Ergänzende Technologien zur Integration erneuerbarer Energien

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1 Ergänzende Technologien zur Integration erneuerbarer Energien Konferenz Energiewende Zwischen Konzept und Umsetzung Bonn Dirk Uwe Sauer Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) und Institute for Power Generation and Storage Systems E.ON ERC RWTH Aachen University Contact: batteries@isea.rwth-aachen.de Jägerstrasse (ISEA) Mathieustrasse (E.ON ERC) Hüttenstrasse (Test center) Neue Energie braucht die Welt Ressourcen sind endlich, kritisch ist aber vor allem die erzielbare Förderleistung. Quelle: Energy Watch Group 2013

2 und die Welt bekommt neue Energie. Schneller als erwartet Installation alleine in Deutschland Quelle: EPIA und Greenpeace 2006 und die Welt bekommt neue Energie. und günstiger als erwartet. Quelle: EPIA 2004 Kosten aktuell 2013: ct/kwh

3 Kostendegression von PV-Hausdachanlagen Stromgestehungskosten und EEG-Einspeisevergütung Freifeldanlagen > 1MW Hausdachanlage ~ 5kW Kapitalkostensatz 4 %, Betriebskosten 1 %/Jahr, Minderung des Ertrags 0,1 %/Jahr, Nutzungsdauer 25 Jahre Anlagengröße bis 10 kw bis 40 kw bis 1 MW bis 10 MW EEG-Einspeisevergütung 17,0 ct/kwh 16,1 kwh 14,4 ct/kwh 11,8 ct/kwh (Stand 01/2013, geschätzt) Quelle: Wikipedia,

4 Solarpark Lieberose Stromerzeugungsmix in Deutschland GW 31 GW

5 Strommix in Deutschland ändert sich Konsequenzen Anteil des Stroms am Endenergieverbrauch wird steigen. Sinkende Erzeugungskosten erneuerbarer Energien führen zu einer stärkeren Lokalisierung der Erzeugung. Sektorübergreifende Energiekonzepte sind dringend notwendig. Wichtigste Schwierigkeiten bzw. Herausforderungen: Akzeptanz insbesondere der Übertragungsnetze Kosten der Speicher (technische) Entwicklungsschwerpunkte neben den Stromerzeugern: Netztechniken Leistungselektronik Speicher

6 Technologien für elektrische Energiespeicher Redox-Flow Batterien Wasserstoff Pumpspeicher Supraleitende Spulen Elektromobilität Eigenverbrauch in PV-Anlagen Schwungrad Supercapacitors Doppelschichtkondensatoren Batterien - Blei, Lithium, NaNiCl,... Druckluft Die Energiewelt wird komplizierter Strom Mobilität Wärme Gas

7 Zentrale Fragen zur Netzen- und Energiespeicherung 1. Wie viel Speicher- und Netzkapazität wird benötigt? 2. Gibt es einen Wettbewerb zwischen Netzen und Speichern? 3. Wo sollten die Netze und die Speicher errichtet werden? 4. Gibt es ein Problem, die notwendige Speicherkapazität aufzustellen? 5. Welche politischen Unterstützungsmaßnahmen und welches Marktdesign ist notwendig, um den Ausbau von Speichern und Netzen zu erreichen? Vorhersage des Speicherbedarfs ist schwierg, weil der Bedarf sehr sensibel reagiert auf... Kraftwerksmix (z.b. Anteil fluktuierender und nicht-fluktuierender Stromerzeuger, fossil gefeuerte Kraftwerke mit oder ohne CCS) Netzausbau (insbesondere transnationale Netze) Kosten der Speichersysteme Kapazitäten von Speichersystemen mit Doppelnutzen Speicher sind kein Selbstzweck, d.h. es geht nicht um eine Maximierung der Speicherkapazitäten. Es gibt immer auch technische Alternativen zu Speichern. Eine gesamtwirtschaftliches Optimum muss gefunden werden.

