Grid & storage. Marcus Rennhofer Unit : Grid and storage

Transkript

1 Grid & storage Unit 12 Marcus Rennhofer

2 Content 1. Electric Grid Demand for smart grid Smart Grid Control of smart grid 2. Storage Energy conversion and storage Storage types Comparison

3 Need for prediction accuracy: high fraction of PV in the grid Spitzenlast Grundlast

4 Need for prediction accuracy: high fraction of PV in the grid

5 PV-Ausbau: Potenziale Denzentrale Erzeugung große Kapazitäten ohne Leitungszubau! smart Grids distributed generation Speicher

6 1. Netze

7 Netzebenen Ebene 1: Höchstspannungsnetz mit 380/220 kv, einschließlich 380/220 kv-umspannung 2: Umspannung zwischen Höchst- und Hochspannungsebene 3: Hochspannungsnetz mit 110 kv 4: Umspannung zwischen Hoch- und Mittelspannung 5: Mittelspannungsnetz bis üblicherweise 35 kv 1, 3 6: Transformatorenstationen zwischen Mittel- Niederspannung 7: Niederspannungsnetz mit üblicherweise 5 230/400 V 7

8 Netzregelung Toleranz der Kontenspannungen 10% Bei Abweichung: Netz voll, oder Regelung

9 Netzregelung Mögliche Ansätze: cos konstant cos (P) Q(U) Q(U,P) Q&P(U) Koordinierte Regelung (bedarf eine Kommunikation) mit zentralem Regler (und ront) Entscheidungskriterien Netzeigenschaften Zusätzlicher Blindleistungsbezug Netzverluste Mess- und Kommunikationsinfrastruktur

10 Spannungshaltung durch Blindleistungseinspeisung cos (P) Anlagen speisen Blindleistung entsprechend ihrer aktuellen Wirkleistung ein. Einspeisung nach Kennlinie

11 Spannungshaltung durch Blindleistungseinspeisung Q(U) Anlagen speisen Blindleistung entsprechend ihrer aktuellen Netzspannung ein. Einspeisung nach Kennlinie

12 Spannungshaltung durch Wirk- und Blindleistungseinspeisung Q(U)&P(U) Blind- und Wirkleistungsregelung um Spannung in einem zulässigen Bereich zu halten Q(U) & P(U) Alle Anlagen erhalten selbe Kennlinie +Q max 0,8 0,92 1,0 1,08 1,1 1,2 U/U N 0,94 1,06 1,09 -Q max -100% ΔP/P current

13 Spannungshaltung Modellregion DG Demo Net

14 2. Speicher

15 PRINCIPLES OF OPTIMIZATION OF SELF- CONSUMPTION

16 Energy and Conversion Energy can not be generated. = 1. law of thermodynamics (sum of energies in a system = sum of heat and work)

17 Energy and Conversion Energie kann nur in ihren Erscheinungsformen umgewandelt werden. Jedes System strebt einem energetischen Minimum zu. Gekoppelte Systeme gleichen ihre Energieniveaus an. Die Umwandlung von Energie ist nur unter Zunahme der Entropie möglich. Energie-Umwelt.ch

18 Umwandlung von Energie Mechanisch Gravitation G-Linse Lens-Thierring Elektromagn. Thermisch Chemisch

19 Speicherung Speicherung in einer Form der Energie Mechanisch Thermisch Chemisch Gravitation Elektromagnetisch Speicherung ist das Verhindern der Rückkehr in ein Gleichgewicht, oder Aufbau eines Potenzials. Nutzung der gespeicherten Energie führt in ein thermodynamisches Gleichgewicht.

