Ingo Stadler. Dezentrale Stromerzeugung, Dezentrale Energiespeicherung, Virtuelle Kraftwerke. Institut für Elektrische Energietechnik

Transkript

1 Dezentrale Stromerzeugung, Dezentrale Energiespeicherung, Virtuelle Kraftwerke Ingo Stadler

2 Inhalt Oft gehörte Vorurteile: Wir brauchen Grundlast und das können Erneuerbare nicht wir brauchen keine Grundlast! Erneuerbare brauchen Energiespeicher, das ist deren Nachteil Stimmt. Aber herkömmliche Kraftwerke benötigen auch Energiespeicher! Windund Atomkraftwerke sind fast dasselbe! oder ist die Stromversorgung ein Knochen? Bei Lastmanagement kann man nur bei Starkwind fernsehen Lastmanagement beeinflusst das Nutzerverhalten nicht! Wir benötigen keine dezentrale, kleine Technologien, wenn wir bald Strom aus Nordafrika haben ob das jemals passiert oder nicht, dezentral brauchen wir in jedem Fall! Source: ISET

3 Inhalt Konsequenz: Es gibt nicht echte und virtuelle Kraftwerke Es gibt zentrale und dezentral angeordnete Kraftwerke und es gibt große und kleine Kraftwerke Dezentrale Technologien (Erzeugung, Speicherung, smarte Netze) unnötig, wenn wir Solarstrom in Afrika produzieren? Source: ISET

4 Wir brauchen KEINE Grundlastkraftwerke wir brauchen nur rund um die Uhr Strom Wir brauchen Grundlast! Exkurs: Mathematik, 5. Schuljahr Das Kommutativgesetz 1 x 24 = 24

5 Wir brauchen KEINE Grundlastkraftwerke wir brauchen nur rund um die Uhr Strom Wir brauchen Grundlast! Exkurs: Mathematik, 5. Schuljahr Das Kommutativgesetz 1 x 24 = x 1 =?

6 Motivation: Windparks in Deutschland Alle Technologien für den Wechsel zu einer nachhaltigen Energieversorgung existieren bereits! Wie werden diese alle zu einem funktionierenden System in die Netze integriert? Was, wenn der Wind nicht weht? Was, wenn der Wind zu stark weht? Was sind die zu beantwortenden Fragen? Source: ISET

7 Zu beantwortende Fragen Regelleistung Primärregelleistung Sekundärregelleistung Reaktion auf Abweichungen zwischen prognostizierter und tatsächlicher Windleistung Energieausgleich zwischen Zeiten hoher und niedriger Windeinspeisung Die Antworten darauf haben viel mit Energiespeicherung zu tun! Source: ISET

8 Erzeugung Institut für Elektrische Unser Stromversorgungssystem ein Knochen Kohleförderung Naturgasförderung Entschwefelung, CO 2 -Abtrennung Kohlelagerung Kohletransport Kohlehalde Pumpspeicher Erdgasnetz Raffinerie Erdgasspeicher Ölspeicher Erdölpipelines, Erdöltanker Ich habe Inkontinenz. Und das bei Jahren Halbwertszeit. Das zieht sich. Übertragung, Verteilung Verbrauch Erdölförderung Brennelementlagerung Lagerung Brennelementfertigung Uranerz Uran-235 Urananreicherung Quelle: stunksitzung.de

9 Der Energieknochen Heute Druckluftspeicher Verbrauch

10 Druckluftspeicherkraftwerke Alternative zu Pumpspeicherkraftwerken Keine neue Erfindung: Huntorf späte 70er, 290 MW, 2 h

11 Der Energieknochen Heute Druckluftspeicher Verbrauch Batterien Wasserstoffspeicher Schwungradspeicher Kondensatoren Spulen

12 Erzeugung Institut für Elektrische Der Energieknochen Morgen

13 Erzeugung Institut für Elektrische Unser Stromversorgungssystem ein Knochen Kohleförderung Kohlelagerung Kohletransport Pumpspeicher Naturgasförderung Entschwefelung, CO 2 -Abtrennung Erdgasnetz Kohlehalde Druckluftspeicher Speicherheizungen Raffinerie Erdgasspeicher Erdölpipelines, Erdöltanker Erdölförderung Lagerung Ölspeicher Brennelementlagerung Brennelementfertigung Uranerz Uran-235 Urananreicherung Übertragung, Verteilung Batterien Wasserstoffspeicher Schwungradspeicher Kondensatoren Spulen Verbrauch