8 Speicherbedarf für Deutschland bei 100% erneuerbare Energien Kurzzeitspeicher GW 2 4 Stunden Energie Langzeitspeicher GW (Ausspeicherung) Bis maximal 3 Wochen (ca. 20 TWh) Grobe Abschätzungen, dienen nur der ungefähren Einschätzung des Bedarfs Beispiel für Größe von Batteriespeichern 20 Fuss-Container mit 1 MWh / 1 MW Angebot auf HannoverMesse 2012 für ca (inkl. Leistungselektronik, ohne MS-Anschluss) 600 solcher Container liefern die gesamte Primärregelenergie für Deutschland

9 Systemkosten günstigster Anbieter 600 /kw für 1 MWh / 1 MW 950 /kw mit 2 MWh / 1 MW 1300 /kw mit 3 MWh / 1 MW 1650 /kw mit 4 MWh / 1 MW Planungs- und Errichtungsdauer < 6 Monate Achtung: Lebensdauer der Batterie nicht von uns verifiziert! Preis anderer Anbieter liegt derzeit noch mehr als doppelt so hoch Abschätzung von Systemkosten in der Zukunft MWh-Speicherkapazität: 200 T T (Lebensdauer heute wahrscheinlich bis 10 Jahre, 20 Jahre lassen sich wahrscheinlich erreichen) MW Leistungselektronik: 100 T Systemintegration: 100 T (geschätzt) Kostenziel ca. 450 T für 1 MWh / 1 MW ca. 450 /kw mit 1 kwh ca. 750 /kw mit 2 kwh ca /kw mit 3 kwh ca /kw mit 4 kwh Planungs- und Errichtungsdauer < 6 Monate

10 Beispiel für Größe von Batteriespeichern Modernste Klasse von Containerschiffen haben Platz für rund Container (Grundfläche rund 400 m x 56 m) Beispiel für Größe von Batteriespeichern Modernste Klasse von Containerschiffen haben Platz für rund Container (Grundfläche rund 400 m x 56 m) Gefüllt mit Batteriecontainern entspricht dies einer Kapazität von 15 GWh / 15 GW (alle deutschen PSK haben zusammen 40 GWh / 6 GW) Energie

11 Beispiel für Größe von Batteriespeichern Modernste Klasse von Containerschiffen haben Platz für rund Container (Grundfläche rund 400 m x 56 m) Gefüllt mit Batteriecontainern entspricht dies einer Kapazität von 15 GWh / 15 GW (alle deutschen PSK haben zusammen 40 GWh / 6 GW) Leistung Beispiel für Größe von Wasserstoffspeichern Heute vorhandene Kavernenspeicherkapazität in Deutschland für Erdgas: ca. 20 Mrd. m 3 Mit Wasserstoff gefüllt kann daraus 3 Wochen Strom für Deutschland produziert werden (Rückverstromung mit 60% Wirkungsgrad über GuD-Kraftwerke oder Brennstoffzellen)

12 Probleme der Energiespeicherung sind nicht fehlende Technologien oder verfügbarer Platz sondern die Wirtschaftlichkeit! Primäres Ziel sind nicht neue Speichertechnologien, sondern Technologien mit geringeren Lebenszykluskosten Rahmenbedingungen und Märkte, die den Speichern ihren vollständigen Systemnutzen vergüten Netzstruktur und begrenzte Übertragungsleistung Stromerzeugung Wind Photovoltaik 220 / 380 kv 110 kv 10/20 kv 400 V ~ 1 kw pro Haushalt ~ 4 6 kw pro Haushalt Speichertechnologien Pumpspeicher Druckluft Wasserstoff DSM (demand side management) power to H 2 / CH 4 DSM (demand side management) Batterien power to H 2 / CH 4 DSM (demand side management) Elektrofahrzeuge Batterien

13 Konzept für ein CO 2 -neutrales Versorgungssystem PGS Power Generation and Storage Systems Leistungselektronik ist die zentrale Enabling Technology PGS Power Generation and Storage Systems

