Bedarf und Aufgaben von Energiespeichern

Transkript

1 Bedarf und Aufgaben von Energiespeichern VDI-AK Energietechnik + TU München, Lehrstuhl Energiesysteme München, 13. Januar 2014 Hubert Landinger Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST) 1

2 Übersicht Einführung Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST) Änderungen im Energiesystem und Energiewende Einordnung von Speichern ins Energiesystem Energiespeicherbedarf Übersicht Stromspeicher Aufgaben von Energiespeichern Bedarf Langzeitspeicher Power-to-Gas Zusammenfassung 2

3 Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST) Strategie- und Technologie-Beratungsunternehmen für nachhaltige Energie- und Mobilitätssysteme Gegründet 1982 Konsequenter Ansatz Denken über Bereichsgrenzen hinweg Globale und langfristige Systemperspektive Themen: Nachhaltigkeitsfragen und Ressourcenanalysen Energiekonzepte und -strategien Bewertung alternativer Kraftstoffe & Infrastruktur Internationale Kunden in Industrie, Finanzwirtschaft, Politik und Verbänden 3

4 LBST Dienstleistungen System- und Technologiestudien Technologiebewertungen, Unternehmensbewertungen (Due Diligence), Machbarkeitsanalysen Szenarien und Modellierung von Energie- und Mobilitätssystemen Strategieberatung Marktanalysen, Entscheidungsunterstützung, Politikberatung Produktportfolio-Analysen, Identifikation neuer Produkte Nachhaltigkeitsanalysen Lebenszyklusbilanzen, Carbon Footprint-Analysen (ökolog. Fußabdruck) Ressourcen- und Potenzialanalysen (Energie, Mineralien, Wasser) Koordination und Wissensvermittlung Management internationaler Projekte, Projektbegleitung und -bewertung Studien, Kurzberatungen, Experten-Workshops 4

5 Übersicht Einführung Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST) Änderungen im Energiesystem und Energiewende Einordnung von Speichern ins Energiesystem Energiespeicherbedarf Übersicht Stromspeicher Aufgaben von Energiespeichern Bedarf Langzeitspeicher Power-to-Gas Zusammenfassung 5

6 Änderungen im Energiesystem und Energiewende

7 Änderungen im Energiesystem und Energiewende Das Fördermaximum fossiler und nuklearer Brennstoffe wird in den nächsten Jahren erreicht

8 Änderungen im Energiesystem und Energiewende Langfristig wird die Energieversorgung von Strom dominiert werden

9 Änderungen im Energiesystem und Energiewende Übergang von einem auf fossilen Energien basierten auf ein strombasiertes Energiesystem wird stattfinden 9

10 Änderungen im Energiesystem und Energiewende Im Transportsektor wird Strom die wichtigste Energiequelle werden

11 Änderungen im Energiesystem und Energiewende Die Infrastruktur wird sich wandeln: Fossile Energien als Speicher- und Transportmedium müssen ersetzt werden

12 Änderungen im Energiesystem und Energiewende Die Speicherung von elektrischer Energie wird eine essentielle Aufgabe werden

13 Übersicht Einführung Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST) Änderungen im Energiesystem und Energiewende Einordnung von Speichern ins Energiesystem Energiespeicherbedarf Übersicht Stromspeicher Aufgaben von Energiespeichern Bedarf Langzeitspeicher Power-to-Gas Zusammenfassung 13

14 Einordnung von Speichern ins Energiesystem Energieeinsparung Effizienzsteigerung (Erzeugung & Verbrauch) Optionen zur Integration erneuerbaren Stroms 14 SOURCE: LBST

15 Begriffsdefinitionen / Systemsichtweisen Drei mögliche Blickwinkel zum Thema Speicherung: Überschüssige Strommengen Wieviel Überschussstrom soll eingespeichert werden? Installierte Speicherkapazität Welche Energiemenge soll im Speicher im vollen Ladezustand gespeichert sein? Zur Verfügung stehende Energie aus dem Speicher Wieviel Energie muss der Speicher bereitstellen können, um seine Systemaufgaben zu erfüllen? Anzahl der äquivalenten Vollzyklen pro Jahr Dieser Wert gibt das Verhältnis zwischen der pro Jahr abgegeben Energiemenge zu der abgegebenen Energiemenge eines Vollzyklus an. in Speicher out 15