20 Speicherung Typisierung

21 Energie und Leistungsbereiche

22 PV-Ausbau: technische Hürde: Speichertypen Pb-Gel: - Standard im Inselbereich, teuer, Säure, kurzlebig + technisch voll entwickelt, vorhersagbar Pump (H 2 O): - kaum rentabel (min 25 Jahre!), Potenzial begrenzt, Investition + ganz erneuerbar, rasch verfügbar, lange Haltezeiten, 99% aller Speicher Li-Ionen: - schon im Markt, noch teuer, technisch nicht ganz ausgreift + Haushaltsanwendungen, E-Autos, hohe Zyklenzahl möglich Na-S: - konstant >300 C; kostenintensiv, wartungsintensiv + für Netzpuffer >100 MWh geeignet Methan: - Strom-Strom Wirkungsgrad bis <<50%, emittiert CO2 + Periphertechnik vorhanden, geschlossener CO2-Kreis H 2 : - technisch schwierig, Strom-Strom Wirkungsgrad <<50% + fast Emissionsfrei

23 PV-Ausbau: Speichertypen: Einsetzbarkeit aus Sicht der PV Kosten / kwh Methan H 2 Na-S Pb-Gel: Pb-Gel Li-Ionen Technische Reife Investition Methan H 2 O H 2 O Na-S Li-Ionen Pb-Gel?? H 2 Ausbaupotential Skalierbarkeit Zyklenzahl Kurz- / Langzeitspeicher Mobilität / Flexibilität

24 Storage systems: prices for Li-Ion batteries bestmag.co.uk

25 Storage systems: safety and security

26 Storage systems: cycles

27 Lageenergiespeicher

28 Lageenergiespeicher Storage capacity E = (2ρ r - 3/2ρ w )πgr meters would already result in a storage capacity of 8 GWh

29 Redox Flow Batterie Hohe Zyklenzahl Hohe Investitionskosten Hohe Wartungskosten Skalierbar Lange Lebensdauer

30 Fly-Wheel Speicher Hohe Zyklenzahl Hohe Investitionskosten

31 Druckluftspeicher Hohe Zyklenzahl Große Speichermengen vorhanden (>500 MW) KBB Underground technologies

32 PV + H2 KBB Underground technologies

33 PV + Speicher Auslegungsbeispiel Schlüsselergebnisse: 72 kwp PV, 7000 m2 Bürogebäude Nutzung des Stromes aus der Photovoltaikanlage mit hohem Verwertungsgrad möglich. Nutzung kann sowohl elektrisch als auch thermisch erfolgen. Umsetzbarkeit der Nutzungsmodelle bei keinem / geringem, technischen Aufwand. Relevanz und Rentabilität gegeben

34 PV + Speicher Auslegungsbeispiel 1. Überschuss elektrische Nutzung: Allgemeiner Gebäudeverbrauch Der photovoltaische Ertrag wird im Gebäude für allgemeinen Stromverbrauch verwendet und der Überschuss wird rein elektrisch gespeichert, kein thermischer Speicher. 2. Überschuss elektrische Nutzung: Integration des Nutzerstroms der zukünftigen Mieter Vergleichbar zum vorherigen Nutzermodell, nur wird der PV-Strom entweder ausschließlich oder zusätzlich zur Deckung des Nutzerstroms verwendet. 3. Überschuss-thermische Nutzung: Der photovoltaische Ertrag wird im Gebäude für allgemeinen Verbrauch genutzt. Überschuss wird zu 100% thermisch gespeichert, kein elektrischer Speicher 4. Überschuss elektrische und thermische Nutzung Kombination aus 1 + 2: 5. Thermische Nutzung: Der photovoltaische Ertrag wird zu 100% als thermische Energie über die Wärmepumpen in den Erdsonden gespeichert: Das ergibt einen Tages- & Saisonspeicher.

35 PV + Speicher Auslegungsbeispiel Ohne Speicher für ein Bandlastprofil Nutzungsgrad für elektrischen Verbrauch mit dem Speicher für ein Bandlastprofil

36 Example for System effieciency PV-electricity E-Mobility

37 Example for System efficiency Use case : PV-electricity electrolysis Low temperature fuel-cell Hydrogen-car 3-5 EUR / 100km

38 Example for System efficiency

39 Thank you for your attention!