Speichersysteme welcher Speicher für welches Einsatzgebiet?

Transkript

1 Energiezukunft Mostviertel - Klima- und Energiemodellregion Amstetten Speichersysteme welcher Speicher für welches Einsatzgebiet? DI (FH) Sterrer Roland, MSc Amstetten, am 27. November 2013

2 FH Technikum Wien Institut für Erneuerbare Energie: Was machen wir? Unsere Themengebiete? Bachelor-Studium "Urbane Erneuerbare Energietechnologien" und Master-Studium Erneuerbare Urbane Energiesysteme" Angewandte F&E auf dem Gebiet der Erneuerbaren Energie (nationale und EU- Forschungsprojekte) Aktive Mitarbeit in Arbeitsgruppen der Internationalen Energie Agentur (IEA) sowie diversen Technologieplattformen 2

3 Wichtige Technologiethemen - Zukunftsmarkt Energiespeicher: 1. Mobile Internet 2. Automation of knowlege work 3. The internet of things 4. Cloud technology 5. Advanced robotics 6. Autonomous and near-autonomous vehicles 7. Next-generation genomics 8. Energy storage 9. 3D printing 10.Advanced materials 11.Advanced oil and gas exploration and recovery 12.Renewable energy Quelle: McKinsey Global Institute: Disruptive technologies: Advances that will transform life, business, and the global economy, May

4 Frequenzhaltung im Drehstromsystem: Quelle: Gawlik, Wolfgang: Systemübergreifende dezentrale Energiespeicher im Universal Grid, Konferenz Erneuerbare Energie Kärnten, Velden, November

5 Fazit: Das elektrische Energiesystem verfügt über praktisch keine eigene Speichermöglichkeit. Erzeugung und Verbrauch elektrischer Energie müssen zu jedem Zeitpunkt genau übereinstimmen. Die Bedeutung von Energiespeichern steigt mit zunehmender Volatilität auf der Erzeugungsseite (Wind- und Solarenergie). 5

6 Elektrische Speicher im Energiesystem der Zukunft: Unumstritten ist, dass je höher der Anteil fluktuierender erneuerbarer Energiequellen ist, umso mehr Speicherkapazitäten im E-Netz integriert werden müssen. Der wissenschaftliche Diskurs über die erforderlichen Speicherkapazitäten ist derzeit voll im Gange. (VDE- Studie, Juni 2012) Eine Versorgung mit elektrischer Energie aus überwiegend erneuerbarer Energiequellen ohne Speicher wird weder wirtschaftlich sinnvoll noch technisch möglich sein. Energiespeicher nehmen im Energieversorgungssystem der Zukunft somit eine Schlüsselstellung ein. 6

7 Elektrische Speicher im Energiesystem der Zukunft: Die Integration von erneuerbaren Energie muss zukünftig durch folgende Optimierung und Anpassungen des bestehenden Stromversorgungssystem unterstützt werden: Netz: Netzoptimierung Erzeugung: Flexible konventionelle Kraftwerke Systemverantwortung für Erneuerbare Netzausbau Speicher: Kurz- & Langzeitspeicher zentrale & dezentrale Speicher stationäre & mobile Speicher Verbraucher: Lastmanagement (z.b. DSM) Smart Grid 7

8 Dienstleistungen von Speichersystemen: Last- und Erzeugungs- Management (Spitzenreduktion, Vermeidung von Engpässen und Überbelastungen) Netzsicherheit (Stabilität, Bereitstellung von Regelleistung, ) Energie- Speicher Versorgungssicherheit (Spannungsqualität) 8

9 Einsatzort und Nutzen von Energiespeichern: Versorgungsqualität Prozess Kunde Bilanzkreis Regelzone Prozessoptimierung, Prozessstörung Energieoptimierung, Bezugsleistung, Netzanschluss Prognose- Abweichungen Regelleistung, Reserveleistung, Erzeugungs- Ausgleich Energiemanagement Kunde Netz 9

10 Spektrum des Speichereinsatzes: große Leistung große Kapazität Versorgungsqualität Sekunden: Minuten: Energiemanagement Stunden Spannungsregelung Blindleistungsregelung Primär- & Sekundärregelenergie Sekundär- & Tertiärregelenergie Unterbrechungsfreie Stromversorgung Blackstart Load shifting Peak shaving Energiehandel Integration von erneuerbare Energie Inselbetrieb 10

