Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie unter Berücksichtigung des Mobilitätssektors bei hohem Anteil erneuerbarer Energien

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1 Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie unter Berücksichtigung des Mobilitätssektors bei hohem Anteil erneuerbarer Energien SES-Fachtagung Mythos Stromlücke Zürich, Prof. Dr. Juniorprofessur Elektrochemische Energiewandlung & Speichersystemtechnik (ISEA) RWTH Aachen Globale Herausforderung The European Council and the European Parliament have both confirmed the EU s objective to limit average global temperature increase to a maximum of 2 C compared to pre-industrial level. Commission of the European Communities, January 2007 Daraus folgen aus Klimamodellrechnungen nach Dr. Wolfram Krewitt (DLR) folgende Konsequenzen: Stabilisation der globalen CO 2 -Konzentration unter 450 ppm Reduzierung der durch Energieversorgung verursachten CO 2 Emissionen von heute 27 Gt/Jahr auf 10 Gt/Jahr in 2050 Mittlere Emissionsrechte pro Kopf in 2050: ~ 1 t CO 2 /a Reduktion heutigen CO 2 -Emission in Deutschland auf ein Zehntel Wolfram Krewitt, Scenarios of a future decentralised energy supply, Symposium Decentralised Energy Systems, Oldenburg, 15./ Folie 2

2 Wie verträgt sich das mit den ernsthaften Erwägungen von Heiligendamm (G8-Gipfel)? Angepeilt wird eine Halbierung der CO 2 -Emission bis Das würde fast reichen, wenn weltweit die Bevölkerung nicht wachsen würde und alle Länder der Welt den Absolutausstoß um 50% reduzieren. CO 2 / Kopf und Jahr Aber die Bevölkerung wird laut Prognosen bis 2050 von 6 auf 10 Milliarden wachsen und wodurch soll 2050 noch gerechtfertigt sein, dass die heutigen Industrieländer 5x mehr CO 2 /Kopf ausstoßen dürfen als der Rest der Welt? Folie 3 Unternehmerische und volkswirtschaftliche Herausforderungen Wie sehen Energieversorgung und Kraftwerkspark 2050 aus? In welcher Form wird Energie genutzt werden und welche Konsequenzen ergeben sich daraus für die Versorgungsinfrastruktur? Wird es Technologiesprüngen kommen, die den Aufbau neuer, paralleler Infrastrukturen notwendig macht? Können die vorhandenen Infrastrukturen auf lange Sicht evolutionär weiterentwickelt werden? Welche langfristigen Investitionsentscheidungen in die Versorgungsinfrastruktur müssen getroffen werden? Folie 4

3 Vorbemerkungen Nachstehende Technologieszenarien beziehen sich auf das zu erreichende CO 2 -Senkungsziel in Auf dem Weg dahin wird es noch Übergangstechnologien geben, die hier u.u. nicht auftauchen. Ein weit reichender Umbau der Energieversorgung wird nicht durch den Markt alleine kommen (die Ressourcen fossiler und nuklearer Energieträger gehen bis 2050 noch nicht zu Ende). Nachfolgende Betrachtungen konzentrieren sich auf urbane Energieversorgung. Gütertransport (Land, Wasser) und Flugverkehr werden nicht betrachtet. Energie wird nie wieder so günstig sein wie heute. Durch Effizienzsteigerung müssen aber die individuellen Ausgaben für Energie nicht steigen. Folie 5 Wie sehen Energieversorgung und Kraftwerkspark 2050 aus? Energieeinsparung CO 2 -freie Stromerzeugung Erneuerbare Energien (Wind, Photovoltaik, Solarthermie, Wellen- und Strömungsenergie, Geothermie, Wasserkraft, Biomasse, ) Kohle und Gas mit CO 2 -Sequestrierung (Clean Coal) (?) Kernspaltung, Kernfusion (??) Europäische Vernetzung für große Leistungstransfers auch aus Nordafrika Gasversorgung Migration von Erdgas zu Erdgas- / Biogas- / Wasserstoffgemisch mit dezentraler Einspeisung und steigendem Anteil Biogas und H 2 Wasserstoff aus Überschüssen erneuerbare Energien, ansonsten direkte elektrische Nutzung bevorzugt Kraftstoff Druckgas (Gemisch wie oben) Synthetische Biokraftstoffe (BTL), weltweiter Handel Folie 6

