Technologien zur Energiespeicherung im Stromnetz

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1 Daniel Chartouni, ABB Schweiz, Forschungszentrum SES Tagung Bern, 27. Nov Technologien zur Energiespeicherung im Stromnetz November 27, 2012 Slide 1

2 Die nächsten 30 Minuten Überblick über die Anwendungen weshalb Energiespeicherung? Technologien wie kann man Energie speichern? Pumpspeicher Batterien Adiabatischer Druckluftspeicher Elektro-thermischer Speicher Schlussfolgerungen November 27, 2012 Slide 2

3 Herausforderungen moderner Stromnetze Was kann Technologie beitragen? Treiber Zu lösende Probleme Technologien Weit entfernte Erzeugung Dezentrale Erzeugung Volatilität der Erzeugung Energietransport; Netzkapazität; Bi-direktionales Verteilnetz Energiespeicher Hochspannungs- Gleichstromübertragung (HGÜ); >2 GW Übertragung; FACTS; Steuerung und Schutz für Verteilnetze Elektrisch: Pumpspeicher, Batterien; Thermo-elektrische Speicher; E-Autos (?) Volatilität der Erzeugung Wachsender Energiebedarf Flexibles Lastmanagement Energieeffizienz Smart Grid (active demand); Flexibilisierung der Produktion Netzeffizienz; Industrielle Energieeffizienz; GW Giga Watt, FACTS flexible alternating current transmission system

4 Anwendungen von Energiespeichersystemen Zentrale Produktion Speicherung grosser Energiemengen Lastausgleich Auf Produktionsseite 100 MW, 4h Unterstation/Einspeiser Netzunterstützung Reserve Bei Leitungsausfall MW, h 220 kv Hochspannungsleitung Last 20 kv 220 kv Verteilte Produktion Integration erneuerbarer Energien MW, 10h Lastausgleich Zur Verzögerung der Leitungs-Investitionen 1-10 MW, 6h Schwerindustrie 20 kv November 27, 2012 Slide kv 110 kv 20 kv Netzwerkring Frequenzregulierung 1-50 MW, h Begrenzung der Spitzenlast MW, 1h Energiemanagement beim Endverbraucher

5 Technologien zur Energiespeicherung Mechanisch Thermodynamisch Elektrochemisch Elektromagnetisch Gravitation Pumpspeicher Kinetisch Schwungrad Wärme Thermoelektrisch Druck Druckluft (CAES) Batterien Bleisäure Ni-Cd NaS Lithium Metall- Luft Durchfluss Zellen Vanadium ZnBr Wasserstoff Elektrolyseur & Brennstoffzelle Power zu Gas Elektrisch Kondensator Supercaps Magnetisch Supraleitung (SMES) Druck Wärme November 27, 2012 Slide 5 Adiabatischer CAES

6 Energiespeicherung im Stromnetz (2012) Pumpspeicher MW Über 99% der gesamten Speicherkapazität Druckluftspeicher, 440 MW Natrium-Schwefelbatterien, 316 MW Lithium-Ionenbatterien, 88 MW Bleisäurebatterien, 50 MW Schwungräder, 25 MW Redox Durchflussbatterien, 5 MW November 27, 2012 Slide 6 Quelle: Fraunhofer Institut, EPRI,, Pr. Nat. Sci. 19 (Chen et.al), ABB

7 Pumpspeicher: Die dominierende Technologie Speicherung der Gravitationsenergie Etablierte und effiziente Technologie Häufigste Anwendung (2012): Lastmanagement auf Produktionsseite In Konkurrenz mit Gaskraftwerken Oberes Reservoir Elektromechanische Maschinen Unteres Reservoir 1060 MW, 8 h PHS Goldisthal (D) Eigenschaften der Pumpspeicher Wirkungsgrad 80% Dauer der Einspeisung Stunden (bis Tage) Leistung 10 MW bis 1 GW Kapitalkosten (500 MW Anlage) $/kw (Erweiterung $/ kw) Grösster Nachteil Geografisch limitiert November 27, 2012 Slide 7

8 Batterien für verteilte Energiespeicherung Speicherung in Form von chemischer Energie, viele verschiedene Batterietypen Hohe Energie- und Leistungsdichte Schnelle Reaktions- und Umschaltfähigkeit (zwischen Laden und Entladen) Trend: Kontainer-Lösungen Typische Batteriespeicher-Eigenschaften Wirkungsgrad 80% Dauer der Einspeisung Leistung Kapitalkosten (500 MW Anlage) Grösster Nachteil 1-10 Stunden 1-50 MW 2500 $/kw Lineare Skalierung (keine economy of size ) 34 MW, 245 MWh Natrium-Schwefel (NaS) Installation für 51 MW Windfarm (Japan) November 27, 2012 Slide 8

9 Topologie von Batteriespeichersystemen (B) Batterie + - U Umrichter DC AC U PCS Transformator AC Netz U AC November 27, 2012 Slide 9

10 Integration von Erneuerbaren: Sicherung der Kapazität Futamata 51 MW Windanlage mit 34 MW Natrium-Schwefel-Batterien, am Netz seit 2008, Japan Wind Development Co. November 27, 2012 Slide 10