11 Möglichkeiten zur Stabilisierung des Übertragungs- und Verteilernetzes: 380 kv Übertragungsnetz Netzausbau DSM 110 kv/220 kv kv Speicher Verteilungsnetz Vehicle-to-Grid 400 V 11

12 Dezentrale Speicher in Verteilnetzen: Prioritär ist grundsätzlich die Erhöhung der Energieeffizienz, erst danach sollen Maßnahmen zur Erhöhung des Eigenverbrauches durch Lastverschiebung und Speicherung umgesetzt werden (z.b. Energiemanagementsystem). Eine dezentrale, also erzeugungs- bzw. und verbrauchernahe Speicherung hat den wesentlichen Vorteil von niedrigen Transport- Verlusten sowie Vermeidung/Reduzierung des Netzausbaus. Aufgrund steigender Strompreise werden dezentrale PV-Speicher- Systeme in Privathaushalten aus betriebswirtschaftlicher Sicht des Einzelnen zunehmend interessanter. Jedoch ist der volkswirtschaftliche Nutzen von dezentralen Speichern zur Erhöhung des Eigenverbrauches umstritten; gezielte Regelungen sind erforderlich, um damit auch eine Entlastung in Verteilnetzen zu erreichen (Systemdienstleistungen). 12

13 Konventioneller Speichereinsatz: Quelle: Energie-Forschungszentrum Niedersachsen : Studie Eignung von Speichertechnologien zum Erhalt der Systemsicherheit, März

14 Netzoptimierter Speichereinsatz: Quelle: Energie-Forschungszentrum Niedersachsen : Studie Eignung von Speichertechnologien zum Erhalt der Systemsicherheit, März

15 Wirtschaftlichkeit gering hoch Wirtschaftlichkeit von Energiespeichern: Erzeugungs- Stabilisierung Industrielles Peak-Shaving Spannungsstabilisierung Vermeidung Netzausbau Off-Grid (Insel- Anwendungen) Marktvolumen: <25 Mrd Regelenergie zentral dezentral zentral & dezentral Preis-Abitrage Black-Start Anwendungen Einfamilienhaus Anwendungen Mrd >50 Mrd schwierig Machbarkeit leicht Quelle: The Boston Consulting Group: Revisiting Energy Storage There is a Business Case, Februar

16 Sekunden Minuten Stunden Tag / Monate Einsatzbereiche elektrischer Energiespeicher: Wasserstoff / Methan (Power-to-Gas) Flow-Batterien Batterien Druckluftspeicher Pumpspeicher elektrochemische Speicher mechanische Speicher elektrische Speicher Kondensatoren Schwungmassenspeicher Supraleitende Spulen 1 kw 10 kw 1 MW 10 MW 100 MW 100 kw 1000 MW Quelle: Neubarth, Jürgen: Integration erneuerbarer Energien in das Stromversorgungssystem, in Energiewirtschaftliche Tagesfragen 8/

17 Weltweit installierte Speicherkapazitäten (Stand 2012): Quelle: Fraunhofer Institut, EPRI,, Pr. Nat. Sci. 19 (Chen et.al), ABB 17

18 Bedeutung von Pumpspeicherkraftwerken in Österreich (Stand 2012): Quelle: Gruber, Heinz: Österreichs Wasserkraft in der Speicherwelt von morgen, Konferenz Erneuerbare Energie Kärnten, Velden,

19 Speichertechnologien: Diabater Druckluftspeicher : (Compressed Air Energy Storage CAES) Adiabater Druckluftspeicher: (Advanced Adiabatic- Compressed Air Energy Storage AA-CAES) Quelle: Kloess, Maximilian: Wirtschaftliche Bewertung von Stromspeichertechnologien ; 12. Symposium Energieinnovation, Graz,

20 Power-to-Gas: Wasserstoffspeicher: Methanspeicher: Quelle: Kloess, Maximilian: Wirtschaftliche Bewertung von Stromspeichertechnologien ; 12. Symposium Energieinnovation, Graz,

