereitstellung (3) Strombezug aus dem Netz Kosten Strombezug über Strombörse (4) Stromeinspeisung ins Netz Erlöse Stromverkauf an Strombörse (5) Strombezug aus Windkraftanlage Kosten Bezug von Windenergie 11

12 Annahmen und Szenarien Frequenzgang, PRL-Ausschreibungsergebnisse und Börsenstrompreise entsprechend Daten aus 2012 Zwei Szenarien: Erlöse entsprechend mittlerem bzw. maximal möglichen Zuschlagspreis je Ausschreibung Vergleich 4 verschiedener Batterietechnologien für 2 Installationsjahre (2012/2030) Dimensionierung der Batteriekapazität entsprechend des Abrufprofils von 2012 Szenario Bleibatterie NaS-Batterie Li-Ionen-Batterie RedOx-Flow Parameter Wirkungsgrad [%] 72,5 75,5 71,5 80,5 82,5 87, Leistungsinstallationskosten [ /kw] Energieinstallationskosten [ /kwh] Zyklische Lebensdauer [-] Kalendarische Lebensdauer [a] , , ,5 20 Max. Entladetiefe [%] Quelle [1] 12

13 Belastungsprofil Primärregelleistung - Bleibatterie (2012) Angebotene PRL: 2 MW ca. 10,5 MWh nutzbare Batteriekapazität notwendig 13

14 Jährliche Verzinsung [%] Ergebnisse Primärregelleistung Bleibatterie (Szenario: 2012, mittlere PRL Erlöse) Erlöse /a 99,8% 0,2% Kosten /a 3,3% 10,4% 6,8% Kapitalkosten Stromeinkauf 1,3% Windenergie PRL-Erlöse Wartungskosten Stromverkauf 78,3% Netzentgelte (Leistungspreis) Vergleich Batterietechnologien 10,0 Mittlere PRL Vergütung 5,0 0,0-5,0-10, Maximale PRL Vergütung Geringe Zyklenzahl: < 100/a Kalendarische Lebensdauer maßgebend Bleibatterie NaS-Batterie Redox-Flow- Batterie Li-Ionen- Batterie 14

15 Zusammenfassung Speicher im Verteilnetz Technologie Technologisch sind bereits die meisten Anwendungsfälle grundsätzlich umsetzbar Verschiedene Lösungen wurden/werden bereits in Einzelfällen oder Pilotprojekten eingesetzt Bestimmung der Belastungen im Betrieb der einzelnen Anwendungsfälle und Auswirkungen auf die Batterie (Lebensdauer etc.) notwendig Notwendige Weiterentwicklungen sind zu identifizieren Wirtschaftlichkeit Ein wirtschaftlicher Betrieb ist aktuell noch schwer darstellbar, aber für die Zukunft absehbar Es sind Geschäftsmodelle zu entwickeln, die einen wirtschaftlichen aber auch netzstützenden Betrieb gewährleisten Kombination von Anwendungsfällen Notwendigkeit der Anpassung von Regularien / Marktstrukturen Wirtschaftlichste Lösungen sind auch im Vergleich mit alternativen Technologien / Systemlösungen zu bestimmen Speicherbedarf Strukturierte Analyse des Bedarfs an Speichern in Verteilnetzen unter Berücksichtigung der Netzrestriktionen sowie technischen und ökonomischen Randbedingungen notwendig 15

16 Quellenangaben [1] Fuchs, G.; Lunz, B.; Leuthold, M.; Sauer, U.: Technologischer Überblick zur Speicherung von Elektrizität - Überblick zum Potenzial und zu Perspektiven des Einsatzes elektrischer Speichertechnologien, Berlin September