11 Zukünftige Alternative für die Integration von Erneuerbaren: Adiabatischer Druckluftspeicher Gleichzeitige Speicherung von Druck (komprimierte Luft) und Wärme Vorteil: Keine Verbrennung von Erdgas (im Gegensatz zu bisherigen Druckluft-Speicher) Umweltfreundlich Adiabatischer Druckluftspeicher - Eigenschaften Wirkungsgrad Ziel: 70% Dauer der Einspeisung Leistung Kapitalkosten (500 MW Anlage) Grösster Nachteil Tage MW Ziel: 1500 $/kw Geografisch gebunden ADELE Projekt: 90 MW, 4h Demonstrator in Strassfurt (D) mit RWE, GE, Züblin und DLR Quelle: November 27, 2012 Slide 11

12 Zukünftige Alternative für die Integration von Erneuerbaren: Elektro-thermischer Energiespeicher Elektrizität Wärme Elektrizität Wärmepumpe Wärmespeicher Wärmekraftmaschine Geografisch unabhängiges Speichersystem mit einer kommerziellen Zielgrösse von MW, 6 h Speicherkapazität und 65% Wirkungsgrad November 27, 2012 Slide 12

13 Elektro-Thermischer Energiespeicher ETES Speicherung von Elektrizität in Form von Wärme Neuartige ABB-eigene Technologie für geografisch unabhängige Speicherung Basiert auf Wasser als Speichermedium Umweltfreundlich ETES Eigenschaften Wirkungsgrad Ziel: 65% Dauer der Einspeisung Leistung Kapitalkosten (500 MW Anlage) Grösster Nachteil Stunden bis Tage MW Ziel: 1500 $/kw Technologie noch nicht ausgereift ETES Ladeprozess ETES Entladesprozess November 27, 2012 Slide 13

14 Anwendungen von Energiespeichersystemen Zentrale Produktion Speicherung grosser Energiemengen Lastausgleich Auf Produktionsseite 100 MW, 4h Unterstation/Einspeiser Netzunterstützung Reserve Bei Leitungsausfall MW, h 220 kv Hochspannungsleitung Last 20 kv 220 kv Verteilte Produktion Integration erneuerbarer Energien MW, 10h Lastausgleich Zur Verzögerung der Leitungs-Investitionen 1-10 MW, 6h Schwerindustrie 20 kv November 27, 2012 Slide kv 110 kv 20 kv Netzwerkring Frequenzregulierung 1-50 MW, h Begrenzung der Spitzenlast MW, 1h Energiemanagement beim Endverbraucher

15 Frequenzregulierung Das Gleichgewicht zwischen Stromverbrauch und Erzeugung muss immer gewährleistet sein. Dies wird erreicht durch Reserveleistung, mit welcher auf Änderungen in der Netzfrequenz reagiert werden kann. November 27, 2012 Slide 15

16 Li-ion Batterie Energiespeichersystem 1 MW (15 min) Pilotprojekt, Netzbetreiber: EKZ, Schweiz, Sonntags-Zeitung, 18. März 2012 November 27, 2012 Slide 16

17 Anwendungen von Energiespeichersystemen Zentrale Produktion Speicherung grosser Energiemengen Lastausgleich Auf Produktionsseite 100 MW, 4h Unterstation/Einspeiser Netzunterstützung Reserve Bei Leitungsausfall MW, h 220 kv Hochspannungsleitung Last 20 kv 220 kv Verteilte Produktion Integration erneuerbarer Energien MW, 10h Lastausgleich Zur Verzögerung der Leitungs-Investitionen 1-10 MW, 6h Schwerindustrie 20 kv November 27, 2012 Slide kv 110 kv 20 kv Netzwerkring Frequenzregulierung 1-50 MW, h Begrenzung der Spitzenlast MW, 1h Energiemanagement beim Endverbraucher

18 Technische Reife In Entwicklung Entwickelt Ausgereift Grossspeicherung Unterstation/Einspeiser Netzunterstützung Endanschluss- und Verbraucher- Energiemanagement Pumpspeicher und B sind heutzutage die dominierenden Technologielösungen November 27, 2012 Slide 18

19 Elektrischer Gesamtwirkungsgrad Zyklen-Wirkungsgrad [%] Grossspeicherung Unterstation/Einspeiser Netzunterstützung Endanschluss- und Verbraucher- Energiemanagement Der Zyklen-Wirkungsgrad hat einen grossen Einfluss auf die Kundenakzeptanz sowie auf die Kosten der gespeicherten Elektrizität November 27, 2012 Slide 19

20 Energiespeicherung im Stromnetz Zusammenfassung Speichersysteme erlangen immer grössere Bedeutung Integration von erneuerbaren Energien Netzqualität und Versorgungssicherheit Vermeidung von Netzausbauten Verschiedene Speichertechnologien decken die Bedürfnisse ab Pumpspeicher im Übertragungsnetz Batteriespeicher im Verteilnetz Lithium-Ionen (kurze Entladezeit, > 1h) Bleisäure (mittlere Entladezeit) Natrium-Schwefel (lange Entladezeit, 5-8 h) Zukünftige Energiespeicher dürften thermodynamische Technologien beinhalten (Adiabatische) Druckluftspeicher Elektro-thermische Energiespeicher

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