14 Elektronische Verteilstation DC-DC-Wandler Leistung 5 20 MW pro Einheit, skalierbar bis zu einigen GW Sehr hoher Wirkungsgrad (bis zu 99,2 %) Mittelfrequenz-Transformator ( Hz) Große Einsparung beim Gewicht und Volumens des Wandlers U DC1 U DC2 PGS Power Generation and Storage Systems Vernetzung verschiedenen Energiesektoren kann Speichernutzung optimieren Strom Mobilität Wärme Gas

15 Power to gas Saubere Differenzierung notwendig power to gas Elektrische Energie wird in Wasserstoff umgewandelt (oder Methan oder Methanol oder Cabazol oder ) zur Nutzung ausserhalb des Stromsektors (z.b. Mobilität, Wärme, chemische Industrie). Gasspeichersystem (analog zu z.b. Druckluftspeichersystem) Elektrische Energie wird in Wasserstoff umgewandelt, der Wasserstoff wird gespeichert (z.b. in Salzkavernen) und wird wieder in elektrische Energie zurückgewandelt. Funktionen und Aufbau power to gas Liefert Negative Regelleistung Komponenten: Elektrolyser, ggf. H 2 CH 4 Reaktor, Gaspipelines und Gasspeicher Bringt CO 2 -freie Energie in die nicht-elektrischen Energiesektoren (heute etwa 2/3 des Endenergiebedarfs) Gasspeichersystem Liefert positive und negative Regelleistung Komponenten: Elektrolyser, Gasspeicher, Brennstoffzelle oder Gasturbine Anwendung: gesicherte Leistung durch Langzeitspeicher

16 Vernetzung verschiedenen Energiesektoren kann Speichernutzung optimieren 85% 100% - 350% 93% Strom Mobilität 60% 60% - 75% Wärme Gas 25% - 50% 100% Umwandlungswirkungsgrade Vernetzung verschiedenen Energiesektoren kann Speichernutzung optimieren Strom hoch Mobilität hoch gering Wärme gering Gas Speicherkosten

17 Vernetzung verschiedenen Energiesektoren kann Speichernutzung optimieren Strom mittel Mobilität hoch Wärme gering / mittel Gas Transportkosten Beispielhafte Konversions-, Speicher- und Transportpfade bis Endenergienutzung Strom aus Windkraft Batterieelektrisches Fahrzeug Strom Fern-Transport Strom zu Antrieb 93% x 80% = 74,4% Strom aus Windkraft Fahrzeug mit ICE (CH 4 ) Power 2 Gas (Methan) Gas Fern Transport Gas 2 Mobility 65% x 90% x 30% = 17,6% Strom aus Windkraft Wärmeenergie aus saisonalem Wärmespeicher Strom Fern-Transport Power 2 Heat (Wärmepumpe) LangzeitWärmespeicher Wärme Nah-Transport 93% x 300% x 75% x 90% = 188% Strom aus PV Anlage Wärmeenergie durch Gasbrenner nach Gasspeicherung Strom Nah-Transport Power 2 Gas (Methan) Langzeitgasspeicher Gas 2 Heat 98% x 65% x 90% x 95% = 54,6% Alle Beispiele sind exemplarisch, Wirkungsgrade variieren je nach eingesetzter Technik Vollständige Betrachtung muss Kosten und Technologieakzeptanz berücksichtigen

