Elektrische Energiespeicher Bedarf Stand der Technik Ausblick

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1 Elektrische Energiespeicher Bedarf Stand der Technik Ausblick Dr. Christian Doetsch Fraunhofer Institut UMSICHT Fraunhofer Netzwerk»Energiespeichersysteme und Netze«Folie 1

2 Warum brauchen wir Stromspeicher? Einspeisung fluktuierender Energien erzeugen starke Schwankungen im Netz Netzüberlastung Unterversorgung Fraunhofer EON Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch ist jederzeit notwendig Regel-/Reserveleistung (positiv/negativ) notwendig (bis zu 20 % Regel-/Reserveleistung der installierten Windkraft) * massiver Netzausbau / -verstärkung erforderlich (Höchstspannungsnetz in 2015 Verstärkung von 392 km, Neubau 850 km) * * (dena Netzstudie I, 2005) Folie 2

3 Was ändert sich in Zukunft? 200 EU-Verbund EE Bruttoleistung [GW] regenerativ Photovoltaik Wind an Land Wind Offshore Laufwasser Biomasse, Biogase Geothermie fluktuierend kontinuierlich 60 KWK, fossil fossil Gas Kond. Kohle Kond. regelbar 0 Kernenergie (Grafik: Fraunhofer, Daten: BMU Leitstudie 2007) Folie 3

4 Warum brauchen wir in Zukunft vermehrt Stromspeicher? Massiver Ausbau erneuerbarer Energien bis 2030 Wind bis 50 GW Solar bis 12 GW bis 2050 Fluktuierende über 90 GW Leistungsbedarf bei ca GW Verhältnis fluktuierender zu regelbarer Leistung heute: 1 zu : 1 zu 1, zu 0,5 Folie 4 Bruttoleistung [GW] (Grafik: Fraunhofer, Daten: BMU Leitstudie 2007)

5 Gleichen sich nicht die ganzen Erneuerbaren Energien aus? Kurzfristige Schwankungen im Netz Windböen, Wolkendurchgang gleichen sich aus. Regionaler Energieausgleich eher gering, da die regionalen Wetterverhältnisse ähnlich sind. Großräumiger/internationaler Energieausgleich dena Netzstudie I nur sehr begrenzt möglich, da - Hochlastzeiten europaweit ähnlich, - Netzkapazitäten begrenzt - internationale Koppelstellen häufig ausgelastet sind Folie 6

6 Können vorhandene Speicherseen genutzt oder ausgebaut werden? Nutzung von Speicherseen Fraunhofer werden in Deutschland schon intensiv genutzt Ausbau der Speichersee-Kapazität massiver Eingriff in die Landschaft in Deutschland nur in sehr geringem Umfang noch möglich Anschluss weiterer Speicherseen im Ausland Nutzung der Speicherseen durch das Übertragungsnetz/Koppelstellen (bisher) begrenzt Evtl. Einbindung der Speicherseen in Norwegen Folie 7

7 Wie funktionieren Energiespeicher? Funktionsweise realer Energiespeicher Fraunhofer Folie 9

8 Welche Technologien für Energiespeicher werden eingesetzt? Pumpspeicherkraftwerke (PH) - effizient - topologische Anforderungen - problematischer Ausbau Druckluftspeicherkraftwerk (CAES) - bisher (noch) wenig effizient - Kompressorentwicklung notwendig - besondere geologische Anforderungen RWE. EON. Vision Micro-CAES - bisher nur Konzept Fraunhofer. Folie 10

9 Welche Technologien für Energiespeicher werden eingesetzt? Natrium-Schwefel-Batterie (NaS) - Einsatz kritischer Materialien - hohe Temperaturen - Stand-by Verluste Bleibatterie (LA) - Stand der Technik - kostengünstig - geringe Lebensdauer NGK Insulators Ltd. Redoxflow-Batterien (Redox) - günstiges Scale-up - hoher Entwicklungsbedarf / hohes Entwicklungspotenzial Fraunhofer (Batteriespeicher Mont Cenis) Fraunhofer Fraunhofer Stack Folie 11

10 Wie unterscheiden sich die Technologien für Energiespeicher? Mittel-/Langfrist Realisierte Anlagen Pumpspeicherkraftwerke Druckluftspeicherkraftwerke Redox-Flow Batterien Bleibatterien 100,0000 Discharge Entladezeit rating [h] [h] 10,0000 1,0000 Redox Flow NaS CAES Pumped Hydro Kurzfrist 0,1000 Lead Acid Battery Bleibatterien Schwungradspeicher Kondensatoren Supraleitende Spulen Folie 12 0,0100 Flywheel Double 0,0010 layer capacitor SMES 0,0001 0,001 0,01 0, Elektrische Power ratings Leistung [MW] [MW]

11 Weltweite Leistung von Energiespeichern Druckluftspeicher 477 MW el Compressed Air Energy Storage NaS-Batterie >200 MW el Sodium-Sulphur Battery Bleibatterie Redox-Flow 125 MW el 11 (38*) MW el Lead-Acid Battery Redox-Flow Battery NiCd-Batterie 26 MW el Nickel-Cadmium Battery * inklusive zweier abgebrochener Regenesys Projekte Folie 15

12 Weltweite Leistung von großen Energiespeichern Wasserkraftwerke (PH) Compressed Air Energy Storage Sodium-Sulphur Battery MW el Lead-Acid Battery Redox-Flow Battery über 99% der Energiespeicherleistung Nickel-Cadmium Battery Folie 16

