Stromspeichersysteme im Markt

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1 Institute for Power Electronics and Electrical Drives (ISEA) Jülich Aachen Research Alliance, JARA-Energy Institute for Power Generation and Storage Systems (PGS) Stromspeichersysteme im Markt Technologien, Kosten und Einsatzpotentiale von dezentralen Stromspeichern Workshop Stromspeichertechnologien IHK Aachen 19. Mai 2015 Dr. Matthias Leuthold RWTH Aachen Institute für Power Generation & Storage Systems (PGS) Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA)

2 Motivation 1 60 Cents / kwh Haushalte Industrie Photovoltaik PV Vergütung EEG Speicher Speicher Jahr B.Burger, Fraunhofer ISE, Stand Daten: BMU, EEG 2013 und BMWi Energiedaten Steigender Strompreis + fallende PV-Kosten Wachsendes Fenster für Speicher Abhängig von Kosten für Erzeugung, Strombezug, Speicher M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 2

3 Motivation 2 Preise Batteriezellen Stand 2014 Massiver Preisverfall für Lithium-Ionen-Zellen Elektromobilität dominiert Entwicklung Nutzbar für stationäre Batterieanwendungen M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 3

4 Überblick RWTH Aachen Speichertechnologien und Entwicklungstrends Speicherkosten und Wirtschaftlichkeit Erwartete Anwendungen / Märkte PV-Eigenverbrauch im Gewerbe Regelleistung Zusammenfassung M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 6

5 RWTH Aachen Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung & Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) Institute für Power Generation & Storage Systems E.ON Energy Research Center Univ.-Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule RWTH Aachen M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 7

6 RWTH Aachen Bleisäure, Li-Ionen, NiMH, NiCd, SuperCaps, Brennstoffzellen, Redox-Flow, u.a.. Energie- und Batteriemanagement Systeme Elektr. Speichersysteme Thermische and elektrische Modelle Batteriepackdesign Charakterisierung und Lebensdauertests Speichersysteme PGS - ISEA 1 Professor 3 Abteilungen / Oberingenieure 70 Doktoranden / Ingenieure 5 Stipendiaten ca.60 Bachelor- und Masterstudenten Hybrid, plug-in und Elektrofahrzeuge Integration Erneuerbarer Energien Speicher für Systemdienstleistungen Microgrids/Netzferne Stromversorgung Unterbrechungsfreie Stromversorgung M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 8

7 RWTH Aachen Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung & Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) Institute für Power Generation & Storage Systems E.ON Energy Research Center 2001 Promotion Teilchenphysik DESY Zeuthen 2004 Ohio State University, Columbus OH 2006 RWTH Aachen, Physikalisches Institut 3A 2008 Siemens AG, Renewable Energy, Wind 2010 ISEA, RWTH Aachen, Abteilungsleiter Netzintegration und Speichersystemanalyse Energieversorgung bei hohem Anteil EE Batteriesysteme für Systemdienstleistungen Heimspeichersysteme für PV-Integration Elektrofahrzeuge im Netz Dr.rer.nat. Matthias Leuthold Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule RWTH Aachen M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 9

8 Abteilung Netzintegration und Speichersystemanalyse Betriebsstrategien für Speicher im Netz PV-Batterie-Systeme Systemdienstleistungen Fahrzeugspeicher im Netz Ladestrategien / -infrastruktur Nutzung für Netzregelaufgaben 10 kwh 10 kwh 10 kwh 10 kwh 10 kwh = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ 5 kw 5 kw 5 kw 5 kw 5 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 5 kw Leistung = = = ~ > 10 Jahre heute = = > 10 Jahre heute abhängig vom Standort Quelle: voltwerk GmbH M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 10

9 RWTH Aachen Prüf- und Qualifizierungslabor Physikalisch-Chemisches Analyselabor Elektromobilitätslabor im Zentrum für Elektromobilproduktion Lebensdauertests, Leistungsfähigkeit, Modellparametrierung Validierung von Systemen, Diagnostik-Algorithmen, Thermomanagement > 600 programmierbare Prüfstände (für Batteriezellen bis Packs) Alterungsuntersuchungen Zusammensetzung und Struktur v. Zellkomponenten Bestimmung der thermischen, sowie elektrischen Leitfähigkeit ICP, IC, AFM-Raman, XRD, GC-MS, LFA Aufbau von Prototypen- Batteriesystemen Untersuchung von Fertigungstechnologien Begleitung von Kleinserien Abuse-Tests Laser-Schneid, -Sinter (Kunststoff, Metall), CNC- Fräse, Vakuumgieß-Anlage M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 11

10 Überblick RWTH Aachen Speichertechnologien und Trends Speicherkosten und Wirtschaftlichkeit Erwartete Anwendungen / Märkte Regelleistung PV-Eigenverbrauch im Gewerbe Zusammenfassung M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 12