4 Wichtigste Technologien erneuerbarer Energien Strom Wind Solarthermische Kraftwerke (Südeuropa, Nordafrika) Photovoltaik Biogas Tiefengeothermie Wasserkraft Wärme Oberflächennahe Erdwärme Solarthermie (nicht-konzentrierend) Biomasse Treibstoffe Biofuels (BTL) Wasserstoff aus thermochemischen Prozessen und Elektrolyse (?) Quelle: Powerlight Corporation Quelle: K. Puchas, LEA Oststeiermark Quelle: GtV e.v. Folie 7 Öffentlicher Personennahverkehr Innerstädtisch nur noch mit elektrischem Antrieb mit (Ober-)Leitungen, Batterien, Brennstoffzellen-Hybride (SOFC) Infrastrukturbedarf Batterieladestationen an Bushöfen (typ. 100 kw pro gleichzeitiger Busladung) (Ober-)Leitungen Gasversorgung und flüssige Biokraftstoffe für HT-Brennstoffzellen Folie 8

5 Öffentlicher Personennahverkehr Innerstädtisch nur noch mit elektrischem Antrieb mit (Ober-)Leitungen, Batterien, Brennstoffzellen-Hybride (SOFC) Infrastrukturbedarf Batterieladestationen an Bushöfen (typ. 100 kw pro gleichzeitiger Busladung) (Ober-)Leitungen Gasversorgung und flüssige Biokraftstoffe für HT-Brennstoffzellen Folie 9 Individualverkehr Innerstädtisch nur noch elektrisch mit Batterien (bis km/tag) Überland & Autobahn mit Plug-in Hybriden mit Verbrennungsmotor oder Brennstoffzelle (Biokraftstoff, Druckgas) Infrastrukturbedarf Bidirektionale Leistungsfluss in allen Netzsegmenten ( pro Haushalt) Starke Anschlüsse für Parkplätze und Parkhäuser Energiemanagement und Kommunikation Tankstellen für synth. Biokraftstoffe und Druckgas für Motor oder Brennstoffzelle Folie 10

6 Individualverkehr Innerstädtisch nur noch elektrisch mit Batterien (bis km/tag) Überland & Autobahn mit Plug-in Hybriden mit Verbrennungsmotor oder Brennstoffzelle (Biokraftstoff, Druckgas) Infrastrukturbedarf Bidirektionale Leistungsfluss in allen Netzsegmenten ( pro Haushalt) Starke Anschlüsse für Parkplätze und Parkhäuser Energiemanagement und Kommunikation Tankstellen für synth. Biokraftstoffe und Druckgas für Motor oder Brennstoffzelle Folie 11 Energiebedarf in Einzelhäusern Thermische Isolation wird Heizbedarf auf weniger als 20 kwh / m 2 / Jahr senken Heizenergie aus Wärmepumpen (~ 600 kwh/jahr für 120 m 2 ). Warmwasser aus thermischen Kollektoren Zusätzlicher Strombedarf für Individualverkehr (ca kwh / km/jahr) Normaler Strombedarf weniger als 50% verglichen mit heute (< 2000 kwh/jahr) Infrastrukturbedarf: Bestehende Stromnetze ausreichend, aber voller bidirektionaler Leistungsfluss Installation von Wärmepumpensystemen Folie 12

7 Energiebedarf in Einzelhäusern Thermische Isolation wird Heizbedarf auf weniger als 20 kwh / m 2 / Jahr senken Heizenergie aus Wärmepumpen (~ 600 kwh/jahr für 120 m 2 ). Warmwasser aus thermischen Kollektoren Zusätzlicher Strombedarf für Individualverkehr (ca kwh / km/jahr) Normaler Strombedarf weniger als 50% verglichen mit heute (< 2000 kwh/jahr) Infrastrukturbedarf: Bestehende Stromnetze ausreichend, aber voller bidirektionaler Leistungsfluss Installation von Wärmepumpensystemen Folie 13 Energiebedarf in Mehrfamilienhäusern und Funktionsgebäuden Wärme- und Kältebedarf aus KWK- Anlagen mit Absorptionskältemaschinen und Wärmespeichern KWK-Anlagen mit Gas Strom für alle anderen Verbraucher Infrastrukturbedarf: Gasversorgung Stromanschluss Energiemanagementsysteme Nahwärme- und Kältesysteme Thermische Speicher (Tagesspeicher und saisonale Speicher) Folie 14

