Stromspeicherung und Lastverschiebung im Smart Grid Prof. Dr. R. Simon Juni 2012 1
Transferstelle für Rationelle und Regenerative Energienutzung Bingen Wissenschaftliche Leitung: WIR STELLEN UNS VOR Das Team: + ca. 20 Studierende Aushilfen
Prof. Dr. Ralf Simon simon@tsb-energie.de Hochschullehrer der Fachhochschule Bingen Wissenschaftlicher Leiter der Transferstelle für rationelle u. regenerative Energienutzung Wissenschaftlicher Leiter des Institut für geothermisches Ressourcenmanagement Energiebeirat des Landes Rheinland Pfalz zur Beratung der Landesregierung in energiepolitischen Fragen 4
Überregionale Lieferung von Regelenergie durch virtuelle Kraftwerke Virtuelles Kraftwerk made in Rheinland-Pfalz Betrieb und Weiterentwicklung von diversen virtuellen Kraftwerken in Deutschland Systembereitsteller 5 gefördert vom Ministerium für Umwelt, Forsten u. Verbraucherschutz (MUFV), Rheinland-Pfalz
Randbedingungen einer zukünftigen Energiewirtschaft Methoden der Stromspeicherung Bedeutung des Smart Grid / Virtuellen Kraftwerks und Entwicklung von Geschäftsmodellen 6
Bruttostromerzeugung aus erneuerbaren Energien und Strombedarf in Deutschland bis 2050 7 Quelle: Schmid J., IWES Kassel Jun. 2010
Nutzenergiebereitstellung für Wärme aus erneuerbaren Energien in Deutschland bis 2050 8 Quelle: Schmid J., IWES Kassel Jun. 2010
Herausforderung: Regelfähigkeit und Stromspeicherung Residuale Last = Last minus ungesteuerte EE- Einspeisung minus ungesteuerte KWK - Einspeisung Bildquelle: BMU Leitstudie 2050; EE Anteil 78% Abweichungen zwischen Windstromprognose und tatsächlicher Windstromerzeugung u. U. hohe Gradienten der Laständerung unterschiedlich lange Phasen des Überschusses bzw. des Mangels 9
Herausforderung: Regelfähigkeit und Stromspeicherung Residuale Last = Last minus ungesteuerte EE- Einspeisung minus ungesteuerte KWK - Einspeisung Zukünftige residuale Last verlangt Stromspeicher verschiedenster Art Bildquelle: BMU Leitstudie 2050; EE Anteil 78% Speicher notwendig, um o Frequenz im Übertragungsnetz zu stabilisieren o Spannung im Verteilnetz zu garantieren Dezentrale Speicher brauchen eine Einbindung in ein smart Grid / virtuelles Kraftwerk 10
Flächendeckende Abschaltungen von Windkraftanlagen finden heute schon statt. Abschaltungen in 2010 11 Quelle: neue energie, November 2011
Randbedingungen einer zukünftigen Energiewirtschaft Methoden der Stromspeicherung Bedeutung des Smart Grid / Virtuellen Kraftwerks und Entwicklung von Geschäftsmodellen 12
Stromspeicher 1 Batterie bzw. Akkumulator Batterie als Stromspeicher z. Z. teuer Zukunftsthema bei der Geschwindigkeit des Ausbaus der fluktuierenden EE muss die Geschwindigkeit der Batterieentwicklung deutlich erhöht werden 13
Stromspeicher 1 Batterie bzw. Akkumulator Viele verschiedene Möglichkeiten vorhanden: Nickel-Cadmium, Nickel-Metallhydrid, Lithium-Ionen, Polysulfid-Bromid, Vanadium Redox Flow, Zink-Bromid, Natrium-Schwefel zu beachtende Kriterien: Energiedichte, Zyklenlebensdauer, Ressourcenverfügbarkeit, Umweltverträglichkeit, Kosten großer Vorteil: können in der Spannungshaltung (kleinere Anlagen) und in der Frequenzstabilisierung (größere Anlagen) und in der Elektromobilität eingesetzt werden 14
Stromspeicher 1 Batterie bzw. Akkumulator LESSy (Lithium-Elektrizitäts- Speicher-System) +/- 1 MW; 700 kwh Opel Deis, 2012 10-15 kw; 100 kwh 6 MW; 46 MWh NGK 200 kw; 400 kwh Gildemeister 15
Stromspeicher 1 Batterie bzw. Akkumulator 400 Wh/l 300 Li-Ion Li-Metall 200 Ni-MH Ni-Cd NAS 100 Pb 0 50 100 150 Wh/kg Energiedichte von Batterien H. Pütter, 2007 16
Stromspeicher 1 Batterie bzw. Akkumulator reine Speicherkosten Quelle: VDE-Studie Energiespeicher in Stromversorgungssystemen mit hohem Anteil erneuerbarer Energieträger 17