21 Technologien elektrochemische Speicher: 1. Blei-Säure Batterie (Pb-Säure Batterie) 2. Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ionen): Nano-Phosphat-Lithium-Ionen (LiFePO 4 ) Lithium-Ion-Polymer Lithium-Titanat 3. Redox-Flow Batterien: Eisen-Chrom Vanadium Redox Flow Vanadium-Brom Redox Flow Natrium-Polysulfid-Bromid 4. Hybrid Flow Batterien: Zink-Brom Cer-Zink Quellen: Oertel, Dagmar : Energiespeicher Stand und Perspektiven, Sachstandsbericht zum Monitoring»Nachhaltige Energieversorgung«, 2008 Felberbauer, K.P.. et al.: ENERGIESPEICHER DER ZUKUNFT Energiespeicher für erneuerbare Energie als Schlüssel-Technologie für zukünftige Energiesysteme, Endbericht FFG-Projekt Nr.: , Metall-Luft Batterien: Zink, Aluminium, Magnesium-Luft 6. Nickelbasierte Batterien: z.b. Ni-Cd, Ni-MH, Ni-Zn 7. Flüssigmetall-Batterien (Hochtemperaturbatterien) Natrium-Schwefel (NaS) Natrium-Nickel-Chlorid (Na-NiCl - ZEBRA-Batterie) 21

22 Topologie von Batteriespeichersystemen: Futamata 51 MW Windanlage mit 34 MW Natrium-Schwefel- Batterien, am Netz seit 2008, Japan Wind Development Co. 22

23 Vanadium-Redox-Flow-Batterie: Größe: 4,5 x 2,2 x 2,4 m (L x B x H) Gewicht: kg Tankvolumen: 2 x l 1 Die elektrochemischen Reaktionen (Redox-Reaktion): Reduktion Oxidation Quelle: Cellstrom 23

24 Multifunktionales Batteriespeichersystem: Das netzgekoppelte elektrische Energiespeichersystem besteht aus: Vanadium-Redox-Flow Batterie (VRF-Batterie): Cellstrom FB10/100 (Nennspeicherkapazität von 100 kwh) PV-Anlage mit insgesamt 15 kw Peak Kleinwindkraftanlage (KWKA) mit 1,5 kw Nennleistung Sterrer, R. et al.(2013): Multifunktionales Batteriespeichersystem MBS; Endbericht, Industrielle Forschung im Rahmen der österreichischen Programmlinie Neue Energie 2020, 3. Ausschreibung 24

25 Kenngrößen Batteriespeichersystemen (1): Parameter Einheit Erläuterung Speicherkapazität [J] oder [Wh] Gibt die nutzbare Energie eines Energiespeichers in Joule [J] oder Wattstunden [Wh] an. Speicherleistung [W] Gibt die maximale abrufbare Energie eines Energiespeichers pro Zeiteinheit an. Ihre Einheit ist das Watt [W]. Wirkungsgrad [%] Gibt das Verhältnis von abgegebener zu zugeführter Leistung für einen stationären Zustand eines Energiespeichers an. Er ist ein Maß für die Energieeffizienz und den notwendigen Ressourceneinsatz. Er wird häufig in Prozent angegeben. Nutzungsgrad [%] Gibt das Verhältnis von abgegebener zu zugeführter Energie über einen bestimmten Zeitraum an und wird auch in Prozent angegeben. Be- und Entladezeit Speicherzyklus Sekunden, Stunden, Wochen, Monate Sekunden, Stunden, Wochen, Monate Gibt die Zeit an, die benötigt wird, um eine bestimmte Energiemenge zuzuführen oder zu entnehmen. Die Dauer eines Speicherzyklus ergibt sich aus der Summe von Lade-, Halte- und Entladezeit. Entladetiefe [%] Gibt die maximal entnommene Energiemenge eines Zyklus bezogen auf die Speicherkapazität in Prozent an. Quelle: : Felberbauer, K.P. et al. ENERGIESPEICHER DER ZUKUNFT Energiespeicher für erneuerbare Energie als Schlüssel- Technologie für zukünftige Energiesysteme, Endbericht FFG-Projekt Nr.: ,