13 Entwicklung der Anlagenzahl von großen Energiespeichern weltweit * Anzahl installierter Energiespeichersysteme systems PHES CAES Lead Acid Battery NaS Battery NiCd Battery Redox Flow Battery Jahr Fraunhofer Folie 17

14 Ist der Speicherbedarf eine rein deutsche Problematik (EEG)? Folie 18 Deutschland In Deutschland basiert der Bedarf an Energiespeichern vorrangig auf dem Ausbau der Erneuerbaren Energien und deren regionaler Verteilung. Japan Hier besteht der hohe Energiespeicherbedarf (über 200 Batteriespeicher im Megawattbereich) vor allem durch Netzrestriktionen (Netzstruktur, Topologie, Koppelstellen, Bebauungsdichte). USA, Südeuropa In Ländern mit ausgeprägter sommerlicher Spitzenlast (verschärfend: hoher Anteil an Grundlaststromerzeugern) steigt der Speicherbedarf. Inseln Speicher sind dort zumeist technisch notwendig.

15 Wie hoch ist die Effizienz der Energiespeicher überhaupt? Gesamtwirkungsgrad (AC-AC) beeinflusst durch Anwendung / Teillast, Effizienz der Wechselrichter, Trafos Lithium-Batterien (bis zu 90%) Pumpspeicher, Bleibatterie (bis zu 80%) NaS / Redoxflow-Batterie (ca %) Druckluftspeicherkraftwerk (ca %) Wasserstoff BZ (ca %) Folie 19

16 Welche dieser Technologien werden in Zukunft eingesetzt und wo? Zentral im Netz / an großen Windparks 110 kv 20 kv Fabrik Zukünftig Druckluftspeicher im 2 bis 3-stelligen MW-Bereich (adiabate CAES, Micro-CAES) Langfristig H 2 -GuD im 3-stelligen MW-Bereich Dezentral an Netzknoten / mittelgroßen Einspeisern (Windanlage, große PV) Stand der Technik: Blei- / NaS-Batterien Zukünftig Redox-Flow Batterien 0,4 kv Stadt 20 kv 110 kv Lokal bei netzfernen Endkunden bzw. Kleineinspeisern (Dach-PV) Stand der Technik: Bleibatterien Zukünftig Lithium-Batterien Folie 20

17 Wie arbeiten virtuelle Energiespeicher? Virtuelle Energiespeicherung»Demand Side Management«Abschaltbare Verbraucher Industrie: Lastmanagement Privathaushalte: Begrenztes Potenzial (Kühl-/Gefrierschränke)»Demand Respone«Zentrale Regelung dezentraler Anlagen (Strom, Wärme, Kälte) Nutzung dezentralen Wärme-/Kältespeicher (bspw. Wärmepumpenheizung) DAVID Web-Service VPN-Router mit Firewall VPN-Router mit Firewall VPN-Router mit Firewall Daten- Server Fraunhofer Anwendungszentrum Systemtechnik Ilmenau (AST) Netzleitsystem -VNB - EMS -VNB - EDM -VNB - Netzsimulation AMM -Metering- EDM, EMS - BKV1 - EDM, EMS - BKV2 - Daten- Physikalische Abnehmer konzentrator Physikalisches Netzmodell Internet - VPN-Verbindung - TU Ilmenau, FG Elektrische Energieversorgung Netzleitsystem - ÜNB - Echtzeitnetzsimulation Netzsimulation Protokollsimulation Digitale Schutztechnik Grubengas- Grubengas- Ökohaus in BHKW PV-Anlage PV-Anlage Daten- Daten- BHKW BHKW Japan konzentrator konzentrator Standort Fraunhofer UMSICHT Standort Erfurt Windpark Solardorf VPN-Router mit Firewall VPN-Router mit Firewall VPN-Router mit Firewall Fraunhofer Folie 21

18 Zukunftsthema Energiespeicher im Netz Strom nach Bedarf aus Sonne und Wind Fraunhofer Netzwerk: Energiespeichersysteme und Netze Das Ziel des Fraunhofer Zukunftsthemas»Energiespeicher im Netz«ist die Entwicklung von neuen Technologien und Systemen zur dezentralen elektrischen Energiespeicherung (»Stromspeicher«). Auf Basis des Zukunftsthemas hat sich das Fraunhofer Netzwerk»Energiespeichersysteme und Netze«gegründet. Themen elektrische Energiespeicher /-systeme thermische Speicher Netze/Leistungselektronik Energiemanagementsysteme dezentrale Speicher und Regelstrukturen Folie 24

19 Zukunftsthema Energiespeicher im Netz Strom nach Bedarf aus Sonne und Wind Fraunhofer Netzwerk: Energiespeichersysteme und Netze Fraunhofer UMSICHT (Koordination) Fraunhofer AST Fraunhofer ICT Fraunhofer IFAM-DD Fraunhofer IFF Fraunhofer ISE Fraunhofer ISI Fraunhofer ISC Fraunhofer ISIT Fraunhofer IWES Folie 25 Koordinator: Dr. Christian Doetsch

20 Noch weitere Fragen? Besuchen Sie uns! Hannovermesse April 2010 Halle 13, Stand E44 Dr. Christian Doetsch Tel.: Folie 26