11 Stromspeicher - Technologien Redox-Flow-Batterie H 2 /Methan-Speicher Pumpspeicher Supraleitende Magnetspulen Li-Ionen-Batterie Blei-Säure-Batterie Schwungrad Supercapacitors SuperCaps Batterien - Pb, Li, NaNiCl,... Druckluftspeicher M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 13

12 Lithium-Ionen-Batterie Parameter Wirkungsgrad 90% 95% Kalendarische Lebensdauer 5 20 Jahre Zyklische Lebensdauer Energiekosten Leistungskosten /kwh /kw Stärken Schwächen Möglichkeiten Lange Lebensdauer Hohe Energiedichte Effizienz Hohe Kosten Inhärente Sicherheit Schnelles Kostensenkungspotential Quelle: Saft, Kokam, GS YUASA Hindernisse Lithiumvorkommen auf wenige Länder begrenzt M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 14

13 Blei-Säure-Batterie Parameter Wirkungsgrad 80% 85% Kalendarische Lebensdauer 5 15 Jahre Zyklische Lebensdauer Energiekosten /kwh Leistungskosten /kw Positive Elektrode + PbO2 Separator - HSO 4 H + Elektrolyt H 2 SO 4 Negative Elektrode - Pb Stärken Schwächen Möglichkeiten Hindernisse Große Stückzahlen verfügbar Erfahrungen mit großen Speichern Geringe Zyklenlebensdauer Batterieraumbelüftung erforderlich Weltweit große Menge an Herstellern Kostensenkung Begrenzte Bleilagerstätte Konkurrenz von Li-Ionen-Batterien Quelle: Varta, Hoppecke Bater M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 15

14 Redox-Flow-Batterien (Vanadium) Parameter Wirkungsgrad 60% 74% Kalendarische Lebensdauer Jahre Zyklische Lebensdauer > Energiekosten Leistungskosten /kwh /kw Stärken Schwächen Möglichkeiten Hindernisse Energie und Leistung unabhängig skalierbar Hohe Zyklenlebensdauer Komplexes System Hohe Wartungskosten Viele auslaufende Patente Vanadium knapper Rohstoff Quelle: M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 16

15 Hochtemperatur-Batterien Parameter Wirkungsgrad 82% 91% Kalendarische Lebensdauer Jahre Zyklische Lebensdauer Energiekosten Leistungskosten /kwh /kw Stärken Schwächen Möglichkeiten Hindernisse Hohe Lebensdauer Günstige Rohstoffe (Nas) Bestehende Anlagen Thermische Verluste Hohe Betriebstemperatur Viele auslaufende Patente Verfügbarkeit der Rohstoffe Wenige Hersteller Quelle: NGK, MES-DEA M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 17

16 Stromspeicher - Doppelnutzen Redox-Flow-Batterie H 2 /Methan-Speicher Pumpspeicher Supraleitende Magnetspulen Electromobilität PV-Haus-Speicher Li-Ionen-Batterie Blei-Säure-Batterie Doppelnutzen = günstiger Speicher! Schwungrad Supercapacitors SuperCaps Batterien - Pb, Li, NaNiCl,... M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 18 Druckluftspeicher

17 Speichertechnologien Entwicklungstrends Lithium-Ionen Feststoffbatterien + Sicherheit, Energiedichte, Kosten - geringe spezifische Leistung Lithium-Schwefel-Batterie + hohe theoretische Energiedichte, Kosten - Sicherheit, Zyklenfestigkeit Lithium-Ionen-Batterie mit siliziumhaltiger Anode + höhere Energiedichte als Graphitanoden - geringe zyklische Lebensdauer Natrium-Ionen-Batterie + Sicherheit, keine seltenen Materialien - geringe Energie- und Leistungsdichte Metall-Luft-Batterie + hohe theoretische Energiedichte - geringe zyklische Lebensdauer Hohe Aktivität in Forschung und Entwicklung! M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 19

18 Überblick RWTH Aachen Speichertechnologien und Trends Speicherkosten und Wirtschaftlichkeit Erwartete Anwendungen / Märkte Regelleistung PV-Eigenverbrauch im Gewerbe Zusammenfassung M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 20

19 Kostenberechnung Anwendung Energie [kwh] Kosten pro installierte Kapazität [ /kwh] Stromkosten [ ct/kwh] Kosten Umrichter [ /kw] Wartung & Leistung [kw] Speicherkosten für Energiedurchsatz [ ct/kwh] Annuitätenmeth. Reparatur [%/Jahr] Kapitalkosten [%] Wirkungsgrad [%] Selbstentladung [%/d] Technologie Zyklen [#/Tag] maximale Entladetiefe (DOD) [%] Systemlebensdaue [Jahre] Zyklenlebensdauer bei DOD [#] M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 21

