Speichertechnologien. Klassifizierung, Herausforderungen, Potentiale Julia Badeda (ISEA)

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1 Institute for Power Electronics and Electrical Drives (ISEA) Electrochemical Energy Conversion and Storage Systems Group Institute for Power Generation and Storage Systems (PGS), E.ON ERC Jülich Aachen Research Alliance, JARA-Energy Speichertechnologien Klassifizierung, Herausforderungen, Potentiale Julia Badeda (ISEA) 1

2 Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe Univ.-Prof. Dr. ir. Dr. h. c. Rik De Doncker Leistungselektronik Elektrische Antriebe Bauelemente Schaltnetzteile Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dirk Uwe Sauer Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik 4 Oberingenieure 1 Honorarprofessor, 3 Lehrbeauftragte 69 wissenschaftliche Mitarbeiter ca. 70 studentische Hilfskräfte ca. 35 Bachelor und Masterarbeiter pro Jahr 23 nichtwissenschaftliche Mitarbeiter 9 Auszubildende Student projects Jägerstr Scientific Aachen staff post@isea.rwth-aachen.de Tel:

3 Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik Energie- und Batteriemanagementsysteme Thermische und elektrische Modelle Elektr. Speichersysteme Lebensdauerprognose Ladeverfahren und Refresh von Batterien Impedanzspektroskopie Vermessung und Alterungstests Fahrzeug-Bordnetze Hybrid, Plug-in und Elektro-Fahrzeuge Netzferne Stromversorgung Netze mit regenerativen Energien Unterbrechungsfreie Stromversorgung Chemische und physikalische Analyse Sensoren und Messtechnik Batteriepackbau Blei, Li-Ionen, NiMH, NiCd, Supercaps, Brennstoffzellen, Redox-flow, u.a 3

4 Motivation Fluktuierende Energie Stationäre Speicher 4

5 Motivation Power-to-Heat Netzausbau Demand Side Management (Industrie) Stromgeführte KWK-Anlagen Speichertechnologien sind ein Element im Portfolio der Flexibilitätstechnologien. Abschaltung von EE-Anlagen Power-to-Gas (Chemicals) Intelligente Netze Julia Badeda (ISEA) Flexible konventionelle Kraftwerke Bedarfsgesteuerte Biogasanlagen Demand Side Management (Haushalte inkl. Elektromobilität) 5

6 Stromerzeugungsmix in Deutschland GW 31 GW 6

7 Klassifizierung der Speicheranwendungen Klassifizierung bzgl. Speicherzeitkonstanten Kurzzeitspeicher bis etwa 15 min Tagesspeicher ca. 1 bis 5 Stunden Langzeitspeicher Tage bis Wochen Klassifizierung bzgl. Aufstellungsort und -zweck Zentrale Speichersysteme im Übertragungsnetz Modulare Speichersysteme im Verteilnetz Modulare Speichersysteme mit Doppelnutzen im Verteilnetz 7

8 Speicherbedarf für Deutschland bei 100% erneuerbare Energien Kurzzeitspeicher GW 2 4 Stunden Energie Langzeitspeicher GW (Ausspeicherung) Bis maximal 3 Wochen (ca TWh) Grobe Abschätzungen, dienen nur der ungefähren Einschätzung des Bedarfs Julia Badeda (ISEA) 8

9 Technologien für elektrische Energiespeicher Wasserstoff Redox-Flow Batterien Supraleitende Spulen Elektromobilität Pumpspeicher Eigenverbrauch in PV-Anlagen Schwungrad Supercapacitors Doppelschichtkondensatoren Batterien - Blei, Lithium, NaNiCl,... Julia Badeda (ISEA) Druckluft 9

10 Netzstruktur und begrenzte Übertragungsleistung Stromerzeugung Wind Photovoltaik 220 / 380 kv 110 kv 10/20 kv 400 V ~ 1 kw pro Haushalt ~ 4 6 kw pro Haushalt Speichertechnologien Pumpspeicher Druckluft Wasserstoff DSM power to H 2 / CH 4 DSM Batterien power to H 2 / CH 4 DSM (demand side management) Elektrofahrzeuge Batterien 10

11 Klassifizierung der Speicheranwendungen ist notwendig Elektr. Speichertechnologien nur als Beispiele Kurzzeitspeicher Tagesspeicher Langzeitspeicher bis 15 min 1 5 Stunden Tage bis Wochen Zentrale Speichersysteme Modulare Speichersysteme 100 MW 1 GW 1 kw 100 MW Pumpspeicher Gasspeicher Batteriespeicher Redox-flow-Batt. Modulare Speicher mit Doppelnutzen 1 kw 1 MW Elektromobilität Eigenverbrauch in PV-Anlagen. 11