14 Entwicklung des Tageslastprofil in Deutschland

20 Erzeugung Institut für Elektrische Unser Stromversorgungssystem ein Knochen Kohleförderung Kohlelagerung Kohletransport Pumpspeicher Kälteanwendungen Naturgasförderung Entschwefelung, CO 2 -Abtrennung Erdgasnetz Kohlehalde Druckluftspeicher Wärmeanwendungen Speicherheizungen Raffinerie Erdgasspeicher Erdölpipelines, Erdöltanker Erdölförderung Lagerung Ölspeicher Brennelementlagerung Brennelementfertigung Uranerz Uran-235 Urananreicherung Übertragung, Verteilung Batterien Wasserstoffspeicher Schwungradspeicher Kondensatoren Spulen Verbrauch

21 Energiebedarf zur Kühlung in Haushalten

22 Kühlschrank

23 Einfluss der Umgebungstemperatur auf den Transmissionswärmestrom von Kühlschränken (DIN EN 153)

24 Lebensmittelerzeugung Friweika, Sachsen

25 Andere Kühlschranktechnologie Kühlschränke mit einer Autonomie von drei bis sieben Tagen

26 Eisspeicher In Eisspeichern kann Kälte über längere Zeit gespeichert und bevorratet werden Temperaturdifferenzen zur Umgebung und Speicherverluste sind gering Durch die Ausnutzung des Phasenwechsels können große Energiemengen bei kleinen Temperaturdifferenzen gespeichert werden

27 Erzeugung Institut für Elektrische Unser Stromversorgungssystem ein Knochen Kohleförderung Kohlelagerung Kohletransport Pumpspeicher Kälteanwendungen Naturgasförderung Entschwefelung, CO 2 -Abtrennung Erdgasnetz Kohlehalde Druckluftspeicher Wärmeanwendungen Speicherheizungen Raffinerie Erdgasspeicher Ölspeicher Übertragung, Verteilung Verbrauch Umwälzpumpen Lüftungsanlagen Erdölpipelines, Erdöltanker Batterien Erdölförderung Lagerung Brennelementlagerung Brennelementfertigung Uranerz Uran-235 Urananreicherung Wasserstoffspeicher Schwungradspeicher Kondensatoren Spulen

28 Warmwasserheizungen? Öl Gas Fernwärme aber Strom?

29 Warmwasserheizungen Umwälzpumpen Öl Gas Fernwärme aber Strom? Jährlicher Energiebedarf in Deutschland: 15 TWh (3,5%)

30 Built Environment as Electricity Storage, Heating der Mann trägt eine Batterie

31 Temperaturverlauf nach Ausschalten der Heizung

32 Erzeugung Institut für Elektrische Unser Stromversorgungssystem ein Knochen Kohleförderung Kohlelagerung Kohletransport Pumpspeicher Kälteanwendungen Naturgasförderung Entschwefelung, CO 2 -Abtrennung Erdgasnetz Kohlehalde Druckluftspeicher Wärmeanwendungen Speicherheizungen Raffinerie Erdgasspeicher Ölspeicher Übertragung, Verteilung Verbrauch Umwälzpumpen Lüftungsanlagen Erdölpipelines, Erdöltanker Batterien Druckluft i. d. Industrie Erdölförderung Lagerung Brennelementlagerung Brennelementfertigung Uranerz Uran-235 Urananreicherung Wasserstoffspeicher Schwungradspeicher Kondensatoren Spulen

33 Erzeugung Institut für Elektrische Unser Stromversorgungssystem ein Knochen Kohleförderung Kohlelagerung Kohletransport Pumpspeicher Kälteanwendungen Naturgasförderung Entschwefelung, CO 2 -Abtrennung Erdgasnetz Kohlehalde Druckluftspeicher Wärmeanwendungen Speicherheizungen Raffinerie Erdgasspeicher Ölspeicher Übertragung, Verteilung Verbrauch Umwälzpumpen Lüftungsanlagen Erdölpipelines, Erdöltanker Batterien Druckluft i. d. Industrie Erdölförderung Lagerung Brennelementlagerung Brennelementfertigung Uranerz Uran-235 Urananreicherung Wasserstoffspeicher Schwungradspeicher Kondensatoren Spulen KWK mit Wärmespeicherung Wärmepumpen mit Wärmespeicherung

34 KWK in Dänemark

35 Kraft-Wärme-Kopplung in Europa

36 Forschungsprojekt mit Greenpeace Energy 36

37 Projektpartner

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40 Sorry, aber es weht gerade kein Wind!