20 Speicherungskosten bei monatlichem Zyklus (500 MW, 100 GWh, ~1.5 cycles/mon, Capex 8%, energy cost 4ct) Hydrogen > Jahre 2010 heute Adiabatic CAES > Jahre 2010 heute Pumped Hydro ES abhängig Location vom dependent Standort Cost in ct / kwh Source: ENERGY STORAGE FOR IMPROVED OPERATION OF FUTURE ENERGY SUPPLY SYSTEMS, M. Kleimaier, et.al., CIGRE 2008 M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 22

21 Speicherungskosten bei täglichem Zyklus (1 GW, 8 GWh, 1 cycle / day, Capex 8%, energy cost 4ct) Hydrogen Adiabatic CAES > 10 Jahre > Jahre 2010 heute heute 2010 Pumped Hydro ES abhängig Location vom dependent Standort Cost in ct / kwh Source: ENERGY STORAGE FOR IMPROVED OPERATION OF FUTURE ENERGY SUPPLY SYSTEMS, M. Kleimaier, et.al., CIGRE 2008 M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 23

22 Speicherungskosten bei täglichem Zyklus (1 MW, 8 MWh, 1 cycle / day, capex 8%, energy cost 4ct) 5 bis Jahre heute 2010 Cost in ct / kwh Source: ENERGY STORAGE FOR IMPROVED OPERATION OF FUTURE ENERGY SUPPLY SYSTEMS, M. Kleimaier, et.al., CIGRE 2008 M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 24

23 Speicherungskosten bei 2 Zyklen pro Tag (1 GW, 8 GWh, 2 cycles / day, capex 8%, energy cost 4ct) 5 bis Jahre heute 2010 Cost in ct / kwh Source: ENERGY STORAGE FOR IMPROVED OPERATION OF FUTURE ENERGY SUPPLY SYSTEMS, M. Kleimaier, et.al., CIGRE 2008 M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 25

24 Überblick RWTH Aachen Speichertechnologien und Trends Speicherkosten und Wirtschaftlichkeit Erwartete Anwendungen / Märkte PV-Eigenverbrauch im Gewerbe Regelleistung Zusammenfassung M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 27

25 Erwartete Anwendungen/Märkte Vattenfall Hochspannungsnetz (Februar 2008) Leistung [MW] Leistung MW Load consumption Wind power generation Prognoseabweichung Wind power prognosis Systemstabilität Gradientenunterstützung GWh, 6 GW? Flexible steuerbare Erzeugung! 0 Source: IfR / TU Braunschweig 03/02 10/02 17/02 24/02 02/03 Pumpspeicher in Deutschland 40 GWh, 5GW 2008 IfR, TU Braunschweig Lastverlauf Prognose Wind Windleistung real Anwendungen für Stromspeicher M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 28

26 Erwartete Anwendungen/Märkte Regelenergie E-Mobilität PV-Speicher + USV + Inselsysteme + lokale Bilanzierung + diesel supplement + grid upgrade deferral + weitere M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 30

27 Erwartete Anwendungen/Märkte Deutschland 200 Leistung am Netz in GW min max min max min max Regelreserve E-/ Plugin-Hybrid PKW Hausspeicher M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 31

28 Eigenverbrauch von PV-Strom Eigenverbrauch im Haushalt: ohne Speicher 20-30% - mit Speicher % Speicherungskosten = f(p(pv), E(Haushalt), P(Batterie), E(Batterie) siehe Vortrag Dr. Linssen M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 32

29 Eigenverbrauch PV-Strom im Gewerbe M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 34

30 Eigenverbrauch PV-Strom im Gewerbe 2015 Jährliche Stromkosten für verschiedene PV-Preise ohne Einsatz eines Speichers Last 238 MWh/a Strompreis 20ct/kWh Steigerung 2% p.a. EEG 10ct/kWh Wirtschaftlichkeit hängt ab von Invest, Strompreis + Strompreissteigerung, Einspeisevergütung, Lebensdauer, Unterhalt Eigenerzeugung 2015 in etwa: ct/kwh Oft wirtschaftlich: Einsparung ca % der jährlichen Stromkosten M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 35

31 Eigenverbrauch PV-Strom im Gewerbe 2025 Jährliche Stromkosten für verschiedene PV-Preise ohne Einsatz eines Speichers Last 238 MWh/a Strompreis 25ct/kWh Steigerung 2% p.a. Kein EEG 5 ct/kwh Annahme für weitere Rechnung 2025 Strompreis höher, PV-Kosten niedriger, wahrscheinlich keine EEG-Vergütung Zunehmend bessere Wirtschaftlichkeit: Einsparung ca % der jährlichen Stromkosten M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 36