Stromspeicher 2 - Pumpspeicherkraftwerk Pumpspeicherkraftwerke bewährte Technik der zentral versorgten Stromwelt. keine dezentrale Lösung, nur im Sinne der Frequenzhaltung einsetzbar. Keine Spannungssteuerung im Verteilnetz möglich lange Bauzeiten, hohe Startinvestitionen wenig geeignete Möglichkeiten kurzzeitiger Speicher 18
Stromspeicher 2 - Pumpspeicherkraftwerk Pumpspeicher in Deutschland vorhandene Leistung: ~7 GW in Planung bzw. in Bau: 2,4 GW Zusatzpotential: 3,5 GW 19
Stromspeicher 2 - Pumpspeicherkraftwerk auch mit dezentralem Charakter möglich Ausnutzen von Höhenunterschieden, die sehr oft vorkommen Wettbewerb kreativer Ideen notwendig Pumpen-Turbinen Technik der KSB, Frankenthal 20
Stromspeicher 2 - Pumpspeicherkraftwerk auch mit dezentralem Charakter möglich Nutzung vorhandener, nicht mehr benötigter Strukturen mit geringer Veränderung des Landschaftsbildes Nutzung von Gruben 21
Stromspeicher 2 - Pumpspeicherkraftwerk auch mit dezentralem Charakter möglich Projekt Gaildorf Windleistung: 18 MW Turbinenleistung: 12 MW Speicherkapazität: 70 MWh Quelle: Naturstromspeicher Gaildorf GmbH & Co. KG 22
Stromspeicher 3 Wasserstoff und Methanisierung Hohes Potential, Im MegaWatt Bereich als Prototyp im Aufbau, als Langzeitspeicher geeignet. Erhöhung des Wirkungsgrads notwendig 23 Bildquelle, JUWI bzw. Specht, ZSW 2009
Stromspeicher 3 Wasserstoff Quelle: T. Smolinka, FH ISE, 2012 24
Stromspeicher 3 Wasserstoff Grenzen der H2 Zumischung nach DVGW Regelwerken Quelle: F. Graf, KIT, 2012 25
Stromspeicher 3 Wasserstoff Quelle: F. Graf, KIT, 2012 26
Stromspeicher 3 Wasserstoff 27
Industrie/Gewerbe Versorgungsnetze Stromspeicher 4 virtueller Stromspeicher Speicher KWK Speicher Elektrolyse + Sabatier Wärme EHeizer, WP Gas Speicher Strom Druckluft Kälte Produktion Speicher Speicher Speicher unvollständige Darstellung 29
Stromspeicher 4 virtueller Stromspeicher Ausnutzen vorhandener Strukturen, wie KWK, Laststeuerung 1, industrielle Kältespeicher, industrielle Druckluftspeicher 2, elektrische Wärmeerzeuger wie Wärmepumpe, Elektroheizer mit Speicher Win-Win-Situation zwischen Verteilnetzbetreiber und ansässiger Industrie / Gewerbe Symbiose zwischen Versorger und Industrie zum optimierten Netzmanagement 1: kommt aus dem Energiemanagementsystem, das z. Z. in vielen Firmen eingeführt wird 2: z. Z. werden Druckluftspeicher, Druckluftnetze während der Produktion genutzt. Warum sollten nicht während Phasen des Stromüberschusses nutzbar sein? Gleiches gilt für Kältespeicher 30
Stromspeicher 4 virtueller Stromspeicher Schmid J.: Benötigte Speicherleistung in 2050 im Bereich 50 GW Leistung 1 Klobasa M.: Potential im Sektor Industrie Potential im Sektor Gewerbe/Handel 2,8 GW 10,3 GW Potential im Sektor Haushalt 20,6 GW 2 Zur Einordnung: Potential in der Industrie entspricht dem kompletten Bedarf an Regelenergie im Bereich der Minutenreserve 1 Schmid J.: Dezentrale Energieversorgung und Speichertechnologien, Beirat WIE Okt. 2011 2 Klobasa M.: Dynamische Simulation eines Lastmanagements Dissertation ETH 31 Zürich, 2007
Gesetzliche Rahmenbedinungen Einführung von Energiemanagementsystemen Ziel: Realisieren der umfangreichen Effizienzverbesserungspotenziale in der Industrie Ab 2013 werden Steuerermäßigungen im Bereich der Energie- und Stromsteuern mit einem nachweisbaren Beitrag zur Energieeinsparung gekoppelt. Effizienzpotenziale sollen sichtbar gemacht werden. DIN EN ISO 50001 weitere Informationen unter: www.iso-50001.de Energiekonzept der Bundesregierung, verabschiedet im Bundestag und Bundesrat am 28.09.2010