16 Übersicht Einführung Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST) Änderungen im Energiesystem und Energiewende Einordnung von Speichern ins Energiesystem Energiespeicherbedarf Übersicht Stromspeicher Aufgaben von Energiespeichern Bedarf Langzeitspeicher Power-to-Gas Zusammenfassung 16

17 Energiespeicherbedarf in TWh/a Bandbreite Energiespeicherbedarf - 100% EE-Strom (D) Speicherzykluswirkungsgrad Szenarioannahmen: 100% erneuerbare Energie Ideale Netzentwicklung und das Supergrid' Ideales Erzeugungsmanagement Ideales Bedarfsmanagement Wasserstoffspeicherung BMU 2010 Leitstudie (B) % erneuerbare Energie Ideale Netzentwicklung Ideales Bedarfsmanagement Ideales Erzeugungsmanagement Wasserstoffspeicherung UBA 2010 Energieziel % erneuerbare Energie 100% Eigenversorgung - Deutschland Kein internationaler Leistungsaustausch Ideale Netzentwicklung Pumpspeicher + Druckluftspeicher SRU 2011 (1.a) 0 Energieeinlagerung 2050 Energieabgabe 2050 Energieabgabe % erneuerbare Energie Ideale Netzentwicklung und Supergrid' Bis zu 15% Stromaustausch mit NO, DK Pumpspeicher (Norwegen) SRU 2011 (2.1.a) 17

18 Verbrauch Erzeugung Determinanten für Speicherbedarf Deutschland Energiemix und Flexibilität der Erzeugungsprozesse Ausbau erneuerbare Energien (national, transnational) Kapazität Stromimport/-export Anteile unterschiedlicher EE (PV, Wind, Wasser, Biomasse, Geothermie) Regionale Verteilung EE Netzausbau Nutzung des Erdgasnetzes (inkl. seiner Speicher) für Speicherung & Verteilung Entwicklung des Stromverbrauchs (insbesondere energieintensive Industrie) Lastmanagement in Haushalten und Industrie Wachstum und Rolle von E-Fzg. (PHEV, BEV, FCEV) für Lastmanagement, V2G Strompreis und Marktregulierung (z.b. EEG-Weiterentwicklung) Speicherspezifische Marktregulierung Entwicklung Power-to-Heat Potenzielle Synergien H 2 -Speicherung (Lastmanagement, Industrie, Kraftstoff) 18

19 Berücksichtigung Speicherstandort zentral vs. dezentral zentrale Speicherung zweistellige MW bis GW Bereich Standort nahe Netzeinspeisepunkt von großen EE-Anlagen netzferne Erzeugungs- und Verbrauchszentren Bedarf Verstärkung des Netzes, wenn nicht in Nähe des EE-Einspeisepunkts Beispiele: Pumpspeicherkraftwerke Druckluftspeicher Power-to-gas mit Speicherung in Untergrund-Salzkavernen dezentrale Speicherung einige kw bis MW Bereich Standort onsite bei kleinen EE-Erzeugern nahe Verbrauchszentren Reduziert Netzverstärkung auf allen Verbrauchsebenen Beispiele: Solarstromspeicher im Eigenheim Siedlungs-Batterie Beide Ansätze haben Vor- und Nachteile Kosten / Nutzen Abwägung sowie generelle Anwendbarkeit sind abhängig von Systemtopologie, (Planungs)präferenzen und regulatorischen Rahmenbedingungen 19

20 Alle Speicherregime werden in 2050 benötigt 13,5 TWh; 34% 9,0 TWh; 23% 10,0 TWh; 25% 5,0 TWh; 12% 2,5 TWh; 6% jährlich monatlich wöchentlich täglich stündlich Daten von IWES 2012 basierend auf BMU Leitstudie

21 Übersicht Einführung Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST) Änderungen im Energiesystem und Energiewende Einordnung von Speichern ins Energiesystem Energiespeicherbedarf Übersicht Stromspeicher Aufgaben von Energiespeichern Bedarf Langzeitspeicher Power-to-Gas Zusammenfassung 21