32 Eigenverbrauch PV-Strom im Gewerbe 2025 mit Speicher Jährliche Stromkosten für verschiedene PV-Preise mit Einsatz eines Speichers Last 238 MWh/a Strompreis 25ct/kWh Steigerung 2% p.a. Kein EEG 5 ct/kwh PV 100kWp, 650 /kwp Wirtschaftlichkeit hängt von vielen Faktoren ab aber: im Gewerbe niedrigere Strom-Bezugskosten als in Haushalten Speicher mittelfristig nicht wirtschaftlich (Systempreise unter 200 /kwh nicht vor 2025) M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 37

33 Überblick RWTH Aachen Speichertechnologien und Trends Speicherkosten und Wirtschaftlichkeit Erwartete Anwendungen / Märkte PV-Eigenverbrauch im Gewerbe Regelleistung Zusammenfassung M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 38

34 Projekt M5BAT Modularer multi-megawatt multi-technologie Mittelspannungsbatteriespeicher M5Bat Konsortium

35 MW Batterie Speicher Systeme BEWAG Berlin - 17MW/14MWh Lead-acid, 1987 Fairbanks - 40MW/11MWh NiCd, 2003 Source: WEMAG - 5 MW/5MWh Li-Ion, 2014 Source: M 5 Bat Aachen - 5 MW/5MWh Hybrid Lead-acid, Li-Ion, NaNiCl 2, 2016 Source: April 29, 2015 Leuthold M5Bat Rome 40

36 Anwendung Primärregelenergie + Ausgleich von Fluktuationen aus Last und Erzeugung (frequenzgesteuert) Netzfrequenz Speicherleistung 41 M5Bat IHK Aachen, Matthias Leuthold,

37 Anwendung Primärregelenergie > 25 % 25 % < > 50 % 50 % < Speicherleistung Data 3,5 months cleaned data + 72 % der Zeit keine Last (Totband und Messtoleranz) + Abruf positiver und negativer PRL nahezu symmetrisch + Maximaler Bedarf in 3,5 Monaten 70% der Nennleistung + Abruf > 25% der Nennleistung in 0,36% der Zeit 15,4 Stunden pro Jahr + Abruf > 50% der Nennleistung in 0,0036% der Zeit 8,5 Stunden pro Jahr 42 M5Bat IHK Aachen, Matthias Leuthold,

38 Anwendung Primärregelenergie + Hybridspeicher warum? Lithium zyklisch stabil Langlebig bei tiefen SOC Blei Niedrige Kosten USV Langlebig bei hohen SOC + Primärregelleistung 70% der Zeit nicht aktiv, kleine Zyklen dominieren + Kombination zweier Technologien kann Kosten reduzieren + Spezielles Energiemanagement erforderlich d.h. höhere Komplexität 44 M5Bat IHK Aachen, Matthias Leuthold,

39 Ausblick M5Bat Follow us on: (german only english coming soon) Quelle: Google Maps M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 45

40 Ausblick M5Bat Transformer station Battery Building Quelle: Google Maps M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 46

41 Ausblick M5Bat M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 47

42 Einblick M5Bat M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 48

43 Zusammenfassung und Ausblick Ausbau EE muss nicht auf Großspeicher für Bilanzierung warten bis 60% Erneuerbare Energien ist Flexibilität aus steuerbaren Erzeugern und Netztransferkapazitäten günstiger DSM und abschaltbare Lasten in Grenzen verfügbar Kostensenkung für Speichersysteme sehr dynamisch (E-Mobilität) Speicher kommen schon vor 60% EE für ausgewählte Märkte Systemdienstleistungen: PRL heute wettbewerbsfähig (rel. kleiner Markt) Batterien in Fahrzeugen und in dezentralen Speichern (PV-Eigenverbrauch) Lokale Bilanzierung (regionaler Ausgleich) Internationale Entwicklung dynamischer als in Deutschland Versorgungssicherheit in Deutschland besser als in vielen anderen Ländern (Bsp: USA, Italien, Südamerika, viele afrikanische Staaten) M.Leuthold - Speicher im Markt - IHK Aachen 49

44 Institute for Power Electronics and Electrical Drives (ISEA) Jülich Aachen Research Alliance, JARA-Energy Institute for Power Generation and Storage Systems (PGS) Stromspeichersysteme im Markt Technologien, Kosten und Einsatzpotentiale von dezentralen Stromspeichern Workshop Stromspeichertechnologien IHK Aachen 19. Mai 2015 Dr. Matthias Leuthold RWTH Aachen Institute für Power Generation & Storage Systems (PGS) Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA)

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