Energiespeicherung für die Energiewende

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1 Energiespeicherung für die Energiewende Prof. Dr.-Ing. Hartmut Spliethoff Garching, den

2 1. Herausforderungen der Energiewende 2. ZAE Bayern 3. ZAE Bayern Abteilung 1 4. Bayerisches Zentrum für Angewandte EnergieSpeicher-Technologien ZAE-ST

3 Herausforderungen der Energiewende

4 installierte Leistung [GW] Kraftwerkspark in Deutschland Studien ,1 4,4 5,5-1, ,6 103 k.a. 30 5,2 8,8 0 36,5 42,8 5,2 10, , , ,9-40 Stand 2011 IWES (2010) VDE (2011) BMU (2011) SRU (2011) UBA (2010) Stand 2011 IWES (2010) VDE (2011) BMU (2011) SRU (2011) UBA (2010) Studie 34,8 5,2 10,4 10,5 73,2 33,1 85,9-32 4,5 33, ,2 23,3 6 Speicher konventionell Wasser Biomasse Geothermie Import Wind Offshore Wind Onshore PV Maximale Last (79,8 GW) Minimale Last (40 GW) 20, , EE-Anteil [%] 3

5 Überschussstrom [TWh] Überschusstrompotential in Deutschland Studien bis EE-Anteil [%] 20,3 EE installierte Leistung [GW] 66 Überschussstrom [TWh] ca. 0, Studien UBA (2010) SRU (2011) IWES (2010) VDE (2011) 78,5 53,3 EE-Anteil [%] EE installierte Leistung [GW] Quellen: Umweltbundesamt (Hrsg.): Energieziel 2050: 100% Strom aus erneuerbaren Quellen Sachverständigenrat für Umweltfragen (SRU) (Hrsg.): Wege zur 100 % erneuerbaren Stromversorgung. Berlin, Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) (Hrsg.): Energiewirtschaftliche Bewertung von Pumpspeicherwerken und anderen Speichern im zukünftigen Stromversorgungssystem Energietechnische Gesellschaft im VDE (ETG): Energiespeicher für die Energiewende

6 installierte Leistung [GW] Entwicklung der installierten Kraftwerksleistung in Bayern bis ,5 6,8 0,7 2,2 0,6 3,8 3 1,1 1,1 2,3 1,1 2,3 2 2,3 0 1,6 1 0,8 6,7 1,3 6,3 5,3 10,2 8,2 6,2 4,2 13,8 14,7 15,4 16,4 1,2 2,4 2,4 0 7 Pumpspeicher Sonstiges Wasser Biomasse/-gas Kernenergie Sonstige Fossil Gas Wind PV Maximale Last (12,7 GW) Minimale Last (5,5 GW) Quellen: Eigene Darstellung nach: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie: Bayerische Energieszenarien /2012 5

7 Großspeichertechnologien - Überblick Quellen: RWE Power Aktiengesellschaft ABB

8 Großspeichertechnologien Wirkungsgrad und Energiedichten Li-Batterie Li-Batterie Bleibatterie Pumpspeicher Pumpspeicher Skandinavien (inkl. Übertragungsverluste) Bleibatterie Wasser (Fallhöhe 300 m) ,7 0,8 mit Verlusten (Strom-->Strom) ohne Verluste Druckluftspeicher (adiabat) Druckluftspeicher (diabat) H2-Speicher Druckluft ( p=20 bar, p max =60 bar) H2 (200 bar) 2, SNG-Speicher SNG (200 bar) Wirkungsgrad [%] Energiedichte [kwh/m 3 ] Quellen: eigene Berechnungen Energietechnische Gesellschaft im VDE (ETG): Energiespeicher in Stromversorgungssystemen mit hohem Anteil erneuerbarer Energieträger Bedeutung, Stand der Technik, Handlungsbedarf

9 Großspeichertechnologien - Kosten Vollkosten* für Energie aus Langzeitspeichern (500 MW, 100 GWh, ~1,5 Zyklen pro Monat) Vollkosten* für Energie aus Kurzzeit speichern (1 GW, 8 GWh, 1 Zyklus / Tag) Wasserstoff Wasserstoff >10 Jahre heute >10 Jahre heute Druckluft (adiabatisch) >10 Jahre heute Druckluft (adiabatisch) >10 Jahre Pumpspeicher Abhängig vom Standort Pumpspeicher Abhängig vom Standort Vollkosten [ ct/kwh] Lithium-Ionen 10 Jahre heute Blei-Batterie 10Jahre heute Vollkosten [ ct/kwh] * Entstehende Kosten der Stromverlagerung unter Berücksichtigung von Lebensdauer, Wirkungsgrad, Betriebs- und Investitionskosten der Speichertechnologien (Stromkosten 4 ct, Kapitalk. 8%). Quelle: Energietechnische Gesellschaft im VDE (ETG): Energiespeicher in Stromversorgungssystemen mit hohem Anteil erneuerbarer Energieträger Bedeutung, Stand der Technik, Handlungsbedarf