22 Übersicht Stromspeicher Sekunden Schwungräder, supraleitende magnetische Energiespeicher (SMES), Kondensatoren Stunden Tage Wochen Monate Batterien (Auswahl) Blei/Säure Li-Ion NaS Redox-Flow Druckluftspeicher (Compressed Air Energy Storage CAES) Pumpspeicher Direkte Nutzung von Wasserstoff Nutzung von Wasserstoff über synthetisches Methan 22

23 Schwungräder, SMES, Kondensatoren Schwungräder (Schwungmassenspeicher) Supraleitende magnetische Energiespeicher (SMES) Kondensatoren (Supercaps) 23

24 Batterien Blei/Säure (für stationäre Anwendungen) Kalendarische Lebensdauer: 6-12 Jahre Zyklen bei 80% Entladetiefe; Zellenwirkungsgrad: 80-90% pro kwh Speicherkapazität Li-Ionen-Batterie Kalendarische Lebensdauer: 20 Jahre Zyklen bei 5% Entladetiefe, Zyklen bei 75% Entladetiefe pro kwh Speicherkapazität NaS-Batterien Lange Lebensdauer (sowohl von der Zyklenzahl, als auch kalendarisch) ~ 300 pro kwh Speicherkapazität Redox-Flow-Batterien Lange Lebensdauer (auch kalendarisch) Hohe Zyklenfestigkeit (in der Literatur: Zyklenzahlen >13.000) ~ pro kwh Speicherkapazität 24

25 Druckluftspeicher Speicherung über Umwandlung elektrischer Energie in pneumatische Energie und wieder zurück Kompressor und Gasturbine Gespeicherte Energie E ~ Volumen x Druckdifferenz (50-70bar) Kompressionswärme sollte gespeichert werden 2 Speicher weltweit: Huntorf (D); seit 1978; 321MW; 660MWh; kombiniertes Druckluftspeicher- und Gasturbinenkraftwerk; McIntosh (Alabama, USA); 110MW; ~2.900MWh; inkl. Rekuperator weitere (adiabatische) in Planung 25

26 Pumpspeicher Speicherung über Umwandlung elektrischer Energie in Potenzialenergie und wieder zurück Gespeicherte Energie: E ~ Volumen x Höhendifferenz Goldisthal: größter Pumpspeicher in D Oberbecken 13,5 Mio. m³ Höhenunterschied ~350m Energiemenge 8,5GWh Leistung 1.060MW 26

27 Wasserstoffspeicher CGH 2 oder chemische Speicherung (Me-Hydrid) Investition >10 /kwh* Flüssig-H 2 oberirdisch Größte Speicher m³; 270 t oder 9 GWh* Investition ~0,85 /kwh* Kavernenspeicher Großes Potenzial; sehr gute geologische Eignung insbesondere in Norddeutschland Investition 0,09-0,15 /kwh* existierende Speicher im Erdgasnetz (Kapazität D: ~200TWh) *jeweils bezogen auf unteren Heizwert H 2 27

28 Übersicht Einführung Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST) Änderungen im Energiesystem und Energiewende Einordnung von Speichern ins Energiesystem Energiespeicherbedarf Übersicht Stromspeicher Aufgaben von Energiespeichern Bedarf Langzeitspeicher Power-to-Gas Zusammenfassung 28