18 Strom zu Wärme ein Tabu? Fallende PV-Strompreise werden zu einer verstärkten Wärmeerzeugung aus Strom führen. Voraussetzung: Wärmepumpensysteme Rechenbeispiel Strom aus Hausdach PV-Anlage (< 10 kw): 19,5 ct/kwh Wärmeerzeugung mit Wärmepumpe (Faktor 3,5): 1 kwh el 3,5 kwh thermisch Wärmekosten (nur Energie, keine Investkosten): 5,6 ct/kwh Wärme aus Erdgas: 5 7 ct/kwh Tendenz: PV-Strompreis, Erdgaspreis Speicherung von Niedertemperaturwärme sehr viel günstig als eine Batterie Hohe Attraktivität für Wärmeerzeugung über PV-Anlage selbst mit Saisonalem Speicher Gibt es Wettbewerb Speicher gegen Netze? Generell Netze ermöglichen eine Verschiebung von Energie im Raum. Speichersysteme ermöglichen eine Verschiebung von Energie in der Zeit. Übertragungsnetz Kein Speichersystem ist günstig genug um der Ausbau des Übertragungsnetzes zu ersetzen, wenn irgendwo im Raum ein Abnehmer für die elektrische Energie gefunden werden kann und ein Netz gebaut werden kann. Verteilnetz Ergebnisse sind nicht so eindeutig, da die spezifischen Kosten des Verteilnetzes drei bis fünfmal höher als im Übertragungsnetz sind. Einzelfallabwägung ist notwendig.

19 Klassifizierung von Speichern für Strom und Wettbewerbstechnologien Zentrale Speichersysteme Typischerweise nur als große Einheiten wirtschaftlich betreibbar Meist an spezielle Standorte (z.b. Pumpspeicher, Druckluft) gebunden Modulare Speichersysteme Speicher sind aus kleinen Einheiten aufgebaut Aufbau ist nicht an bestimmte Umgebungsvoraussetzungen gebunden Mit wachsender Größe kaum wirtschaftliche Skaleneffekte Modulare Speichersysteme mit Doppelnutzen Speicher erfüllen einen anderen Primärzweck Netzdienstleistung sind ein kostengünstig anbietbarer Zusatzverdienst Modulare Speichersysteme mit Doppelnutzen werden Kurzzeit- & Tagesspeichermarkt dominieren Speichersysteme werden für einen anderen Primärnutzen angeschafft Netzserviceleistungen bieten eine zusätzliche Einnahmequelle Sehr hohes Potential Vehicle to grid Eigenverbrauch in PV-Anlagen Demand side management (z.b. Hauswärme) Neubau von Zentralspeichersystemen (z.b. Pumpspeicherkraftwerke, Druckluftspeicher) werden auf der Zeitskala von Stunden kaum wettbewerbsfähig sein!

20 Speicher in netzgekoppelten PV-Anlagen Persönliche Optimierung des Strombezugs Einsatz von Speichern zur Optimierung des Eigenbedarfs Persönlicher Nutzen Strombezugspreis für Endkunden: ct/kwh Stromgestehungskosten neue PV-Anlagen: 16,5 ct/kwh Stromgestehungskosten nach 20 Jahren EEG-Förderung: nahe 0 ct/kwh Doppelnutzen für zusätzliche Netzdienstleistungen auf jeden Fall im Kurzzeitspeicherbereich möglich Wirtschaftlich für den Betreiber sicher attraktiv Start Marktanreizprogramm der Bundesregierung im Frühjahr 2013 geplant Bild: Wiikmedia Commons Speicherklassifizierung Strom zu Strom "Electricity to Electricity" storage systems only "seconds to minutes" storage systems "daily" storage systems "weekly to monthly" storage systems E2P ratio < 0.25 h 1-10 h h typical power modular storage systems with double use modular storage technologies for grid control only 1 kw - 1 MW 1 kw MW Direkter Wettbewerb - electric and plug-in hybrid vehicles with bi-directional charger - grid-connected PV-battery systens (e.g. lead-acid, lithium-ion, NaS, redox-flow, zinc-bromine batteries) - flywheels - (lead-acid batteries) - lithium-ion batteries - NiCd / NiMH batteries - EDLC ("SuperCaps") - electric and plug-in hybrid vehicles with bidirectional charger - grid-connected PV-battery systens (e.g. lead-acid, lithium-ion, NaS, redox-flow, zinc-bromine batteries) - lead-acid batteries - lithium-ion batteries - NaS batteries - redox-flow batteries - zinc-bromine flow batteries - redox-flow batteries (?) centralised storage technologies 100 MW - 1 GW - pumped hydro - compressed air (diabatic or adiabatic) - hydrogen - hydro storage

