Technologische Perspektiven der Stromspeicherung

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1 Technologische Perspektiven der Stromspeicherung Werner Weindorf Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST) Energiepolitischen Kongress der Landtagsfraktion Bayerischer Landtag, München, 14. 1

2 Inhalt Warum Stromspeicher? Speichertypen Stromspeicher auf Basis von Batteriesystemen Technologien Heimspeicher Große Batteriesysteme z.b. zur Netzstabilisierung Langzeitspeicher (Power-to-Gas) Power-to-H 2 Power-to-CH 4 2

3 Warum Stromspeicher? Netzstabilisierung Ausgleich von Stromeinspeise- und nachfragespitzen, Beispiel: Notwendiger Ausbau der Photovoltaik bei 100% erneuerbare Energien in Deutschland: 400 GW p (Modulleistung) [Quaschning, 9. März 2017]: Stromproduktion bei 1000 kwh/kw p : 400 TWh/a Maximale Einspeisung ca. 70% der Modulleistung: 280 GW Maximale Last in Deutschland: ca. 85 GW => Speicherung erforderlich Abregelung der PV auf 30% der Modulleistung (Vorschlag SFV), Überschuss in Stromspeicher Maximale Einspeisung in das Stromnetz: 120 GW Äquivalente Jahresvollbenutzungsdauer bezogen maximale Einspeisung: 3333 h/a Überbrückung von Zeiten dunkler Flaute über Tage und Wochen 3

4 Stromspeicher: Kurzzeit- und Langzeitspeicher Sekunden Stunden Tage/ Wochen/ Monate Schwungräder, supraleitende magnetische Energiespeicher (SMES), Kondensatoren Batterien (Auswahl) Blei/Säure Li-Ion NaS Redox-Flow Thermoelektrische Speicher Druckluftspeicher ( Compressed Air Energy Storage (CAES)) Pumpspeicher Power-to-Gas, Power-to-Liquid 4

5 EE-Anteil und Bedarf an Speichertechnologien Anteil erneuerbarer Energien 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% Fossile und nukleare Stromerzeugung Batterie-Systeme Pumpspeicher Power-to-Heat Batterie-Systeme Pumpspeicher Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Power-to-Gas Power-to-Heat Batterie-Systeme Pumpspeicher 0% Heute Kurzfristig Langfristig 100% EE 5

6 Kurzzeitspeicher: Batteriesysteme Heimspeicher Quartierspeicher Regionale und zentrale Stromspeicher Netzstabilisierung 6

7 Batterietypen Betriebstemperatur Anwendung Pb/PbO 2 25 C Starterbatterien, Traktionsbatterien, stationäre Stromspeicherung Li-Ionen 25 C Traktionsbatterien, stationäre Stromspeicherung Na-Ionen ( Salzwasserbatterie ) Hersteller FIAMM, Yuasa, VARTA/Johnson Controls, u.a. AESC, Altairnano, GS Yuasa, LG Chem Ltd., Panasonic, Saft, Samsung, Toshiba, Winston Battery, u.a. 25 C Stationäre Stromspeicherung BlueSky Energy, Aquion Energy NaS C Stationäre Stromspeicherung NGK Insolators Ltd NaNiCl 2 (ZEBRA) C Stationäre Stromspeicherung FIAMM Redox-Flow 25 C Stationäre Stromspeicherung Cellstrom/Gildemeister, Schmid 7

8 Kurzzeitspeicher: Lithium-Ionen-Batterien Anodenmaterial Graphit (C) Li 4 Ti 5 O 12 Kathodenmaterial LiCoO 2 LiNiO 2 LiNi 1 x Co x O 2 LiNi 0,85 Co 0,1 Al 0,05 O 2 LiNi 0,33 Co 0,33 Mn 0,33 O 2 LiMn 2 O 4 Spinell LiFePO 4 Elektrolyte: LiPF 6 in wasserfreien Lösungsmitteln wie Ethylencarbonat, Diethylcarbonat, etc. Polymer aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polyvinylidenfluorid- Hexafluorpropen (PVDF-HFP) Lithiumphosphatnitrid (Li 3 PO 4 N) 8