42 Smart Metering Source: DVGW bring die Kommunikationsinfrastruktur zu jedem Haushalt (und jedem Industriegebäude) Grid operator Metering service

43 Smart Metering - Services Source: Ubitronix was wiederum die Voraussetzung für zusätzliche Dienstleistungen wie Nutzer- Feedback und Systemdienstleistungen ist.

44 Mögliche positive Regelleistung durch Veränderung des Nutzerverhaltens

45 Smart Metering Services mit In-House Kommunikation: automatisiertes Lastmanagement mit In-House Kommunikation und Lastprofilerkennung: Beeinflussung von Produktionsprozessen zur Lastprofilsoptimierung hier: Spritzgussmaschinen Source: google Source: IGUS, Cologne

46 Positive Control Power [GW] Positive Regelleistung [GW] Institut für Elektrische Potential von Demand Response nur in Deutschland Positive Regelleistung aller nichtelektrischen Speicher: 30 zu jeder Jahreszeit mehr als 23 GW im 25 Zeitbereich von Primär- und Sekundärregelleistung 20 im kompletten UCTE-Netz Time Zeit [h] werden 3 GW Primärregelleistung benötigt gute Ausgleichsmöglichkeiten im Bereich bis 36 Stunden Für den längeren Ausgleich werden Ambient Außentemperatur Temperature [ C] andere Speicher benötigt.

47 Rolle der Elektromobilität?

48 Plug in Hybrid Hybrid Electrical Vehicle (HEV) Speicherkapazität ca. 1 kwh, maximale Treibstoffreduktion: 20% Plug-in Hybrid Electrical Vehicle (PHEV) Speicherkapazität 5-10 kwh, el. Reichweite km, Fahren ohne Strom möglich Electrical Vehicle (EV) Speicherkapazität kwh, Reichweite km Quelle: D. U. Sauer Alternativen? Öl, Biokraftstoffe, Wasserstoff ( 25-35%)

49 Plug in Hybrid

50 Plug in Hybrid Quelle: D. U. Sauer

51 Neuer Begriff: Residuale Last

52 Leistungs- und Energiebedarf entsprechend der Leitstudie des BMU, 2009 Grundlastbedarf sinkt dramatisch Spitzenlastbedarf steigt stark an Konsequenzen für den Kraftwerkspark

53 Leistungs- und Energiebedarf entsprechend der Leitstudie des BMU, 2009

54 Brückentechnologie Kernkraft

55 Time horizon of required storage capacity Kurzzeitspeicher Demand Response & Smart Metering Elektromobilität Pumpspeicherkraftwerke Druckluftspeicher Langzeitspeicherung Wasserstoff? Erneuerbares Erdgas?

56 Große Speichervolumina in unterirdischen Salzkavernen Kohlendioxid Methan Druckluft Wasserstoff Biogas Erneuerbares Erdgas

57 Wasserstoffspeicherung extrem schlechte Effizienz Source: Ulf Bossel

58 Wasserstoffspeicherung aber exzelente Energiedichte Source: Kleimaier

59 Erneuerbares Erdgas (Source: M. Sterner, IRES 2009)

60 Erneuerbares Erdgas (Source: M. Sterner, IRES 2009) Effizienz ist noch schlechter als bei der Wasserstoffspeicherung, aber: wenn dezentral abgewendet, kann Verlustwärme genutzt werden vor allem: existierende Erdgas-Infrastruktur kann weiter verwendet werden!!!

