Arbeitsgruppe 2: Speichertechnologien

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1 Bayerischer Energiedialog Arbeitsgruppe 2: Speichertechnologien 2. Sitzung am 5. Dezember 2014 Andreas Jossen Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik (EES) Karlstrasse 45, München, Technische Universität München Tel.:

2 Übersicht Heute und zukünftige Technologien Elektrochemischer Energiespeicher (ECES) Weltweite Installationen (DoE Datenbasis) Aufbau und Komponenten eines ECES Anwendungen elektrochemischer ECES im Netz Marktanalyse heute verfügbarer ECES Leistung, Energie, spezifische Kosten Kostenentwicklung Zusammenfassendes Fazit

3 Arten von Batterien gasförmige Reaktanten flüssige Reaktanten feste Reaktanten O 2 H 2 Na-S Redox -Flow Zink- Brom Blei Bat. Ni-MH H 2 O 2 - Bat. Technologien eher für große Speichersysteme geeignet NiCd. Li- Ionen Metall- Luft. Ni-H 2 Bat. Technologien eher für dezentrale Speicher geeignet Zn- Luft. Li- Luft. Batteriesysteme sind nicht vollständig

4 Weltweit installierte und geplante ECES Ohne Systeme in Privathäusern und USV Anlagen Installation: 559 Gesamtleistung: ca. 1,1 GW Gesamtenergie: ca. 3,0 GW Leistung Energie Quelle: Grafiken basiert auf Daten des Department of Energy

5 Bewag Bleibatterie-Anlage Die Anlage diente zur Stabilisierung des Berliner Stromnetzes vor MWh, 17 MW Leistung Sofortreserve und Frequenz Regelleistung Kosten (damals): ca. 400 /kwh Lebensdauer > 7000 mal Umsatz des Nennenergieinhaltes Wirtschaftlicher Betrieb ergab sich damals aus dem Inselbetrieb in Berlin.

6 Natrium-Schwefel Pilotanlage: Rokkasho, Japan Wind Park + NaS Batterie -Installierte Leistung des Wind Parks: 51 [MW] -Leistung NaS Batterie: 34 [MW] -Kapazität NaS Batterie: 238 [MWh] -Lebensdauer (erwartet): bis 15 Jahren (300 Zyklen pro Jahr)

7 Redox-Flow Batterie Bei der Redox Flow Batterie liegen alle Reaktionsproduke und die Reaktanten in flüssiger Form vor. Die Speicherung erfolgt in Tanks. Am bekanntesten ist das All-Vanadium System: Funktionsprinzip V 3+ V 4+ V 2+ /V 3+ tank V 2+ V 5+ V 5+ /V 4+ Entladung tank Redox-Flow Batterien ermöglichen die unabhängige Auslegung von Leistung (Stackgröße) und Energie Tankgröße+Elektrolytmenge) kw / kwh Bereich MWh Bereich Quelle: ZSW Ulm

8 Li-Ionen Batterien Energie: 5 MWh Leistung: 5 MW Lebensdauer: 20 Jahre Hersteller (System): Younicos Hersteller (Zellen): Samsung Betreiber: WEMAG Inbetriebnahme:

9 Anwendungsmöglichkeiten der Energiespeicher Preisarbitrage Ladung der Batterie zu Niedrigtarifzeiten, Entladung zu Hochtarifzeiten Industrielle Lastspitzenvermeidung Vermeidung von Lastspitzenbedingten hohen Leistungspreisen Schwarzstartenergie/Notstrom Energie für den Start von Notkraftwerken und Notstromgeneratoren - Regelleistung Dynamische Regelung der Netzgrößen (Frequenz, Spannung) Netzausbauvermeidung/-verzögerung Geringere Netzanbindung durch Bedienung von Lastspitzen aus Speichern Speicher für Privathaushalte/Genossenschaftliche Energiespeicher Ladung der Batterie zu Niedrigtarifzeiten, Entladung zu Hochtarifzeiten Inselnetzbetrieb Autarke Stromversorgung in Kombination mit Erneuerbaren Energien Quelle: EEBatt Projektpräsentation Simon Müller

10 Einsatz von ECES im el. Netz Durch PV-Anlagen dreht sich der Lastfluss um Vom Haushalt in höhere Spannungsebenen Einflüsse auf das Netz Veränderte Belastung der Betriebsmittel Spannungsanhebung Spannungsschwankung Elektrochemische Speicher Nahezu beliebig skalierbar Hoch modular aufbaubar In jeder Netzebene einsetzbar Emissions- und geräuschfrei 20/10 kv 0,4 kv 110 kv 380 kv 10 kwh >1000 kwh 100 kwh Quelle: Grafiken basiert auf Daten des Department of Energy

11 Beispiel für zwei Gemeinden in Oberbayern Rainbach: ca. 340 kw PV-Leistung 315 kva Trafoleistung ca. 30 Haushalte Ideale Speichergröße 138,970 kwh Moosham: ca. 310 kw PV-Leistung 250 kva Trafoleistung ca. 40 Haushalte Ideale Speichergröße 161,290 kwh 11 Quelle: EEBatt Interner Projektbericht; Berechnung M.Müller

12 Einsatz eines Ortsnetzspeichers 12 Quelle: EEBatt Interner Projektbericht; Berechnung M.Müller

13 Betriesmodus eines Ortsnetzspeichers Kombination von Anwendungsmöglichkeiten Leistung in kw Leistung in kw Leistung in kw Residuallast Speicherleistung Netzlast Zeit in h 0-2 Einspeiselimit -4 Residuallast Speicherleistung Netzlast Zeit in h 0-2 Einspeiselimit -4 Residuallast Speicherleistung Netzlast Zeit in h Quelle: EEBatt Statusseminar TP 8 Alexander Zeh reine Eigenverbrauchserhöhung Speicher um ca. 09:00 Uhr voll! reine Netzentlastung Speicherfüllstand nur 80 % bei Tagesende! Eigenverbrauchserhöhung und Netzentlastung Speicherfüllstand 100 % bei Tagesende! Wetter- und Lastprognose notwendig! 13