8 Energiebedarf in Mehrfamilienhäusern und Funktionsgebäuden Wärme- und Kältebedarf aus KWK- Anlagen mit Absorptionskältemaschinen und Wärmespeichern KWK-Anlagen mit Gas Strom für alle anderen Verbraucher Infrastrukturbedarf: Gasversorgung Stromanschluss Energiemanagementsysteme Nahwärme- und Kältesysteme Thermische Speicher (Tagesspeicher und saisonale Speicher) Folie 15 Maßnahmen zur Stabilisierung des Stromnetz bei hohem Anteil erneuerbarer, fluktuierender Stromerzeuger stromgeführte Kraft-Wärme-Kopplung Doppelnutzung von Speichern für Stromversorgung und Mobilität Ausweitung der transnationalen Stromtransportkapazitäten Energie- und Leistungsbereiche von elektrischen Speichertechnologien Folie 16

9 Einsatz thermischer Speicher in KWK-Anlagen Konsequente Umstellung auf stromgeführte KWK-Anlagen Thermische Speicher als kostengünstige Alternative zu Stromspeichern Tagesspeicher und saisonale Speicher (Erdreichspeicher) für thermische Energie Einsatz der KWK-Anlagen als virtuelles, verteiltes Spitzenlastkraftwerk zum Ausgleich fluktuierender Stromerzeugung und Lasten Folie 17 Migration der Gasversorgung Neben Strom wird Gas zentraler Energieträger sein (KWK-Anlagen, industrielle Wärme, Transportsektor, Spitzenlastkraftwerke) Erdgasinfrastruktur kann durch kontinuierliche Erhöhung von Beimischungen weiter genutzt werden. Dezentrale Einspeisung von Biogas aus landwirtschaftlichen Betrieben und zentral durch Importe Wasserstoff aus Überschüssen aus CO 2 -freien Quellen (nur wenn Strom über starke transeuropäische Netze nicht abgenommen werden kann) Gasleitungen und Endverbraucher müssen für steigenden Wasserstoffgehalt ertüchtigt werden. Folie 18

10 Chancen der Doppelnutzung von Infrastruktur für Stromversorgung und Mobilität 10 kv / 20kV Nutzungsdauer < 4 Stunden / Tag Pro Fahrzeug: 20 h/tag verfügbar Speicher Leistung Folie 19 Chancen der Doppelnutzung von Infrastruktur 10 kv / 20kV Nutzungsdauer < 4 Stunden / Tag Pro Fahrzeug: 20 h/tag verfügbar Speicher Leistung Derzeit in Deutschland ca. 46 Mill. Kraftfahrzeuge 4 Millionen Fahrzeuge (< 10%) als bidirektionale Plug-in Hybride ergeben 20 GW Anschlussleistung für 2 Stunden oder 8 Stunden mit 5 GW Leistung (entspricht in etwa der Leistung der Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland) 35% der Fahrzeuge decken die mittlere elektrische Last in Deutschland gut drei Stunden zu 100% Folie 20

11 Chancen der Doppelnutzung von Infrastruktur Elektrofahrzeuge und Plug-in Hybridfahrzeuge als Netzspeicher Batteriespeicher für etwa 60 km Reichweite (Mittelklasse-Pkw) Bidirektionale Netzladegeräte mit installierte Leistung (zugelassen für alle Haushalte ohne Genehmigung) Nutzungsdauer für Laden und Fahrzeugbetrieb < 4 Stunden pro Tag Speicher mit Kapazität stehen 20 Stunden am Tag bei Anschlussleistung pro Fahrzeug zur Verfügung Derzeit in Deutschland ca. 40 Mill. Fahrzeuge 10% der Fahrzeuge als bidirektionale Plug-in Hybride ergeben 20 GW Anschlussleistung für 2 Stunden oder 8 Stunden mit 5 GW Leistung (entspricht in etwa der Leistung der Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland) 40% der Fahrzeuge decken die mittlere elektrische Last in Deutschland für 4 Stunden zu 100% Folie 21 Bi-Direktionale Ladegeräte Weit entwickelte Technik insbesondere aus dem Bereich autonomer Stromversorgungen (Dorfstromversorgungen) Trend auch bei Leistungen < zu dreiphasigen Umrichtern symmetrische Belastung Reduzierung der Eingangskondensatoren (typischerweise Elektrolytkondensatoren) und damit Erhöhung der Zuverlässigkeit Umrichter können zusätzlich Systemdienstleistungen erbringen Bereitstellung von Blindleistung Phasensymmetrierung Flickerkompensation Oberwellenkompensation Netzparallel- oder Inselbetrieb möglich Inselbetrieb vor allem interessant, wenn zusätzlich PV-Anlage oder anderer Stromerzeuger im Haus ist Folie 22

