Warum Energiespeicher?

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1 Warum Energiespeicher? von Dipl. Ing. W. B. Haverkamp Inhalt Grundlagen Speichersysteme Kategorien Arbeitsweise Verfügbarkeit Anwendungen Fazit 2 von 38

2 Inhalt Grundlagen Speichersysteme Kategorien Arbeitsweise Verfügbarkeit Anwendungen Fazit 3 von 38 Strukturen eines elektrischen Netzes Man kann eine beliebig große Leistung auf beliebig weite Entfernung mit einem beliebig dünnen Draht und großem Nutzeffekt übertragen, sofern die elektrische Spannung nur hoch genug ist. (Marcel Deprez) Quelle: Deutsches Museum, München 4 von 38

3 Konventionelles Drehstrom-Netz 400 kv HS-Transportnetz 110 kv HS-Subtransportnetz 20 kv MS-Verteilungsnetz 400 V NS-Konsumernetz 5 von 38 HS = Hochspannung MS = Mittelspannung NS = Niederspannung *) = Ortsnetzstation Status Infrastruktur Große Kraftwerkseinheiten geringer Anzahl Vorwiegend Vertikale zentral strukturiert Versorgung in Bezug zur Fläche Netzzustand Fehlende bekannt Kenntnis des Zustandes im NS/MS-Systemnetz und der Verbraucher 6 von 38

4 Drehstrom-Netz mit DEA 1) 400 kv HS-Transportnetz 110 kv HS-Subtransportnetz 20 kv MS-Verteilungsnetz 400 V NS-Konsumernetz HS = Hochspannung MS = Mittelspannung NS = Niederspannung *) = Ortsnetzstation 1) 7 von 38 Dezentrale Energie Anlagen DEA in der Bundesrepublik Hauptverteilung Norden: Wind Süden: PV Energiekarte BRD von 38

5 Verlauf WEA-Einspeisung und RegelLast 9 von 38 Quelle: CIGRE/CIRED Okt.2012 Köln; Dr. Ing. P. Hoffmann TENNET TSO 10 von 38

6 DEA bedingen 'Virtuelle Kraftwerke' Die heutige Netzstruktur ist nicht mehr homogen, bedingt durch stellenweise ungeregelten Zubau von DEA. Virtuelle Kraftwerke werden als Lösungsansatz notwendig! Quelle: VDE Report DZA von 38 Notwendige Maßnahmen Mit PV- und Windstromeinspeisung ist eine Netzstabilität, wie bisher nicht zu gewährleisten. Folgende Maßnahmen sind künftig essentiell notwendig Flexible Kraftwerkseinheiten Netzausbau Management von Bedarf und Angebot (Erzeugung) Speichersysteme Kurzzeitspeicher (PHS, BATTERIES) Langzeitspeicher ( POWER TO GAS, CAES, GAS-NET) 12 von 38

7 Inhalt Grundlagen Speichersysteme Kategorien Arbeitsweise Verfügbarkeit Anwendungen Fazit 13 von 38 Aufgaben elektrischer Speichersysteme BRD Quelle: 2012-VDE-ETG Studie Energiespeicher 14 von 38

8 Kategorien Betriebsbereich der Speicherkategorien ElektroElektroChemie Chemie Quelle: Prof. Dr. Ing. D. Sauer 15 von 38 Elektrochemische Speicher E-Ch-Speicher Externe Speichertechnik Interne Speichertechnik niedertemp. Batterie Blei 16 von 38 Li-Ion NiCd NiMH hochtemp. Batterie NaNiCl NaS Industrie Großspeicher Brennstoffzelle PEM Alkal. H2Tech. Redox-Flow V Fe/Cr

9 Charakteristika von Speichersystemen Quelle: 2012-VDE-ETG Studie Energiespeicher 17 von 38 Vollkosten nach Tabelle 1GW 8h 10 MW 4h 100 kw 2,5 h Quelle: 2012-VDE-ETG Studie Energiespeicher 18 von 38

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11 Eigenschaften Betriebsspannung pro Zelle ~3,6 V Energiedichte (95-190) Wh/kg Geringes Gewicht Geringes Volumen Elektrolyt: keine chemische Reaktion Li Molekulargewicht = 6,939 g/mol Nutzungsdauer Jahre *) ~5000 Zyklen (15000 Zyklen) Vollkosten ~ (20-45) ct/kwh Wirkungsgrad 85% - 95% (keine Amnesie) Nutzung relevant für Gebäudeversicherung 22 von 38 Überhitzung und Entzündung möglich *) bei Entladetiefe auf max 30% der Kapazität