14 Nutzen eines Speichers im Ortsnetz Zusammengefasste Ergebnisse einer Simulationsrechnung bei Einsatz eines Batteriespeichers im Ortsnetz mit 150 kwh Kapazität: Autarkiegrad Moosham 34,5 % 43,0 % - Steigerung des Eigenverbrauchs der einzelnen PV Anlagen Trafobelastung Moosham 98,5 % 58,0 % - Vermeidung Netzausbau - Installation weiterer PV Anlagen möglich Spannung Netzstrahl 105 % 102,0 % - Verbesserung der Netzqualität - Vermeidung Netzausbau Bereitstellung Primärregelleistung ca. 23 kw Regelleistung in den Wintermonaten - Zusätzlicher Ertrag von ca /Jahr möglich Trafobelastung Mittelspannungsnetz Im Verbund mehrerer Ortsnetzspeicher ergibt sich eine Entlastung auf Mittelspannungsebene. - Im Verbund Vermeidung des Netzausbaus auf Mittelspannungsebene (z.b. Trafo)

15 Speichergrößen Heute verfügbare Systeme (Li-Ionen, Blei, NiCd) Quelle: TUM, EEBatt

16 Spezifische Investitionskosten (Q4 2014) Heute verfügbare Systeme (Li-Ionen, Blei, NiCd) Heutige Komponentenkosten (TUM EN System) Quelle: TUM EEBatt

17 Heutige spezifische Speicherkosten (Q4 2014) Kosten bezogen auf die zwischengespeicherte Energie, ohne Berücksichtigung des Wirkungsgrades unter Annahme der nutzbaren Energie und der erzielbaren Lebensdauer (Herstellerangabe) Blei und Li-Ionen Systeme Ca /kwh Invest bei 5000 bis 7000 Zyklen Quelle: TUM EEBatt

18 TUM Speichersystem mit 150 (200) kwh Aufbau eines stationären ECES Kernbestandteile: - Zellen Module Racks - Leistungselektronik (bis ca.20% d. Kosten) - Eventuell Kühlung - Rack bei Hausspeicher Container (bei Ortsnetzspeicher) Gebäude bei MS/HS-Speicher

19 Wirkungsgrad eines el.ch. Speichers Umwandlungswirkungsgrad Speicherverluste Umwandlungswirkungsgrad Elektrische Energie (ac) Elektrische Energie (ac) Stromrichter =95 > 99 % Li-Ionen Batterie = % Typische Werte: Bleibatterie (ac to ac) % Li-Ionen Batterie (ac to ac) % Redox Flow Batterie (ac to ac) ca.75 % Wechselrichter =95 > 99 % Wirkungsgrad einer Li-Ionen Zelle Betriebskosten: Bleibatterien: typabhängige Wartung erforderlich Li-Ionen: 100 % wartungsfrei Redox Flow Batterie Ev. Regeneration des Elektrolyten erforderlich Geschwindigkeit / Anfahren und Abfahren: Quasi nur durch die Regelgeschwindigkeit der Leistungselektronik begrenzt (ms Bereich).

20 Masse und Volumen und Kosten Masse und Volumen: Li-Ionen spez. Energie e m = 120 Wh/kg (LFP Zelle) 80 Wh/kg Rack Energiedichte e V = 300 Wh/l (LFP Zelle) 150 Wh/l Rack Container(6*2*2m 3 ) dicht gepackt: 50 Wh/l 1 MWh Kosten (EV Zellen Pack bei 100k Packs pro Jahr) (1): Stationäre Systeme sind heute teurer, da noch keine großen Stückzahlen erreicht sind. Kosten von Wechselrichtern (automotive) aus unterschiedlichen Studien bei 100 kw: 5-15 /kw (2) Kosten in von unter 300 (System) sind bis 2023 realistisch. Zusätzlich 50% höhere Lebensdauer durch Betriebsstrategie und tech. Weiterentwicklung Faktor 6 ca. 4 ct/ kwh Quellen: (1) Christophe PILLOT, AVICENNE ENERGY, AABC, Februar 2014,USA (2) Dissertation Bernd. Propfe, 2015

21 Zusammenfassende Betrachtung Es gibt zahlreiche Speichertechnologien. Insbesondere Li-Ionen Systeme bieten die höchste Skalierbarkeit, die höchste Zyklenfestigkeit und die besten Wirkungsgrade. Der Einsatz verteilter Speicher im Niederspannungsnetz ist aus heutiger Sicht die effektivste Stelle zur Integration von Speichern. Diese wirken sich auch auf den Netzausbau in höheren Ebenen aus. Eine Datenvernetzung der Speicher ist notwendig, um an allen Märkten teilzunehmen. Heutige Kosten liegen bei etwa 1200 /kwh. Im Fahrzeugbereich gibt es schon deutlich niedrigere Kosten. Hier werden bis 2020 etwa 200 /kwh erwartet. Stationäre Speicher werden bei entsprechenden Stückzahlen bei etwa 300 /kwh liegen. Bei heutigen Lebensdauern von 6000 Zyklen ergeben sich spezifische Speicherkosten von heute 20 ct/kwh, zukünftig bei nur noch 5 ct/kwh. Eine weitere Lebensdauersteigerung ist durch geeignete Betriebsstrategien und technologische Weiterentwicklung möglich.