12 Energiespeicher vs. Energietransport Übertragungsnetz ist Rückgrat der europäischen Stromversorgung. Vor- und Nachteile von Speichern und Übertragungsnetzen: Speichersysteme Wirkungsgrad abhängig Technologie (30-85% Strom in Strom) sehr flexibel in Bezug auf Leistung und Energiekapazität verringert Abhängigkeit von Drittstaaten durch Erhöhung der Energieautonomie teuer in Inselnetzen unvermeidbar Übertragungsnetz hoher Wirkungsgrad (HVDC ~ 5% Verluste / 1000km) hohe Investitionskosten teuer in dünn besiedelten Gebieten Internationale Kooperation und Stabilität notwendig Planung und Bau sehr zeitaufwändig. Transportleistung begrenzt (~ 1 GW / ) Folie 23 Technologien für die Speicherung elektrischer Energie Redox-Flow batteries Hydrogen Pumped hydro Superconductive coils Batteries Superconductive Redox-Flow Supercapacitors Compressed Pumped - lead-acid, Flywheels Hydrogen hydro batteries lithium, air coils NaNiCl,... Flywheels Supercapacitors Supercapacitor Batteries - lead-acid, lithium, NaNiCl,... Compressed air Folie 24

13 Speichergrößen für verschiedene Anwendungen typical discharge time 1 year 1 month 1 week ½ day 1 hour 1 min 1 s 10 ms W 4 installed power 1 kw 100 kw 10 MW GW 100 GW 4 - village power supply 5 - load levelling LV 6 - load levelling MV 7 - load levelling HV 8 - stabilisation of wind t. 9 - single home storage 10 - UPS kwh MWh GWh TWh installed storage capacity specific power [kw/kwh] Folie 25 Betriebsbereich verschiedener Speichertechnologien typical discharge time 1 year 1 month 1 week ½ day 1 hour 1 min 1 s 10 ms I III II IV 10 W VIII installed power 1 kw 100 kw 10 MW V 1 GW 100 GW I - capacitors, inductors II - supercaps, flywheels III - batteries IV - redox-flow batteries V - compressed air VI - pumped hydro VII - hydro storage VIII - hydrogen storage kwh MWh GWh TWh installed storage capacity VI VII specific power [kw/kwh] Folie 26

14 Schnittmenge Anwendungen & Speichertechnologien typical discharge time 1 year 1 month 1 week ½ day 1 hour 1 min 1 s 10 W installed power 1 kw 100 kw 10 MW 1 GW 100 GW specific power [kw/kwh] 10 ms kwh MWh GWh TWh installed storage capacity Folie 27 Leistungselektronik und Batteriespeicher Ankopplung an das Netz grundsätzlich nur über Leistungselektronik möglich Neben dem reinen Leistungs- und Energiefluss können Leistungselektronik und Batteriespeicher zusammen Zusatzleistungen bringen: Extrem schnelle Leistungsbereitstellung (Volllast in < 10 ms) Phasensymmetrierung Oberwellenkompensation Bereitstellung von Blindleistung Flickerkompensation Spannungs- und Frequenzstabilisierung (nur in nicht zu großen Netzverbünden) Anlagen bis 50 MWh / 50 MW auf Basis von Blei- und NiCd-Batterien sind Stand der Technik - höhere Leistungen durch modulare Erweiterung Folie 28

15 Fazit Strom bekommt relativ eine deutlich zunehmende Bedeutung Energieversorgung der Zukunft durch Verkehr und Hauswärme. Vorhandene Infrastrukturen der Energieversorgung können evolutionär auf die Anforderungen der Zukunft weiterentwickelt werden. Plug-in Hybride und Elektrofahrzeuge bringen enorme Regelenergie und Regelleistung in die Netze. Intelligente Regelung und Steuerung von dezentralen KWK-Anlagen und Speichern werden auch einen sehr hohen Anteil fluktuierender Stromerzeugung bei stabilen Netzen ermöglichen. Folie 29