Energiespeicher und Integration

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Ulrich Fürst
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1 Willkommen Welcome Bienvenue Empa / PSI Energiespeicher und Integration HTZ Aargau Urs Elber Geschäftsführer Forschungsschwerpunkt «Energie» Die 4 Forschungs Institutionen im ETH-Bereich Mitarbeiter 1900 Publikationen 1100 Doktoranden 300 Mitarbeiter 1000 Publikationen 520 Doktoranden 200 Mitarbeiter 479 Publikationen 440 Doktoranden 138 Mitarbeiter 515 Punlikatonen 405 Doktoranden 132 1

Forschungsschwerpunkte der Empa Gesundheit & Leistungsfähigkeit Nanostrukturierte Materialien

Nachhaltigkeit, Zuverlässigkeit & Sicherheit Adaptive Systeme Computermodellierung Natürliche

Energieeffizienz: Effiziente Gebäude & Nachhaltige Mobilität Gebäudetechnologien Retrofit

Photovoltaik (CIGS) Wärmespeichertechnologien Wasserstoffspeichertechnologien Integrierte

2 Forschungsschwerpunkte der Empa Gesundheit & Leistungsfähigkeit Nanostrukturierte Materialien Nanotechnologie / Instrumente & Werkzeuge Analytische & messtechnische Methoden Nachhaltigkeit, Zuverlässigkeit & Sicherheit Adaptive Systeme Computermodellierung Natürliche Ressourcen & Schadstoffe Energie Sustainable Built Environment Forschungsschwerpunkt «Energie» Energieeffizienz: Effiziente Gebäude & Nachhaltige Mobilität Gebäudetechnologien Retrofit Technologien Mobilität- & Brennstofftechnologien Energieproduktion: PV, Umwandeln & Speichern Photovoltaik (CIGS) Wärmespeichertechnologien Wasserstoffspeichertechnologien Integrierte Multi- Energiesysteme Multi-Energiemodellierung Energiemanagement Integration Infrastruktur Nachhaltigkeits- Assessments 2

3 Swiss Competence Centers for Energy Research (SCCER) 8 Zentren 5 SCCER "Heat and Electricity Storage" Prof. Dr. Thomas J. Schmidt [email protected] 3

zentral: für (saisonale) Speicherung Andere Energieträger, andere Märkte 2.

Tage, saisonal Saisonaler Speicherbedarf 4,5 9 TWh 3.

saisonaler Verlagerung Zeitraum mit unrentabler Wasserkraft 1.

4 «Überschussenergie» - Optionen 4. Energie in andere Formen umwandeln - dezentral auf Quartierebene für unmittelbaren Verbrauch - zentral: für (saisonale) Speicherung Andere Energieträger, andere Märkte 2. Energie speichern und später verwenden - dezentral auf Haus- / Quartierebene: Stunden - zentral: Tage, saisonal Saisonaler Speicherbedarf 4,5 9 TWh 3. Verbrauchs - Verlagerung/ - Steuerung - Effizienz - limitierte Möglichkeiten, vor allem bei saisonaler Verlagerung Zeitraum mit unrentabler Wasserkraft 1. Energie kappen - Kosten ohne Ertrag - keine zus. Netzbelastung ohne Verwendung der «Überschuss Energie» macht Investition in viel erneuerbare Energien wenig Sinn Marktsimulation Szenario «Sun 2035», Swissgrid Verluste = Potenzial für Nutzung Energy Sources = 67% Energy Consumption 4

) Zeitliche Flexibilität: SPEICHER (PSK, Batterien, PtG, etc.) Resourcen Flexibilität: UMWANDLUNG/ EFFIZIENZ (z.

5 Speicherung - Fazit Source: Johannes Mayer, Bruno Burger, Fraunhofer ISE; Data EPEX SPOT, EEX,Entso-e 9 Mehr Flexibilität im Energiesystem nötig Geografische Flexibilität NETZE (HGÜ, Smart Grid, PtG, etc.) Zeitliche Flexibilität: SPEICHER (PSK, Batterien, PtG, etc.) Resourcen Flexibilität: UMWANDLUNG/ EFFIZIENZ (z.b. PtG, Wärmenutzung) Markt Flexibilität: DIVERSIFIKATION (z.b. Mobilität) Neue Opportunitäten mit der Verknüpfung von Flexibilitäten 5