26 Kenngrößen Batteriespeichersystemen (2): Parameter Einheit Erläuterung Verluste [%/Tag] Verluste können bei der Ladung und Entladung auftreten und treten meist zeitabhängig als Selbstentladeverluste auf. Sie werden oft in Prozent pro Zeitintervall angegeben. Zugriffszeiten Volumetrische & gravimetrische Energiedichte Millisekunden, Sekunden Minuten [Wh/l], [Wh/kg] Beschreiben die Zeitspanne, in der das System in der Lage ist, 50 % seiner Leistung abzugeben. Gibt das Verhältnis des nutzbaren Energieinhalts zu seiner Masse oder seinem Volumen an. Dementsprechend spricht man von der spezifischen gravimetrischen [Wh/kg] bzw. von der volumetrischen Energiedichte [Wh/l]. Leistungsdichte [W/l], [W/kg] Gibt das Verhältnis der maximalen Entladeleistung bezogen auf die Masse [W/kg] oder das Volumen [W/l] des Speichermediums an. Lebensdauer Zyklenzahl, Tage, Monate, Jahre Die Zyklenlebensdauer wird angegeben, wenn bei den Lade- und Entladeprozessen Verschleißerscheinungen auftreten. Die kalendarische Lebensdauer wird verwendet, wenn bei einem System auch ohne Nutzung Verschleiß auftritt bzw. die typische Zyklenzahl nicht der begrenzende Faktor für die Lebensdauer ist. Leistungsgradient [W/s] Gibt an wie schnell ein System seine Leistungsabgabe variieren kann. Er wird in der Einheit [W/s] angegeben. Quelle: Felberbauer, K.P. et al.: ENERGIESPEICHER DER ZUKUNFT Energiespeicher für erneuerbare Energie als Schlüssel- Technologie für zukünftige Energiesysteme, Endbericht FFG-Projekt Nr.: ,

27 Vergleich von Batteriespeichern: Quelle: : Felberbauer, K.P. et al. ENERGIESPEICHER DER ZUKUNFT Energiespeicher für erneuerbare Energie als Schlüssel- Technologie für zukünftige Energiesysteme, Endbericht FFG-Projekt Nr.: ,

28 Vergleich Investitionskosten von Batteriespeichern: Quelle: : Felberbauer, K.P. et al.: ENERGIESPEICHER DER ZUKUNFT Energiespeicher für erneuerbare Energie als Schlüssel-Technologie für zukünftige Energiesysteme, Endbericht FFG-Projekt Nr.: ,

29 Vergleich Speicherwirkungsgrad von Batteriespeichern: Quelle: Felberbauer, K.P. et al: ENERGIESPEICHER DER ZUKUNFT Energiespeicher für erneuerbare Energie als Schlüssel-Technologie für zukünftige Energiesysteme, Endbericht FFG-Projekt Nr.: ,

30 Vergleich der spezifischen Speicherkosten von Speichertechnologien: Quelle: 30

31 Vergleich der Energiedichte von Speichertechnologien: Quelle: 31

32 Zusammenfassung Technologievergleich: Pumpspeicher: Im großen Leistungsbereich ökonomisch attraktivste Option (hoher Wirkungsgrad, geringe kapazitätsabhängige Investitionskosten), in Osterreich noch Potentiale vorhanden; Projekte jedoch hart an der Wirtschaftlichkeitsgrenze (sinkende Ertrage ). Adiabate Druckluftspeicher (AA-CAES): Neue Technologie, Investitionskosten werden für die Wirtschaftlichkeit entscheidend sein (Standort, Entwicklung der Technologie). Elektrochemische Speicher (NaS, Redox Flow, Li-Ionen): hohe kapazitätsabhängige Investitionskosten, für Preisarbitrage nicht geeignet, bei Regelenergie in Österreich starke Konkurrenz durch Pumpspeicher, derzeit in Österreich nur wenige Anwendungen (z.b. Energiemanagement) wirtschaftlich. Wasserstoff- und Methanspeicher (power-to-gas): geringer Wirkungsgrad; als Tages- & Wochenspeicher ungeeignet evtl. als Jahres-/Saisonspeicher geeignet, Investitionskosten und Großhandelspreis- Verlauf werden entscheidend sein. Quelle: Felberbauer, K.P. et al.: ENERGIESPEICHER DER ZUKUNFT Energiespeicher für erneuerbare Energie als Schlüssel- Technologie für zukünftige Energiesysteme, Endbericht FFG-Projekt Nr.: ,

33 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! DI (FH) Roland Sterrer, MSc. Fachhochschule Technikum Wien Institut für Erneuerbare Energie Giefinggasse 6 A-1210 Wien Tel.: +43-(1) Mobil: +43-(0) roland.sterrer@technikum-wien.at 33