12 Liquid Batteries Technologie separate Tanks mit katalytischen und analytischen Elektrolyten Galvanische Membrane und Wechselrichter (die E-Grid-Schnittstelle) Pumpen, die den Elektrolyten über die Membrane fördern Vorteile Leistung und Energie können unabhängig angepasst werden Beliebig hohe Leistung und Kapazität sind erreichbar Alterungseffekte sind vernachlässigbar Tiefentladung unbegrenzt Kurze Response Time 23 von 38 Flow Batterie Stoffkombination Potential E0 (V) S-Br 1,54 Zn-Br 1,83 V-V 1,25 Ca-Zn 2,43 Fe-Ti 0,43 Fe-Cr 1,07 Ladereaktion: A3+ +eb2+ 24 von 38 Quelle: M+W Group Dr. R. Simon 01/2013 Die bekannteste Technik ist die Nutzung von Vanadium mit Schwefelsäure. A2+ B3++ e-

13 Redox Flow Batterien Modifikation Elektrolyt Fe-Cr Vergleich zu V +H2SO4 Keine Kühlung notwendig Fe-Cr Korrosion gering Geringe Kosten Hohe Ausnutzung des Elektrolyts Große Verfügbarkeit 250kW und 1MWh über 4h Dauer Benötigte Fläche 38 m² Modularer Aufbau, Bedarfs konform 25 von 38 Inhalt Grundlagen Speichersysteme Kategorien Arbeitsweise Verfügbarkeit Anwendungen Fazit 26 von 38

14 Beispiel Speichertechnik 400 MW-Batteriespeicher, Johnson City,N.Y. USA Leistungsspitzenregelung Pufferung der Kraftwerksbilanz Flexible Reaktion auf Lastschwankungen Quelle: Long Island BIZ, 09/ von 38

15 Schaltung 1 PV MPP Laderegler 29 von 38 IBGT Netz AC Kopplung des Speichers PV-Strom und / oder Netzstrom kann gespeichert werden. Aufrüstung möglich IBGT Speicher wird direkt ans Hausnetz angeschlossen Erfordert Energiemanagement Schaltung 2 Externe PV MPP IBGT Netz Aufrüstung möglich Erfordert Energiemanagement Kritisch: Leistung MPP, da Panele und Batterie bedient werden müssen Gesamtwirkungsgrad höher als bei Schaltung 1 Laderegler 30 von 38 DC Kopplung

16 Schaltung 3 Zwischenkreiskopplung PV MPP IBGT Netz Laderegler 31 von 38 Aufrüstung von Altanlagen nicht möglich Batterieregler kann WRZwischenkreis stabilisieren Optimaler Arbeitspunkt der Gesamtanlage wird gewährleistet Hoher Wirkungsgrad 85 %-95% Minimale Wandelverluste

17 Versuchsnetz 33 von 38 Fazit: Nutzung und Einsatz von Speicher Kurzzeitspeicher ( Minuten / Stunden) 34 von 38 Blei- und oder Li-Ionen Akkumulatoren (private Nutzung) Lebensdauer abhängig von der Auslegung und dem Betrieb Li-Ionen Akkumulatoren sind mit der Gebäudeversicherung zu koordinieren. Die Lebensdauer ist vergleichbar mit der von PV Modulen.

18 Fazit 35 von 38 Redox Flow Batterien Das modulare Konzept lässt sich an die jeweiligen kommunalen Gegebenheiten einfach anpassen. Lebensdauer nahezu unbegrenzt, keine Amnesie Kosten geringer bei der Verwendung von Fe-Cr Fazit: Wann machen Energiespeicher Sinn? Erzeugerpotential ist größer als Netzlast Weiterer Netzausbau ist nicht möglich oder schwierig Die Spannungsstabilität ist intermittierend gefährdet Stromhandelskomplexität Angebots- und Nachfragepreis driften, bei wachsender Differenz ist Speichern sinnvoll Wachsende Netzdienstleistung Regelreserve / Regelleistung Schwarzanfahrpotential Blindleistungskompensation CO2 Zertifikate 36 von 38

19 Fazit Voraussetzung zur effektiven Nutzung der Energiespeicher im Privaten wie im Kommunalen Umfeld ist die Kenntnis der örtlichen Netzparameter und deren Betriebsweisen! 37 von 38 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!??????? 38 von 38