Gesetzliche Rahmenbedinungen Einführung von Energiemanagementsystemen Ziel: Realisieren der umfangreichen Effizienzverbesserungspotenziale in der Industrie 1. Referentenentwurf des BMF zu den energiesteuerlichen Entlastungen vorgestellt am 2. Energiesteuertag Ab vom 2013 25.11.2011 werden Steuerermäßigungen im Bereich der Energie- und Stromsteuern mit Eckpunkte: einem nachweisbaren Beitrag zur Energieeinsparung 1 ab 2013: gekoppelt. Start der Einführung von EnMS Stufe als Voraussetzung für Entlastungen. Abschluss bis spätestens Effizienzpotenziale Ende 2014 sollen sichtbar gemacht werden. Stufe 2 ab 2015: Erreichen von konkreten Einsparzielen der Unternehmen (0,9 % bei Energieerzeugnissen, 1,3% bei Strom) DIN EN 16001 bzw. ISO 50001 z. Z. in Ressortabstimmung. Abschluss des Gesetzgebungsverfahrens Energiekonzept der Bundesregierung, vor parlamentarischer verabschiedet Sommerpause im Bundestag 2012 und Bundesrat am 28.09.2010 weitere Informationen unter: www.iso-50001.de
Randbedingungen einer zukünftigen Energiewirtschaft Methoden der Stromspeicherung Bedeutung des Smart Grid / Virtuellen Kraftwerks und Entwicklung von Geschäftsmodellen 34
Definition des virtuellen Kraftwerkes virtuelles Kraftwerk = dezentrale Energiestationen + zentrale Ansteuerung 35
Markt: EPEX Stundenkontrakte dargestellt: Mittelwert der Preise für jede Stunde des Tages in 2011 36
Markt: EPEX Stundenkontrakte 37
Markt: EPEX Stundenkontrakte 38
Positive Minutenreserve Ausschreibungsergebnisse 2011 Leistungspreis: mittleres Ergebnis: für die Bereitstellung von Leistung wird im Jahresmittel ein Betrag von 2.751 /MW a gezahlt Arbeitspreis: mittleres Ergebnis: für erzeugten Strom wird im Jahresmittel ein Betrag von 365 /MWh gezahlt 40 www.energycontrol24.de
Negative Minutenreserve Ausschreibungsergebnisse 2011 Leistungspreis: mittleres Ergebnis: für die Bereitstellung von Leistung wird im Jahresmittel ein Betrag von 37.034 /MW a gezahlt Arbeitspreis: mittleres Ergebnis: für aufgenommenen bzw. nicht erzeugten Strom wird im Jahresmittel ein Betrag von 75,3 /MWh gezahlt 41 www.energycontrol24.de
Positive Minutenreserve Optimierung der Handelsstrategie 42 www.energycontrol24.de
Negative Minutenreserve Optimierung der Handelsstrategie 43 www.energycontrol24.de
Stromnebenkosten Nebenkosten /MWh Windpark direkt angebunden an Speicher Stromlieferung über Netz an Speicher EEG- Umlage 35,92 keine (1) keine (1) Stromsteuer 20,50 keine keine Netznutzung ca. 15,00 keine keine (2) Konzession 1,10 keine keine KWK 0,30 keine keine (1) geplante Änderung des EEG, Clearingstelle EEG, April 2012 (2) Befreiung für 20 Jahre; ENWG Juli 2011 118 Abs. 6, Nr 1 44
Schaltvariante BHKW mit beheiztem Speicher: Aufbau (Normalbetrieb) Stromnetz Pufferspeicher Elektro-Erhitzer Erdgas BHKW Wärme Wärme Wärmeverbraucher 45
Schaltvariante BHKW mit beheiztem Speicher: Aufbau (Abruf Regelleistung) Stromnetz Pufferspeicher Elektro-Erhitzer Erdgas BHKW Wärme Wärme Wärmeverbraucher 46
Wärmepumpe in Gewerbe / Verwaltung / Krankenhaus, usw. Simulationsergebnisse Marktstrategie des Händlers: Arbeitspreis nach Gebotsoptimierung wählen, um hohe Jahreseinnahmen zu erzielen Leistungspreis so wählen, dass Pool in Vorhaltung 47 Betriebskosten in /a Kosten Strombezug 35.369 Einnahmen virtuelles Kraftwerk -20.023 Betriebskosten 15.346 Aufschlüsselung der Einnahmen Einnahmen MR Leistungspreis -15.991 eingesparte Stromkosten -428 MR Arbeitspreis -3.604 Gesamt -20.023
Zusammenfassung im zukünftigen Energiemix wächst die Bedeutung für das Thema Stromspeicherung Zunahme des Bedarfs an Regelenergie Volkswirtschaftlich ist es sinnvoll, die kostenarme Produktion von überschüssigem Windstrom zu reduzieren Aufbau von elektrischen Stromspeichern bzw. Möglichkeiten der Lastverschiebung notwendig. Erst die Integration in ein virtuelles Kraftwerk bewirkt einen Beitrag zur Netzstabilität 48
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit zum Schluss noch ein Hinweis Kontakt Prof. Dr. Ralf Simon Transferstelle Bingen Am Langenstein 21 55411 Bingen 49 simon@tsb-energie.de