10 Speicherpotential (inkl. Verlusten) in Deutschland Speicherbedarf TWh (VDE 2011) Speicher 2012: Pumpspeicher 0,04 TWh el Druckluft. 0,0004 Twh el SNG-Speicher 300 TWh el Druckluft 1 TWh el H2-Speicher 66 TWh el Quelle: UBA (2010) V [Mio. Nm 3 ] Geeignet für Kavernenspeicher H 2, SNG Druckluft (z.t.) Porenspeicher SNG

11 Zahlen und Fakten Speicher Durchschnittlicher Tagesstrombedarf in Deutschland: 1,65 TWh = GWh = MWh = kwh Speichervolumen aller deutschen Pumpspeicherkraftwerke 40 GWh = 0,04 TWh (Stand: 2010) Speichervolumen von 1 Million Elektrofahrzeuge theoretisch: 0,02 TWh, nutzbar: 0,003 TWh (20 kwh für ein Auto) Vorhandene Speicherkapazität für Deutschland (ca. 600 TWh Jahresstromverbrauch) Stromspeicher: Gasspeicher ohne Gasnetz: < 0,1 TWh el > 200 TWh th Quelle: Vortrag Energiewende in Bayern: Vorbild für die Welt oder volkswirtschaftliches Experiment, VBEW, Fischer,

12 Schlussfolgerungen Alle Optionen nutzen Photovoltaik: Dezentrale elektrochemische Tagesspeicher Windstrom: Wasserstoff oder SNG- Speicher Kosten entscheiden! Synergieeffekte mit bestehenden Infrastrukturen Quelle: Vortrag Energiewende in Bayern: Vorbild für die Welt oder volkswirtschaftliches Experiment, VBEW, Fischer,

13 Zentrum für angewandte Energieforschung ZAE Bayern

14 Bayerische Zentrum für Angewandte. Energieforschung e.v Der Bayerische Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v. wurde 1991 in Würzburg als gemeinnütziger Verein gegründet. Aufgaben: Forschung, Ausbildung, Beratung Themen: Energieeffizienz Erneuerbare Energien Dazu betreibt der Verein ein Institut mit insgesamt 180 Mittarbeitern an drei Standorten. Kurztitel 13 Veranstaltung / Datum

15 Das ZAE Bayern e.v. und seine Abteilungen Abteilung 1 Technik für Energiesysteme und Erneuerbare Energien Wissenschaftlicher Leiter: Prof. Dr.-Ing. Hartmut Spliethoff Abteilungsleiter: Dr. Andreas Hauer Abteilung 2 Funktionsmaterialien der Energietechnik Wissenschaftlicher Leiter: Prof. Dr. Vladimir Dyakonov Abteilungsleiter: Dr. Hans-Peter Ebert Abteilung 3 Thermosensorik und Photovoltaik Wissenschaftlicher Leiter: Prof. Dr. Christoph Brabec Abteilungsleiter: R. Auer Kurztitel Veranstaltung / Datum

16 ZAE BAYERN FORSCHUNGSTRATEGIE 4 Hauptforschungsthemen, 3 Querschnittsthemen 15

17 Abteilung 1: Technik für Energiesysteme und Erneuerbare Energien

18 Themen und Gruppenstruktur der Abteilung Energiespeicher Sensible Thermische Energiespeicher Latente Thermische Energiespeicher Thermochemische Thermische Energiespeicher Redox-Flow-Batterien Energieeffiziente Prozesse Wärmepumpen / Kältemaschinen Solarthermie Biomasse und Geothermie Energiespeicherforschung für: - Versorgungssysteme - Gebäude - Prozesse Mitarbeiter ca. 80 Erträge (2011) T Systemtechnische Modellierung Gebäudesimulation und Energiekonzepte 17

19 Energiespeicherung Sensible Wärmespeicher Warmwasserspeicher Langzeitspeicherung solarer Wärme (solare Nahwärmesysteme) Speicher mit Vakuum-Super-Isolation Schichtladesystem zur stabilen Temperaturschichtung im Speicher SWM 18

