Projekt HD-Store. Technologiestudie und Einsatzgebiete eines dezentralen Hydraulik-Druckgas- Speichers IEWT Hermann Edtmayer Wien,

Transkript

1 Projekt HD-Store Technologiestudie und Einsatzgebiete eines dezentralen Hydraulik-Druckgas- Speichers IEWT 2017 Hermann Edtmayer Wien,

2 Einleitung Pariser Klimakonferenz 2015 Reduktion globale Erwärmung auf < 2 Grad Celsius Energie aus erneuerbaren Quellen notwendig Bildquelle: AAR14

3 Last / Erzeugung [kw] HD-Store Einleitung Stromproduktion aus volatilen Quellen Fluktuation der Erzeugung Offset von Erzeugung und Verbrauch Einsatz Stromspeichern notwendig Dezentrale Stromspeicher als Teil der Lösung :00 06:00 12:00 18:00 Photovoltaik [kw] Last [kw]

4 PV Panel Einleitung Verbraucher Netz Dezentrale mechanische Stromspeicher Z.B.: Druckgasspeicher, Schwungradspeicher Vorteile DC Verfügbare Materialien Recycling Nachteile Entwicklungsstand Kosten DC Energiedichte Wirkungsgrad DC AC Lebensdauer, Zyklenzahl Frequenzumrichter Tracker richter Speicherleistung Solar-Wechselrichter Problemlose Tiefenentladung Genaue Speicherstandsbestimmung Controller MMP- Wechsel- Energiespeicher Quelle: Roth Hydraulics GmbH

5 Luftspeichersysteme Luftspeicher (Air Energy Storage - AES) Komprimierte Luft (Compressed AES) Verflüssigte Luft (Liquid AES) Luftspeicher AES komprimierte Luft CAES verflüssigte Luft LAES diabat D-CAES Diabate Druckluftspeicher Vollständige Rückkühlung der Kompressionswärme und Zusatzfeuerung bei der Expansion adiabat A-CAES U-CAES isotherm I-CAES Quelle: eigene Darstellung nach Sterner & Stadler, 2014 Adiabate Druckluftspeicher Zwischenspeichern der Kompressionswärme in regenerativen, thermischen Speichern Isotherme Druckluftspeicher Verdichtung und Expansion bei konstanter Temperatur

6 Projekt HD-Store Idee: Isothermer Druckgasspeicher Verdichtung und Expansion über hydraulische Maschine Anwendungsgebiete: Dezentraler Speicher für erneuerbare Energien Spitzenlastmanagement Erhöhung Eigenverbrauchsanteil & Autarkiegrad Ziele: (1) Technologische und ökonomische Machbarkeitsstudie (2) Low-tech & low-cost Zugang (3) Entwicklung eines dynamischen Speichereinsatzmodells (4) Gegenüberstellung von Technologielösungen für Einsatzszenarien - Start: 06/ Laufzeit: 18 Monate - Sondierung, Energieforschung 2015

7 Simulationsmodell Simulationsmodell in Matlab-Simulink Erzeuger - Verbraucher = Residualleistung Regelung: Residualleistung in Speicher oder Netz E-Maschine + Frequenzumrichter Hydraulikmaschine Druckgasspeicher: isotherme Verdichtungsarbeit W 12,isotherm = p 1 V 1 ln p 2 p 1 Erzeuger Elektrische Leistung Mechanische Leistung Hydraulische Leistung E-Maschine HDS-System H-Maschine Verbraucher + - Regelung Druckgasspeicher Netz

8 Speichervorauslegung Messdaten in ¼-Stundenwerten PV-Erzeugung und Last Einfaches Speichermodell ohne Wirkungsgradkette Parametervariation von Kapazität und Leistung Auswertung nach Autarkiegrad und Eigenverbrauchsanteil Autarkiegrad Eigenverbrauchsanteil kw & 50kWh kw & 50 kwh Kapazität [kwh] Leistung [kw] Kapazität [kwh] Leistung [kw]