6 Energiespeicher Übersicht 1 (nicht vollständig) Spulen Elektrische Speicher Kondensatoren (z.b. MP) Zink-Kohle, Alkali, etc. Elektro Chemische Speicher Feststoff Batterien (z.t. mit flüssigem Elektrolyt) (Elektrolyt-) Kondensatoren «Batterien» (Akkumulatoren) Ni- (Cd) (MH) Lithium Natrium (Reine) Flüssig-Batterien Redox-Flow Blei-Säure Mech. Speicher Schwungrad Luft Wasser Druckluft Flüssigluft (Stickstoff) Pumpspeicher Diabatisch (Wärme wird ab/zugeführt) Adiabatisch (Wärme separat gespeichert und wieder zugeführt Isotherm (Kontinuierliches Wärme-Mgt) Sekunden, Min. Stunden, Tage Wochen, Monate Bsp Energiespeicher Übersicht 2 (nicht vollständig) Sensible Speicher (keine Aenderung des Aggregatzustandes) Warmwasser Stein, Altmetall, Flüssigsalz, etc. PHES, ETES** (Wärmepumpe mit Tank kalt und heiss, verwandelt mech. Energie in Wärme/Kälte und umgekehrt) Therm. Speicher Sorbtionspeicher Latente Speicher (Aenderung Aggregatszustand) Natronlauge Ettringit (Teile des Prozesses latent) z.b. Eisspeicher Paraffine, Flüssigluft, etc Chem. Speicher (fest, Flüssig, gasförmig, gebunden an Flüssigkeiten oder Metallen H2* Methan* Sekunden, Minuten Stunden, Tage Wochen, Monate Alle anderen synthetischen Treib- und Brennstoffe* Bsp *Je nach Verwendung auch thermische «Speicher» ** ist auch elektrischer «Speicher» (ETES) 6

Klassifzierung einiger Speicher Speicher Energiedichte gravimetrisch [Wh/kg] Energiedichte Volumetrisch [kwh/m^3] Lebensdauer in Zyklen Kondensatoren, 0.

7 Klassifzierung einiger Speicher Speicher Energiedichte gravimetrisch [Wh/kg] Energiedichte Volumetrisch [kwh/m^3] Lebensdauer in Zyklen Kondensatoren, Mio Supercaps Spulen 1 10 > 1 Mio Natrium-Schwefel Batterie Redox-Flow Batterie Bleibatterie Nickelbatterie Lithiumbatterie (bis 400 in Entwicklung) Interaktion von Speichersystemen 7

Energiespeicher Energy density [kwh/m3] 3 1 5 100000 10000 1000 100 10 GRAVITATION hydropower 1 ELECTROSTATIC EDLC

8 Energiespeicher Energy density [kwh/m3] GRAVITATION hydropower 1 ELECTROSTATIC EDLC ELECTROCHEMICAL INERTIA flywheel Pb-acid battery hydrogen storage hot water comp. air Li-ion battery comp. NG CHEMICAL biomass Energy density [kwh/kg] coal ultimate battery NH 3 oil natural gas fission hydrogen Andreas Züttel, Switzerland, 10/21/2015 Adapted from A. Züttel (Empa, EPFL) H 2 Erzeugung und Speicherung ELECTROLYSE Erzeugung von Wasserstoff (und Sauerstoff) aus elektrischem (Gleich-)Strom PHOTO-ELECTROLYSE Direkte Erzeugung von Wasserstoff (und Sauerstoff) aus Licht FLOW BATTERY -H 2 O REDUKTION Laden: mit Strom Entladen: a) über eine elektrische Last b) als Wasserstoff (und Sauerstoff) 8

Speicherung Grössenordnungen Stromspeicherung Vergleich: Strom aus Diesel ca.

Mineral) gibt bei über 80 C Wasser ab und wird zu Meta- Ettringit.

9 Speicherung Grössenordnungen Stromspeicherung Vergleich: Strom aus Diesel ca. 250 m3 Bild: Erdgasspeicher Volketswil Bsp: Ettringit Speicher für Wärme Ettringit (seltenes Mineral) gibt bei über 80 C Wasser ab und wird zu Meta- Ettringit. Gibt man wieder Wasser hinzu, verwandelt es sich zurück und gibt etwa 0.16 kwh/kg in Form von Wärme wieder ab. Sommer: mit Solarenergie gewärmtes Wasser «trocknet» Ettringit aus Winter: kaltes Wasser setzt die Wärmeabgabe in Gang Möglichst viel Ettringit im Beton: Calcium-Sulfoaluminat Zement (CSA) Finish eines Speichermoduls nach dem Giessen Quelle: Empa 9

Bsp: Natronlauge (NaOH) Wärmespeicher Laden Entladen

5 mal soviel wie in Wasser Quelle: Projekt COMTES Bsp:

Sehr hohe Isolationseigenschaften l = < 18mW/(m K)

10 Bsp: Natronlauge (NaOH) Wärmespeicher Laden Entladen Wärmespeicherkapazität bis ca. 4.5 mal soviel wie in Wasser Quelle: Projekt COMTES Bsp: Effiziente Wärmedämmung Grundlage für Wärmespeicher Sehr hohe Isolationseigenschaften l = < 18mW/(m K) Aerogel Granulate zur Verwendung in neuartigen Dämmputzen (bereits im Markt!) Verwendung im Beton und anderen hochtemperatur Trägern 3D Druck - Lösungen Integration in Retrofit - Konzepte 10

Bsp: Wärmespeicher Areal Empa Nutzung der Abwärme der Kältemaschinen im Sommer für

. 4 GWh Wärmespeicher bis 38 C, <18% Verluste Nutzung der Wärme für Wärmenetze (über

Dampfprozessen ca. 50 C/ Ca. 60% der dem Prozess zugeführten Energie!

Bild: STELA Laxhuber: Anlagensystem zur Trocknung von Holzspänen und Hackschnitzeln mit

11 Bsp: Wärmespeicher Areal Empa Nutzung der Abwärme der Kältemaschinen im Sommer für Wärme im Winter GWh Wärmespeicher bis 38 C, <18% Verluste Nutzung der Wärme für Wärmenetze (über WP) Bsp: Wärmespeicherung durch Holztrocknung Dampfprozess Kühlkreis Rücklauf bei Dampfprozessen ca. 50 C/ Ca. 60% der dem Prozess zugeführten Energie! Schema Dampfkraftwerk von Kirsch aus der deutschsprachigen Wikipedia. Bild: STELA Laxhuber: Anlagensystem zur Trocknung von Holzspänen und Hackschnitzeln mit niederkalorischer Wärme. Waldholzschnitzel WG 41% lutro 100 t 282 MWh (=2.81 kwh/kg) nach Trocknung WG 10% lutro 66 t 305 MWh (=4.62 kwh/kg) «Gespeicherte» Energie: 23 MWh (=0.35 kwh/kg) und -8,25% Holz 11

Bsp: Power to Gas Biomasse Holzvergasung Vergärung CO 2 aus Luft oder

Methanisierung Synthetisches Erdgas Wärmenutzung Speichern (kurzfristig

s langfristig hydraulisch) Direkte Nutzung, z.b.

und Erdgasfahrzeugen Speicherung / Wiederverstromung über Brennstoffzellen Neue

Beimischung zu Erdgas, kontinuierliche Erhöhung des erneuerbaren Anteils

Mobility Demonstrator H 2 -Speicher Methanisierung (Zusammenarbeit mit PSI) PtG

12 Bsp: Power to Gas Biomasse Holzvergasung Vergärung CO 2 aus Luft oder Industrieabgasen CO 2 Biogas, CO 2 Überschussstrom Elektrolyse Wasserstoff H 2 Methanisierung Synthetisches Erdgas Wärmenutzung Speichern (kurzfristig elektrochemisch bis langfristig hydraulisch) Direkte Nutzung, z.b. Elektromobilität Brennstoffzellen / Wasserstoff-Fahrzeuge Beimischung zu Erdgasnetz und Erdgasfahrzeugen Speicherung / Wiederverstromung über Brennstoffzellen Neue Verteil- und Nutzinfrastruktur nötig Erdgasfahrzeuge Konventionelle Erdgasnutzung Beimischung zu Erdgas, kontinuierliche Erhöhung des erneuerbaren Anteils Langzeit-Speicher Bestehende Erdgas Verteil- und Nutzinfrastruktur move: Future Mobility Demonstrator H 2 -Speicher Methanisierung (Zusammenarbeit mit PSI) PtG Erdgas FZ H 2 -Kompressor 350 Bar H 2 -Tankstelle HCNG- Tankstelle CNG- Tankstelle Erdgas/Biogas (CNG)- Kompressor/Speicher Elektrolyseur HCNG- Life Test Ultra Schnell/Ind. Batterie -FZ 350 Bar H 2 - Kehrfahrzeug 700 Bar H 2 - Fahrzeug 12

13 Energiedrehscheibe (energy hub) Heiz-Kühlen Netzwerke Micro-Netze Multi-Energie Netze Integration von Speichern Simulieren Modellieren Opimierungsmethoden Ökonomische und technische Grenzen bestimmen können (Ausdehnung) 13

Materials Science and Technology @Empa_CH

14 Dank an: Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Empa Swiss Federal Laboratories for Materials Science and / 14

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