29 Einordnung von Speichertechnologien Zuordnung und Gewichtung von Speichertechnologien sowie weiterer Flexibilitätsoptionen zur Erbringung von Systemdienstleistungen und weiteren systemsicherheitsrelevanten Maßnahmen im zukünftig zu erwartenden Energiesystem Momentanreserve Primärregelleistung Sekundärregelleistung Minutenreserve 1. Schwungmassenspeicher 1. Batterien 1. Pumpspeicherwerke 1. Pumpspeicherwerke 2. Flexible Kraftwerke 2. Schwungmassenspeicher 2. Flexible Kraftwerke 2. Druckluftspeicher 3. Rückverstromung Gas-Dampf- Turbine 4. Pumpspeicherwerke 3. Flexible Kraftwerke 4. Rückverstromung Gas-Dampf- Turbine 3. Rückverstromung Gas-Dampf- Turbine 4. Elektrolyse, negative Regelleistung 3. Flexible Kraftwerke 4. Rückverstromung Gas-Dampf- Turbine 5. Druckluftspeicher 5. Pumpspeicherwerke 5. Batterien 5. Elektrolyse, negative Regelleistung 6. Supraleitende magnetische Energiespeicher 6. Druckluftspeicher 6. Druckluftspeicher 6. Demand Side Management 7. Batterien 7. Elektrolyse, negative Regelleistung 7. Demand Side Management 7. Erzeugungsmanagement 8. Doppelschichtkondensatoren 8. Demand Side Management 8. Erzeugungsmanagement 9. Erzeugungsmanagement Redispatch 1. Pumpspeicherwerke 2. Druckluftspeicher 3. Flexible Kraftwerke 4. Rückverstromung Gas-Dampf- Turbine 5. Elektrolyse Schwarzstartfähigkeit 1. Pumpspeicherwerke 2. Druckluftspeicher 3. Rückverstromung Gas-Dampf- Turbine 4. Batterien Reserve für saisonalen Ausgleich 1. Elektrolyse 2. Rückverstromung Gas-Dampf- Turbine Quelle: LBST nach efzn; Eignung von Speichertechnologien zum Erhalt der Systemsicherheit,

30 Übersicht Einführung Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST) Änderungen im Energiesystem und Energiewende Einordnung von Speichern ins Energiesystem Energiespeicherbedarf Übersicht Stromspeicher Aufgaben von Energiespeichern Bedarf Langzeitspeicher Power-to-Gas Zusammenfassung 30

31 Bedarf Langzeitspeicher [MW] Lastkurve und Windstrom im elia/50hertz Netz Jan 24 Jan 25 Jan 26 Jan 27 Jan 28 Jan 29 Jan 30 Jan 31 Jan 01 Feb 02 Feb 03 Feb 31 Windleistung 2008 Last Windstrom 2008 Last 2008

32 Bedarf Langzeitspeicher [MW] Lastkurve und Windstrom im elia/50hertz Netz Jan 24 Jan 25 Jan 26 Jan 27 Jan 28 Jan 29 Jan 30 Jan 31 Jan 01 Feb 02 Feb 03 Feb 32 Windleistung 2008 erwartete Windleistung 2030 (4 x 2008) Last

33 Bedarf Langzeitspeicher [MW] Load Curve and Wind Power in the German Grid Lastkurve und Windstrom im elia/50hertz Netz Mögliche Mögliche Lade- Lade- und Entladezeiten und Entladezeiten Laden Entladen Jan 24 Jan 25 Jan 26 Jan 27 Jan 28 Jan 29 Jan 30 Jan 31 Jan 01 Feb 02 Feb 03 Feb 33 estimated erwartete Windleistung wind power 2030 (4 (4 x 2008) x 2008) Last load 2008

34 Bedarf Langzeitspeicher [MW] Load Curve and Wind Power in the German Grid Lastkurve und Windstrom im elia/50hertz Netz Mögliche Lade- und Entladezeiten CAES Huntorf 0,66 GWh Pumpspeicher Goldisthal 8,48 GWh Alle deutschen Pumpspeicher 40 GWh Laden Entladen Jan 24 Jan 25 Jan 26 Jan 27 Jan 28 Jan 29 Jan 30 Jan 31 Jan 01 Feb 02 Feb 03 Feb 34 estimated erwartete Windleistung wind power 2030 (4 (4 x 2008) x 2008) Last load 2008

35 Bedarf Langzeitspeicher [MW] Load Curve and Wind Power in the German Grid Lastkurve und Windstrom im elia/50hertz Netz GWh Mögliche Lade- und Entladezeiten GWh Speicherkapazität erfordert 100 Pumpspeicher wie Goldisthal Druckluftspeicher wie Huntorf ca. 1 typisches Kavernenfeld (wie heute für Erdgasspeicherung verwendet) mit H 2 oder SNG Laden Entladen Jan 24 Jan 25 Jan 26 Jan 27 Jan 28 Jan 29 Jan 30 Jan 31 Jan 01 Feb 02 Feb 03 Feb 35 estimated erwartete Windleistung wind power 2030 (4 (4 x 2008) x 2008) Last load 2008