9 Gasfeder Gasfeder Gasfeder Gasfeder Gasfeder HD-Store Konzeptentwurf Einhubsystem: Gesamte Speicherarbeit mit einem Zylinderhub Standardkomponenten: Bauteile aus Klein- oder Großserie Druckgasspeicher: Kolbenspeicher + Gasflaschen Geschlossene Ausführung Vorspannung 130 bar Maximaldruck 350 bar Hydraulikeinheit: Axialkolbenmaschine variables Schluckvolumen Ölreservoir E-Maschine: Asynchronmaschine umrichteroptimiert Frequenzumrichter: rückspeisefähig mit Steuereinheit Kolbenspeicher Hydraulikpumpe/ -Motor Hydrauliköl Reservoir E-Maschine Quellen (PV, Wind,...) Frequenzumrichter Regel- und Leistungselektronik Senken (Haushalt,...) Quelle: Roth Hydraulics GmbH Stromnetz Quelle: Siemens AG Quelle: Bosch Rexroth GmbH) Quelle: Haberkorn GmbH)

10 Gesamtsimulation Betriebspunkverteilung im Wirkungsgradkennfeld Einspeichern und Ausspeichern Jahressimulation ¼-Stundenwerten Wirkungsgradkette Abbildung der Komponenten über Kennfelder Einspeichern Ausspeichern Quelle: ABB

11 Ergebnisse Einsatzszenarien Haushalt klein: 2 Erwachsene, kwh/a; Speicher: 5,5 kw & 4,94 kwh Mehrparteienwohnhaus: 6 Wohneinheiten, 23,7 MWh/a; Speicher: 10 kw & 50,1 kwh Bürogebäude: 1400 m2 Bruttogebäudefläche, 46,1 MWh/a; Speicher: 15,7 kw & 59,7 kwh Photovoltaik Jährliche Erzeugung und Verbrauch im Verhältnis 1/1 Energiepreise Einkauf: 20 Cent & Verkauf: 4 Cent Einsparungspotential Wirkungsgrad Eigenverbrauchsanteil Autarkiegrad Haushalt klein 23,8% 56,2% 67,0% 50,6% Mehrparteienwohnhaus 29,6% 53,3% 81,3% 57,4% Bürogebäude 24,7% 59,8% 76,6% 61,7%

12 Ergebnisse Wirtschaftliche Betrachtung: Kostenfaktoren für den Konzeptentwurf des HDS-Systems mit 5 kwh und 5,5 kw Gasflaschenregister komplett 20 /l Preisangebot Hersteller Kolbenspeicher 47 /l Preisangebot Hersteller Stahltank Öl 4 /l Katalogpreis Ölwanne für Stahltank 5,7 /l Katalogpreis Hydrauliköl 1,65 /l Katalogpreis Verrohrung Öl 150 Schätzung E-Maschine 5,5kW Katalogpreis Frequenzumrichter Katalogpreis Axialkolbenmaschine variabel Katalogpreis Gesamtkosten (isotherm) Spezifische Kosten Anteil Speicherleistung 12,4% Anteil Speicherkapazität 87,6% /kwh

13 Ergebnisse Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) Kompensation von Netzausfällen Schnelle Reaktionszeit notwendig Lange Standzeiten mit voller Ladung HDS-System Überbrückung der Anfahrtszeit des Dieselgenerators Sehr geringe Standby-Verluste Hohe Leistungsspitzen und -gradienten möglich Lange Lebensdauer Geringer Wartungsaufwand Leistung 200 kw für 10 Sekunden Energieinhalt 0,7 kwh Summe Kosten Einzelkomponenten Spezifische Kosten 85 /kw Wirkungsgrad 80 %

14 Zusammenfassung & Ausblick Systemzusammenstellung aus Standardkomponenten wie angedacht möglich Für sinnvolle Speicherkapazitäten bei dezentralen Speicheranwendungen Systemkosten sehr hoch Speicherstation (Gasflaschen, Kolbenspeicher) die kritische Kostenkomponente Entwicklungspotential bei Eigenbau von Kolbenspeicher und Gasspeicher weiterer F&E Bedarf HDS-System mit aktuellen Standardkomponenten für USV-Anwendung am vielversprechendsten einsetzbar

15 Weiterführende Informationen: Dr. Hermann Edtmayer 4ward Energy Research GmbH Reininghausstraße 13A/EG/17 A-8020 Graz e: t: w: Dieses Projekt wurde aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert und im Rahmen des Energieforschungsprogramms 2016 durchgeführt.