9 Kurzzeitspeicher: Beispiele für Li-Ionen-Batteriesysteme Heimspeicher z.b. S10 E Hauskraftwerk von E3DC Leistung: 4 bis 8 kw Stromspeicherkapazität: 4,6 bis 9,2 kwh 3-phasig Heimspeicher z.b. von VARTA one L Bild: LBST, 2014 Leistung: 2,4 kw Stromspeicherkapazität: 2,8 bis 6,9 kwh 3-phasig Notstromfähigkeit Masse: 90 kg Bild: LBST, 2014 Elektrochemie: LiFePO 4 9

10 Kurzzeitspeicher: Preise für Li-Ionen-Heimspeicher Entwicklung der Preise für Stromspeicher (5 kwh-system) Investition ( ) % Halbjahr Halbjahr Halbjahr Halbjahr Halbjahr Halbjahr 2015 Investition ( /kwh) 1. Halbjahr 2016 Quelle: LBST auf Basis BSW 2016 Reduktion um 25% seit 1. Halbjahr 2013 Eine weitere Reduktion der Preise für Stromspeicher ist zu erwarten 10

11 Kurzzeitspeicher: Redox-Flow-Batterie Charge: V 2+ Discharge: V 3+ Charge: VO 2 + Discharge: VO 2+ Negative electrolyte tank Electrode Regenerative fuel cell Electrode Positive electrolyte tank Charge: V 3+ Discharge: V Charge: VO 2+ Discharge: VO 2 + DC AC Electricity source Electricity consumer Bild: LBST,

12 Kurzzeitspeicher: Beispiele für Redox-Flow-Batterie Compact Storage von Schmid Zellechemie: Vanadium-Redox-Flow Leistung: 5 kw Stromspeicherkapazität: kwh Wirkungsgrad DC: >80% 1-phasig, 230 V Baugröße CS 5/15: 1,21 x 0,80 x 1,74 m Masse: CS 5/15: 1500 kg Lebensdauer: > Zyklen Kalendarische Lebensdauer: 20 Jahre Bild: LBST, 2014 Bild: LBST,

13 Kurzzeitspeicher: Große Stromspeicher Bild: Allgäuer Kraftwerke GmbH,

14 Kurzzeitspeicher: Große Stromspeicher System auf Basis von Li-Ionen-Batterien WEMAG I+II Leistung: 10 MW (prä-qualifiziert) Wirkungsgrad: 95% DC Energiespeicherkapazität: 15 MWh Lebensdauer: Zyklen Kalendarische Lebensdauer: 20 Jahre WEMAG I, Bild: Younicos, 2014 System auf Basis von NaS-Batterien von NGK Insolators Ltd. Leistung: 1 MW Wirkungsgrad: 85% DC Energiespeicherkapazität: 6 MWh Lebensdauer: Zyklen Kalendarische Lebensdauer: 15 Jahre 14 Bild: Younicos, 2014

15 Kurzzeitspeicher: Große Stromspeicher Weltweit werden große Batteriesysteme in Kombination mit Solarkraftwerken und Windparks sowie zur Netzstabilisierung installiert Deutschland Ende 2018: 323 MW [Team Consult 2018] Land Inbetriebnahme Energie Leistung h Typ (MWh) (MW) Buzen Substation Japan 03/ NaS Hornsdale Power Reserve Australien 12/ ,29 Li-Ion Escondido Substation USA 02/ Li-Ion Pomona Substation USA 01/ Li-Ion Mira Loma Substation USA 01/ Li-Ion Tesla Solar Plant USA 03/ Li-Ion Minamisōma Substation Japan 02/ Li-Ion WEMAG I+II Deutschland ,5 Li-Ion 15

16 Langzeitspeicher (PtG): Haupt-Komponenten Power-to-Gas-Anlage Power-to-H 2 Power-to-CH 4 Gasspeicher Drucktanks: oberirdisch oder unterirdisch, eben oder senkrecht Salzkavernen Porenspeicher: leer geförderte Erdgasfelder Rückverstromung: Gasmotor(-BHKW) Gasturbinen(-BHKW, -HKW) Brennstoffzellen(-BHKW) 16