21 Vergleich von Alternativen Tages -Speicher "Daily" storage systems Electricity to Electricity storage systems only "Anything to electricity" positive control power "Electricity to Anything" negative control power modular storage systems with double use modular storage technologies for grid control only centralised storage technologies typical power - lead-acid batteries - lithium-ion batteries - NaS batteries 1 kw - 1 MW - redox-flow batteries - zinc-bromine flow batteries 1 kw MW 100 MW - 1 GW - CHP units with thermal - electric and plug-in hybrid storage vehicles with bidirectional - Demand side manag. - bio-gas charger power plants (DSM) of electrical loads - grid-connected PV-battery (shut down) systems - Electric vehicles and PHEV (stop charging) - lead-acid batteries - lithium-ion batteries - NaS batteries - redox-flow batteries - zinc-bromine flow batteries - pumped hydro - compressed air (diabatic or adiabatic) - bio-gas power plants - gas power plants - coal power plants - hydro storage - solar thermal power plants with heat storage - hydrogen for direct use (e.g. in the traffic secor) - methan or methanol made from CO2 and hydrogen - shut down of renewables (wind, PV) - electric domestic house heating or cooling incl. heat pumps - demand side management (household & industry) - cooling devices - electric vehicles & PHEV (uni-directional charger) - hydrogen for direct use (e.g. in the traffic secor) - methan or methanol made from CO2 and hydrogen - shut down of renewables (wind, PV) - hydrogen for direct use (e.g. in the traffic secor) - methan or methanol made from CO2 and hydrogen Vergleich von Alternativen Tages -Speicher "Daily" storage systems Electricity to Electricity storage systems only "Anything to electricity" positive control power "Electricity to Anything" negative control power modular storage systems with double use modular storage technologies for grid control only centralised storage technologies typical power 1 kw - 1 MW Direkter Wettbewerb 1 kw MW 100 MW - 1 GW - electric and plug-in hybrid vehicles with bidirectional charger - grid-connected PV-battery systems - lead-acid batteries - lithium-ion batteries - NaS batteries - redox-flow batteries - zinc-bromine flow batteries - pumped hydro - compressed air (diabatic or adiabatic) Direkter Wettbewerb - CHP units with thermal storage - Demand side manag. (DSM) of electrical loads (shut down) - Electric vehicles and PHEV (stop charging) - bio-gas power plants - gas power plants - coal power plants - hydro storage - solar thermal power plants with heat storage - electric domestic house heating or cooling incl. heat pumps - demand side management (household & industry) - cooling devices - electric vehicles & PHEV (uni-directional charger) - hydrogen for direct use (e.g. in the traffic secor) - methan or methanol made from CO2 and hydrogen - shut down of renewables (wind, PV) - hydrogen for direct use (e.g. in the traffic secor) - methan or methanol made from CO2 and hydrogen

22 Zusammenfassung Speicher Technologien für Energiespeicherung sind vorhanden! Kapazitäten sind eine Herausforderung, aber kein Problem! Bedeutung von intersektoriellem Energietransfer, Speicherung und Transport wird zunehmen Speicher sind kein Selbstzweck sondern Teil der Technologien für Ausgleichsenergien Marktpreise für Regelleistung sinken mit zunehmender Installation von Speicherkapazitäten Speicher mit Doppelnutzung sind sehr wettbewerbsfähig für Netzdienstleistungen Dezentrale Speichertechniken für den Stundenbereich werden die Marktsituation für Zentralspeicher sehr schwierig machen. Ergänzende Technologien zur Integration erneuerbarer Energien Konferenz Energiewende Zwischen Konzept und Umsetzung Bonn Dirk Uwe Sauer Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) und Institute for Power Generation and Storage Systems E.ON ERC RWTH Aachen University Contact: batteries@isea.rwth-aachen.de Jägerstrasse (ISEA) Mathieustrasse (E.ON ERC) Hüttenstrasse (Test center)