61 Möglichkeiten 100%-Erneuerbare-Energieversorgung zu erreichen

67 Brauchen wir dezentrale Technologien und Smarte Netzte? wenn wir große kontinentübergreifende Netze haben sollten? Source: DLR

68 Windenergie in unterschiedlichen Regionen Source: Gregor Czisch

69 Windenergie in unterschiedlichen Regionen Source: Gregor Czisch

70 Potenzial in Speicher- und Pumpspeicherkraftwerken Source: Gregor Czisch

71 Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ)

72 Weltweite HGÜ-Verbindungen Spannungsniveau < 500 kv Nur Punkt-zu-Punkt- Verbindungen

73 Kritik am DESERTEC - Konzept Seekabel für Höchstspannungen von 800 kv existieren noch nicht und deren Entwicklung zeichnet sich noch nicht ab Größte Installationstiefe in Meerwasser ist bislang 1000 m. Für größere Tiefen existieren noch keine Erfahrungen. Höchste Übertragungsleistung pro Kabel ist derzeit 1000 MW. Für höhere Leistungen müssten viele Kabel parallel verlegt werden. Source: DLR

74 DESERTEC s erste Übertragungsleitungen? Deutscher Bevölkerung einfach zu verkaufen aber vielleicht schwieriger in Spanien und Frankreich? Source: DLR

75 Kritik Mulitterminal Lösungen Umrichterstationen für Spannungen von 800 kv und Leistungen von 6000 MW sind derzeit in Planung. Es existiert noch keine Betriebserfahrung. Leitungen über mehrere 1000 km wurden bislang nicht realisiert. Betriebserfahrung existiert bislang nicht. Verschiedene Klimabedingungen und Schmutz können zu Langzeitproblemen führen. Multi-Terminal-HGÜ-Systeme wurden bislang erst einmal realisiert. Mit seinen drei Konverterstationen ist dieses weit von einem HGÜ-Netz entfernt. Auch wenn es keine grundsätzlichen Realisierungsprobleme geben sollte, besteht ein großer Bedarf an Entwicklung, Test und Pilotprojekten.

76 Macht aus Europa kein Italien aus dem Jahr 2003! Lehren vom Italien Blackout 2003 Hoher Anteil von Stromimport (ca. 7 GW) Spannungszusammenbruch und Trennung vom europäischen Netz Weitere Kraftwerke wurden abgeschaltet Letztendlich brach die Stromversorgung durch einen Mangel an Erzeugungskapazität zusammen.

77 Kritik - Versorgungssicherheit Lehren vom Black-out 2006 Die geplante Schaltung einer Hochspannungsleitung in Deutschland führte zur Überlast in anderen Leitungen Letztendlich wurde Europa in drei nicht-synchrone Netze aufgespaltet Das westliche Teilnetz ist z.b. deswegen nicht zusammengebrochen, weil es durch eine Kombination aus Lastabwurf und Aktivierung ausreichender Reservekapazität stabilisiert werden konnte. Große Bedeutung von ausreichend dezentraler Erzeugungskapazität!

78 Kritik Dampfkraftwerke in der Wüste Dampfkraftwerke benötigen viel Wasser für die Kondensatoren Wasser ist in Wüsten äußerst knapp Alternativ können Trockenkühltürme gebaut werden Diese resultieren jedoch in höheren Kosten und aufgrund der Klimabedingungen in geringeren Wirkungsgraden

79 Möglichkeiten 100%-Erneuerbare-Energieversorgung zu erreichen Leitungen Sind nicht teuer!

80 Zusammenfassung Energiespeicherung ist in allen Arten der Energieversorgung notwendig natürlich auch aber nicht nur bei erneuerbaren Energien Es gibt viele Möglichkeiten und Kapazitäten (mehr als nötig) fürden Kurzzeitausgleich: Lastmanagement Batterien in Elektrofahrzeugen Pumpspeicherkraftwerke Druckluft Solarthermische Kraftwerke mit Wärmespeicherung Für den Langzeitausgleich fallen wegen der geringen Energiedichte und der geringen Kapazitäten fast alle Technologien weg. Deshalb trotz schlechter Effizienz ist vielleicht die einzige Lösung: Wasserstoffspeicherung, oder Dazu verwandte Prozesse wie erneuerbares Erdgas

81 Zusammenfassung (die meisten) erneuerbaren Energien können keine Grundlast und das ist kein Nachteil. Dezentrale Stromproduktion und/oder Energiespeicherung ist auf jeden Fall der Schlüssel in die Energiezukunft egal ob mir Wüstenstrom oder ohne

82 Für lebendigere Netze!