17 Langzeitspeicher: Power-to-H 2 Stromspeicher auf Basis von Wasserstoff mit Sektorkopplung Wind / PV Stromnetz η Zyklus 38% Verbraucher Rückverstromung/KWK - GuD ( 60%) - Brennstoffzelle ( 60%) G H 2 Strom Wasserstoff Wärme Elektrolyse ( 65%) Kompressor H 2 -Speicher - Röhrenspeicher - Salzkavernen Tankstelle für FCEV 17

18 Langzeitspeicher: Power-to-H 2 Elektrolyseanlage in Mainz Technologie: Proton-Exchange-Membrane (PEM) 3 Stacks mit je 1,25 MW el (Strominput) H 2 -Produktion: 675 Nm³h (2,02 MW Hi ; 2,39 MW Hs ) Bild: Siemens AG 18

19 Langzeitspeicher: Power-to-H 2 Stromspeicher für energieautarkes Mehrfamilienhaus in Brütten, Schweiz Batterie auf Basis von LiFePO 4 Stromspeicherkapazität (netto): 153 kwh Systemwirkungsgrad: >85% Elektrolyseur auf Basis von PEMEC Strominput: 14,5 kw el Leistung: 2 Nm³ H 2 /h bei 3 MPa + 8 kw Wärme Hersteller: Proton OnSite H 2 -Speicher Maximaler Druck: 3 MPa Geometrisches Volumen: 120 m³ Brennstoffzellen-BHKW auf Basis von PEMFC: Leistung: 5,6 kw el + 5,5 kw Wärme Proton Motor Fuel Cell GmbH Bild: Erstes energieautarkes MFH der Welt, ein Projekt der Umwelt Arena Schweiz, 2016; 19

20 Langzeitspeicher: Power-to-CH 4 (NT-Elektrolyse) CO 2 (aus Luft / Abgas / Biogasaufbereitung) Strom Wärme CO 2 -Absorption/ Regenerierung CO 2 Strom CO 2 - Verflüssigung CO 2 CO 2 -Speicher CO 2 η Zyklus CO 2 aus Luft: 28% CO 2 aus BGA: 31% Strom Wasser NT-Elektrolyse H 2 H 2 -Speicher Wärme Wasser H CH 4 2 Methanisieurng CH 4 -Speicher GuD(-HKW) Strom Wärme 20 BGA: Biogasaufbereitung

21 Langzeitspeicher: Power-to-CH 4 (HT-Elektrolyse) CO 2 (aus Luft / Abgas / Biogasaufbereitung) Strom Wärme CO 2 -Absorption/ Regenerierung CO 2 Strom CO 2 - Verflüssigung CO 2 Wasser Dampferzeugung CO 2 -Speicher CO 2 η Zyklus CO 2 aus Luft: 34% CO 2 aus BGA: 42% Strom Dampf HT-Elektrolyse H 2 H 2 -Speicher Wärme Wasser H 2 CH 4 Methanisieurng CH 4 -Speicher GuD(-HKW) Strom Wärme 21 BGA: Biogasaufbereitung

22 Zusammenfassung Kurzzeitspeicher: hohe Zyklus-Wirkungsgrade von 75 bis 85% Geringe spezifische Speicherkapazität Hoher Investitionsbedarf pro kwh gespeicherter Energie Einsatz: Netzstabilisierung, Tag-Nacht-Ausgleich, Speicherung für wenige Stunden Langzeitspeicher Relativ niedrige Zyklus-Wirkungsgrade (Strom): 30 bis 40% (aber durch Nutzung der Abwärme höhere Nutzungsgrade möglich) Hohe spezifische Speicherkapazität Niedrige Investitionsbedarf pro kwh gespeicherter Energie Einsatz: Überbrückung von Zeiten dunkler Flaute über Tage bis Wochen 22

23 Kontakt Werner Weindorf +49/89/ Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH Daimlerstr München/Ottobrunn Web: 23

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