36 Übersicht Einführung Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST) Änderungen im Energiesystem und Energiewende Einordnung von Speichern ins Energiesystem Energiespeicherbedarf Übersicht Stromspeicher Aufgaben von Energiespeichern Bedarf Langzeitspeicher Power-to-Gas Zusammenfassung 36

37 Power-to-Gas - Elektronen zu Molekülen Windstrom / Stromangebot Methanisierung Strom Gas Elektrolyse Stromnetz G Gasturbine / GuD Speicher / Salzkaverne Fuel Cell Brennstoffzelle Grafik: LBST Verbraucher Gasnetz H 2 Tankstelle Industrie Energie Mobilität Industrie 37

38 Power-to-Gas Positionierung Einzige Option zur langfristigen und großtechnischen Stromspeicherung Jahrzehntelange Erfahrungen in der Speicherung von Erdgas & Wasserstoff in unterirdischen Kavernen; Stand der Technik Verschiedenen Nutzungsoptionen ergeben vielfältige Möglichkeiten der Vermarktung und Synergien: Kraftstoff im Verkehr Rohstoff: chemische, petrochemische und Stahlindustrie (H 2 ) Einspeisung ins Erdgasnetz Rückverstromung 38

39 Power-to-Gas: Demoprojekte in Deutschland Reußenköge: PEM-Elektrolyse (200 kw), H 2 -Speicherung, Verstromung (BHKW), im Bau (2013); seit 08/ neues Projekt / Megawattmaßstab E.ON Hanse, Hamburg: PEM-Elektrolyse (1 MW), H 2 Einspeisung ins Erdgasnetz, in Planung (2014) Audi Werlte: alkalische Elektrolyse (6 MW), SNG - Herstellung und Einspeisung ins Erdgasnetz, in Betrieb seit 6/2013 RWE Ibbenbüren: PEM-Elektrolyse (100 kw), H 2 Einspeisung ins Erdgasnetz, in Planung (2013) CO2RRECT Niederaußem: Elektrolyse (300 kw), Methanol u. Methan - Herstellung, Verstromung, in Betrieb seit 3/2013 Energiepark Mainz: alkalische Elektrolyse (6 MW), H 2 Speicherung, H 2 Verstromung, H 2 Einspeisung ins Erdgasnetz; in Planung (2015) RH2-WKA Grapzow: alkalische Elektrolyse (1 MW), H 2 Speicherung, H 2 Verstromung, in Betrieb seit 9/2013 ENERTRAG Prenzlau: alkalische Elektrolyse (500 kw), H 2 Speicherung, H 2 Verstromung, in Betrieb seit 10/2011 E.ON Falkenhagen: PEM-Elektrolyse (2 MW), H 2 Pipeline, H 2 Einspeisung ins Erdgasnetz, in Betrieb seit 8/2013 Thüga Frankfurt: PEM-Elektrolyse (320 kw), H 2 Einspeisung ins Erdgasnetz, im Bau (2013), ab 2016 auch Methanisierung geplant ETOGAS ZSW in Stuttgart: alkalische Elektrolyse (250 kw), Methanisierung, in Betrieb seit 10/2012 Quelle: LBST basierend auf Projekt/Unternehmen Webseiten Januar

40 Übersicht Einführung Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST) Änderungen im Energiesystem und Energiewende Einordnung von Speichern ins Energiesystem Energiespeicherbedarf Übersicht Stromspeicher Aufgaben von Energiespeichern Bedarf Langzeitspeicher Power-to-Gas Zusammenfassung 40

41 Zusammenfassung Wechsel von brennstoff- zu strombasiertem Energiesystem Steigender Anteil fluktuierender erneuerbarer Energie motivieren Stromspeicher im Energiesystem Nur chemische Speicher (H 2, CH 4 ) ermöglichen Speicherung im TWh-Bereich, wenn überhaupt erforderlich Schaffung neuer horizontaler Verbindungen im Energiesystem: Transport Gasnetz/Wärme Industrie Offen: Wirtschaftlichkeit, Systemintegration Untersuchungen und Pilotprojekte sind bereits gestartet, um wettbewerbsfähige Lösungen für die Zukunft zu erarbeiten 41

42 Kontakt Hubert Landinger Senior Project Manager Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST) Daimlerstr München/Ottobrunn p: +49/89/ e: w: 42