12 Systemkosten günstigster Anbieter Container mit 1 MWh / 1 MW mit Lithium-Ionen-Batterie für 600 /kw (ohne MS-Trafo und Anschlusskosten, andere Anbieten bis 2000 /kw) è /kw mit 4 MWh / 1 MW Planungs- und Errichtungsdauer < 6 Monate 2,4m Achtung: Lebensdauer der Batterie nicht von uns verifiziert! Preis anderer Anbieter liegt derzeit noch mehr als dreimal so hoch 6,1 m 12

13 Beispiel für Größe von Batteriespeichern Modernste Klasse von Containerschiffen haben Platz für rund Container (Grundfläche rund 400 m x 56 m) 13

14 Beispiel für Größe von Batteriespeichern Modernste Klasse von Containerschiffen haben Platz für rund Container (Grundfläche rund 400 m x 56 m) Gefüllt mit Batteriecontainern entspricht dies einer Kapazität von 15 GWh / 15 GW (alle deutschen PSK haben zusammen 40 GWh / 6 GW) Energie 14

15 Beispiel für Größe von Batteriespeichern Modernste Klasse von Containerschiffen haben Platz für rund Container (Grundfläche rund 400 m x 56 m) Gefüllt mit Batteriecontainern entspricht dies einer Kapazität von 15 GWh / 15 GW (alle deutschen PSK haben zusammen 40 GWh / 6 GW) Leistung 15

16 Beispiel für Größe von Wasserstoffspeichern Heute vorhandene Kavernenspeicherkapazität in Deutschland für Erdgas: ca. 20 Mrd. m 3 Mit Wasserstoff gefüllt kann daraus 3 Wochen Strom für Deutschland produziert werden, mit Methan dreimal so viel (Rückverstromung mit 60% Wirkungsgrad über GuD-Kraftwerke oder Brennstoffzellen) 16

17 Fazit Probleme der Energiespeicherung sind nicht fehlende Technologien oder verfügbarer Platz sondern die Wirtschaftlichkeit! Primäres Ziel sind nicht neue Speichertechnologien, sondern Technologien mit geringeren Lebenszykluskosten Rahmenbedingungen und Märkte, die den Speichern ihren vollständigen Systemnutzen vergüten 17

18 Institute for Power Electronics and Electrical Drives (ISEA) Electrochemical Energy Conversion and Storage Systems Group Institute for Power Generation and Storage Systems (PGS), E.ON ERC Jülich Aachen Research Alliance, JARA-Energy Speichertechnologien Klassifizierung, Herausforderungen, Potentiale Julia Badeda (ISEA) 18

19 Kapazitätsbezogene Investkosten steigen für dezentrale Speicher, aber auch deren Nutzen Zentralspeicher Regionalspeicher Lokalspeicher Energiehandel, Ausgleich Angebot und Nachfrage Reserveleistungen, Blindleistung... Spitzenlastmanagement Netzentlastung... Eigennutzung von EE USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) (unvollständige Liste)... 19

20 Gebraucht werden Speicher & Netze Im Gegensatz zum Gasnetz ist das elektrische Netz kein Speicher. Für elektrische Netze gilt: Netze ermöglichen eine Verschiebung von Leistung im Raum. Speichersysteme ermöglichen eine Verschiebung von Energie in der Zeit. Netze und Speicher ergänzen einander und können sich gegenseitig nie vollständig ersetzen. 20

21 Lebenszykluskosten sind entscheidend Energie [kwh] Kosten pro installierte Kapazität [ /kwh] Stromkosten [ ct/kwh] Kosten Umrichter [ /kw] Wartung & Leistung [kw] Speicherkosten für Energiedurchsatz [ ct/kwh] Annuitätenmeth. Reparatur [%/Jahr] Kapitalkosten [%] Wirkungsgrad [%] Selbstentladung [%/d] Zyklen [#/Tag] max. Entladetiefe (DOD) [%] Systemlebensdaue [Jahre] Zyklenlebensdauer bei DOD [#] 21

22 Lebenszykluskosten entscheidend: Großspeicher ( täglich, Pumpspeicher ) > 10 Jahre heute heute 1 GW 8 GWh 1 Zyklus pro Tag Zins 8% Stromkosten 4ct > 10 Jahre abhängig vom Standort Quelle: ENERGY STORAGE FOR IMPROVED OPERATION OF FUTURE ENERGY SUPPLY SYSTEMS, M. Kleimaier, et.al., CIGRE

23 Lebenszykluskosten entscheidend: Speicher im MS-Netz ( Batterie ) 5 bis 10 Jahre heute 10 MW 40 MWh 2 Zyklen pro Tag Zins 8%, Stromkosten 4ct Quelle: ENERGY STORAGE FOR IMPROVED OPERATION OF FUTURE ENERGY SUPPLY SYSTEMS, M. Kleimaier, et.al., CIGRE