Speichertechnologien in der Stromversorgung von heute und morgen. Prof. Dr. Nicola Schulz, FHNW

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1 Speichertechnologien in der Stromversorgung von heute und morgen Prof. Dr. Nicola Schulz, FHNW

2 Übersicht Warum brauchen (wollen) wir Speicher? Welche Speicher gibt es? Was bringt die Zukunft? Kommentare zur Nutzung von Speichern Fachgruppe elektrische Energietechnik

3 Beispiel im Kleinen: (zu) viel PV-Einspeisung kann das NS-Netz überlasten Haus-Speicher Bildquelle: zur Überbrückung G. Kerber, TU München einer Nacht (ca. 10 kwh) 3

4 Beispiel im Grossen: PV- und Windenergie-Erzeugung in Deutschland PV + Wind Peakleistung: ca. 62 GW (» mittlerer Verbrauch) 1. Jahreshälfte 2013 Mittlere Erzeugung PV + Wind: ca. 8 GW (=13%) Saisonaler Speicher zur Überbrückung des Winters (ca.?? TWh) Institut

5 EPEX Spotmarkt vom ein «normaler» Tag Institut

6 EPEX Spotmarkt vom ein Schwachlast-Tag -200 / MWh Institut

7 Das Naheliegende: Nutzung von existierenden (= thermischen) Speichern Wärme kann mit der Wärmepumpe erzeugt werden à Kopplung elektrische an thermische Energie Das Gebäude speichert in seiner Substanz die Wärme Wie kann dieser Speicher genutzt werden: Der Nutzer kann einen Bereich für die Raumtemperatur erlauben Ist die Temperatur innerhalb des Bereichs à Wärmepumpe kann flexibel betrieben werden Ist die Temperatur am Rand des Bereichs à Wärmepumpe muss an- oder ausgeschaltet werden Zeitliche Flexibilität im Strombezug = «virtueller Speicher»

8 Weitere Möglichkeit: Flexible Nutzung von Boilern Auch Boiler speichern Wärmeenergie Grössenordnung: einige kwh Boiler können (theoretisch) ebenfalls zeitlich flexibel angesteuert werden Aktuelle Einschränkungen: Fixe Einschaltzeiten, vorgegeben über Rundsteuerbefehle des Energieversorgers Boilerbetrieb muss zu Niedertarifzeiten erfolgen

9 Lithium-basierende Akkuspeicher Guter Wirkungsgrad (typ. 90%) Hohe Energiedichte bezüglich Volumen und Gewicht Geringe Selbstentladung (ca. 1-2% / Monat) Verschiedene Typen mit verschiedenen Eigenschaften verfügbar Lebensdauer begrenzt (z.b. 10 Jahre) Alterung zusätzlich abhängig von Lade- & Entladezyklen Inkrementeller technischer Fortschritt erwartet Kosten momentan: ca sfr. / kwh Tesla Ankündigung: 300 $ / kwh Wie viel Lithium gibt es auf der Welt? Fachgruppe elektrische Energietechnik

10 Die Redox-Flow-Batterie Man möchte geringe Speicherkosten pro kwh, sowie eine gute Effizienz Platz spielt keine Rolle Redox-Flow-Batterie: Energie in chemischer Verbindung gespeichert Reaktionspartner sind in Lösungsmitteln gelöst Chemische Reaktion in galvanischer Zelle an einer Membran; Freisetzung elektrischer Energie Wirkungsgrad: 75 80% In Zukunft: 100 $ / kwh erwartet Aktuell Entwicklung & Erprobung; insbesondere bezüglich Dauerhaltbarkeit In Japan: Tests als Pufferspeicher für Windkraftanlagen Fachgruppe elektrische Energietechnik

11 Wasserstoff als Speichertechnologie der Zukunft Was wäre ein idealer Energiespeicher: Effiziente Energieumwandlung Geringe Lagerverluste für saisonale Speicherung Nutzbarkeit für Mobilität Investitionskosten nicht durch Speicherkapazität definiert à Wasserstofferzeugung mittels Elektrolyse à Speicherung in (günstigen) Tanks à Rückverstromung oder Einspeisung ins Gasnetz Beispiel in der Schweiz: Wasserstoff-Postauto in Brugg AG Wasserstofftechnologie wird mit hoher Wahrscheinlichkeit in Zukunft eine grosse Rolle spielen Aktuell: Erprobungsprojekte Fachgruppe elektrische Energietechnik

12 Nutzung der eigenen PV-Energie durch einen Akkuspeicher Aktueller Trend: Ein Akkuspeicher im Haus (ca. 10 kwh) wird aus der PV-Anlage aufgeladen und gibt die Energie nachts ab Netzbezug wird deutlich reduziert Wirtschaftlichkeit ist nur in speziellen Fällen gegeben Was passiert bei einer grossen Anzahl solcher Systeme im Netz? Gesamthaftes Verhalten wird für Netzbetreiber / Energieversorger unberechenbar Frage, ob Speicheranwendung auf diese Weise sinnvoll ist Der Betrieb der einzelnen Speicher muss koordiniert erfolgen Bildquelle: SMA Solar (c) SmartStabilty, FHNW 25/11/

13 Beispiel zur Koordination von mehreren Häusern zu einem Energieverbund Netzbetreiber Netzbetreiber gibt Lastgang des Verbunds vor SmartStability; FHNW 25/11/

14 Autarkie eines EFH durch PV + Akkuspeicher? Sommermonate 500 kwh 200 kw sfr. Quelle: F. Kirrmann, FHNW (c) SmartStabilty, FHNW 25/11/

15 Resümee Speicher am Stromnetz werden heute schon aus technischen Gründen benötigt, und in Zukunft noch viel mehr Nutze schon existierende Ressourcen mit Priorität Akkuspeicher sind effizient und flexibel, aber teuer à Um wirtschaftlich zu sein, sollte eine Kombination von Anwendungen durch einen Akku bedient werden Komplette Autarkie eines EFH ist praktisch unmöglich Ein Haus-Akkuspeicher sollte optimalerweise so genutzt werden, dass er auch «der Allgemeinheit» dient, und nicht ausschliesslich zum Eigennutzen à Hierfür braucht es finanzielle Anreize Interessante Speicher-«Kandidaten» für die Zukunft: Günstigere Lithium-Akkus, Redox-Flow-Batterien und Wasserstoffspeicher, sowie die intelligente Vernetzung vieler Einzelspeicher (c) SmartStabilty, FHNW 25/11/