20 Solare Nahwärme in München 13 Gebäude 320 Wohnungen m² (GF th ) m² Kollektoren Fernwärme angetriebene AWP ZAE Bayern

21 Solare Nahwärme in München Warmwasserspeicher: Volumen 6000 m³ Temperaturdifferenz C Wirkungsgrad > 75 % 20

22 Energiespeicherung Sensible Wärmespeicher Thermische Energiespeicherung im Untergrund Erdsondenspeicher (Verfüllmaterialien von Bohrungen, Qualitätssicherung, Systemauslegung) Thermal Response Test (Experimentelle Untersuchung der thermischen Eigenschaften des Untergrunds) 21

23 Energiespeicherung Latente thermische Energiespeicher PEG Materialchrakterisierung (Schmelztemperatur, Schmelzenthalpie) Kristallisation (Untersuchung der Unterkühlung, Auslösen der Kristallisation) Formstabile PCM PEG + DI T < T PÜ PEG + DI T > T PÜ 22

24 Energiespeicherung Latente thermische Energiespeicher Speicherkomponenten /Speichersysteme mit Phase Change Materials (PCM) Unterstützung der thermischen Leistung (Grafitmatrix, Kapillarrohrmatten) Anwendungen: Gebäude, Industrie und Automobil 23

25 Solares Kühlen mit Latentwärmespeicher SOLARES KÜHLEN Absorptionswärmepumpe Absorptionswärmepumpe bzw. Kältemaschine bzw. Kältemaschine Entladen Latentwärmespeicher 15 C 18 C AKM Wärme- Absorptionswärmepumpe Speicher bzw. Kältemaschine 40 C 32 C 90 C 80 C Wärme- Speicher Heizkessel HT Speicher Wärme- Speicher Heiz kessel Heizkessel Heizkessel stem Heiz/Kühl System NT- Kühl-/Heizsystem Luftwärmetauscher 32 C Rückkühler PCM- Speicher Solarkollektoranlage Flach- kollektoren Luftwärmetauscher 32 C PCM Speicher Flächenbedarf vgl. Solarkollektoranlage mit Naßkühlturm Luftwärmetauscher Solarkollektoranlage 36 C PCM- Speicher + 6% PCM- Speicher Solar Kollektor Projektvorstellung 24 SolarCool +PCM

26 Solares Kühlen mit Latentwärmespeicher SOLARES KÜHLEN Absorptionswärmepumpe bzw. Kältemaschine Regenerieren Latentwärmespeicher Absorptionswärmepumpe bzw. Kältemaschine Wärme- Absorptionswärmepumpe Speicher bzw. Kältemaschine Wärme- Speicher Heizkessel Wärme- Speicher Heizkessel Heizkessel Luftwärmetauscher Luftwärmetauscher >26 C PCM- Speicher Rückkühler <20 C PCM- Speicher Luftwärmetauscher Solarkollektoranlage Solarkollektoranlage tem NT- Kühl-/Heizsystem PCM Speicher <24 C PCM- Speicher Solarkollektoranlage Projektvorstellung 25 SolarCool +PCM

27 Solares Kühlen mit Latentwärmespeicher Calciumchlorid Hexahydrat Schmelztemperatur ~ 28 C Schmelzenthalpie 150 kj/kg / 240 kj/l Speichermaterialkosten0,37 /kg ~ 14,3 Vergleich theoretisch ~ mit 9,5 Pufferspeicher real spez. Wärmekapazität 4,2 kj/(l K) Temperaturbereich DT = 5 K Sensible Volumen Wärmespeicherung 20,6 m 3 Masse Auslegung Latente Wärmespeicherung Speicherkapazität 120 kwh (10 Stunden, 50% AKM Abwärme) Volumen 1,44 m 3 Masse Volumenreduktion 2,16 t 20,5 t

28 Stabilität Energiespeicherung Thermo-chemische Energiespeicher Material (Charakterisierung, Stabilität) Stabilität der bei 240 C und 50 C Tp. gealterten Zeolithproben, bei Referenzadsorption mit rel. F. ca. 45 % (Lufttaupunkt 25,0 C und Lufttemperatur 38,7 C) 98% 93% 88% 83% 78% 73% 68% Zyklenzahl Mittelwert UOP 13X CWK 13X Zeochem 13X Zeochem 3A Zeochem 4A Mittelwert CWK 4ABF Abnahme der Wasserdampfbeladung mit der Zyklenzahl (2012) 27

29 Energiespeicherung Thermo-chemische Energiespeicher Sorptionsspeicher (Ad- und Absorption) Gebäudeklimatisierung mit Lithiumchlorid Mobiler Adsorptionsspeicher mit Zeolith Geschirrspüler mit adsorptiver Trocknung 28

30 Abwärmenutzung durch mobile Wärmespeicher Mobiler Adsorptionsspeicher mit Zeolith Abwärmequelle Verbraucher Mobiler Sorptionsspeicher (MobS)

31 Abwärmenutzung durch mobile Wärmespeicher Material: Speicherkapazität: Leistung: 14 t Zeolith max. 3 MWh max. 0,75 MW Ladestation: Müllverbrennung (Ladetemperatur: 140 C) Entladestation: Trocknungsprozess (Entladetemperatur: 170 C)

32 Energiespeicherung Elektrochemische Wandler und Speicher Aufbauend auf Brennstoffzellen-Know-How (Direkt- Carbon ) Redox-Flow-Batterien Optimierung der Elektroden 31

33 Zukünftige Entwicklung

34 Projekte zur Energiespeicherung: Bayerisches Zentrum für Angewandte EnergieSpeicher-Technologien ZAE-ST Smart Grid Solar

35 Projekt Smart Grid Solar Synergien bei der Bestimmung der Potenziale dezentraler Energiespeicher Optimierung von stationären Flow-Batterien Anpassung der Elektrolyse an fluktuierende Energiequellen mit dem Projekt ZAE-ST 34

36 Projekt Bayerisches Zentrum für Angewandte EnergieSpeicher-Technologien ZAE-ST Ziel ist es die bewährte Kompetenz des ZAE Bayerns für Energiespeichertechniken, weiter zu stärken und auszubauen, so dass Lösungen für alle relevanten Speicherprobleme zukünftiger Energiesysteme erarbeitet werden können. Elektrisch Chemisch Thermisch Speichertechnologien Anwendungsbereiche Steigerung der Energieeffizienz Integration Erneuerbarer Energien

37 Projekt ZAE ST - Struktur TUM TUM EES (Prof. Jossen) TUM TEC (Prof. Gasteiger) TUM LES (Prof. Spliethoff) etc. Kompetenzzentrum ZAE Bayern Energiespeicher Theoretische Grundlagen Material - forschung System - entwicklung Demonstration Produkt Industrie

38 Projekt ZAE ST - Inhalte I Systemanalyse Integration erneuerbarer Energien in die elektrischen Netze durch Energiespeicher Systemintegration von thermischen und thermochemischen Energiespeichern für Industrie- und Kraftwerksprozesse Bewertung von stationären Batteriekonzepten zur Steigerung des solaren Deckungsanteils Konzepte zur Umwandlung von Strom in synthetische Energieträger und Einbindung in Prozesse II Thermische Energiespeicher im Hochtemperaturbereich Untersuchung neuer Materialien (oder Stoffpaare) für latente oder thermochemische Speicherung thermischer Energie im Bereich über 400 C

39 Projekt ZAE ST - Ziele III Energieträger basierte elektro-chemische Speichersysteme Untersuchung und Entwicklung von Energieträgerbasierten elektrischen Energiespeichersystemen mit dem Schwerpunkt auf stationären Systemen Materialuntersuchungen an einzelnen Komponenten stationärer Flow-Batterien Entwicklung gut regelbarer Elektrolyseverfahren mit dem Ziel effizienter Einbindung von PV- und Windstrom

40 Garchinger ZAE-Erweiterungsbau (BA 3)

41 Garchinger ZAE-Erweiterungsbau (BA 3) Baubeginn Dezember 2010, Fertigstellung Februar 2012

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43 Flächen Erweiterungsbau (BA 3) BA 1 BA 2 Summe m²/person Büro 5, Labor 5, Lager 0, Besprecher 1, Verkehrsfläche 3, Sozialraum 0, Infrastruktur 0, m²/person Nettogeschoßfläche NGF 17,9 BA 1 BA 2 BA 3 Summe m²/person Büro 8, Labor 7, Lager 0, Besprecher 1, Verkehrsfläche 7, Sozialraum 1, Infrastruktur 1,7 Nettogeschoßfläche NGF 29, m²/person

44 Vorher

45 nachher

46 und es ging nicht immer Alles nach Plan!

47 Projekt ZAE ST - Infrastruktur Experimentierhalle (mit Seminarraum) Redox-Flow-Labor Wasserstoff-Labor mit Elektrolyse Experimentierhalle

48 Die neue Infrastruktur (BA 3, BA 4) und die neuen Projekte sind die Grundlage dafür, dass das ZAE seinen Beitrag zur Energiewende leisten wird.