Energiespeicherung für die Energiewende Prof. Dr.-Ing. Hartmut Spliethoff Garching, den 27.10.2012
1. Herausforderungen der Energiewende 2. ZAE Bayern 3. ZAE Bayern Abteilung 1 4. Bayerisches Zentrum für Angewandte EnergieSpeicher-Technologien ZAE-ST
Herausforderungen der Energiewende
installierte Leistung [GW] Kraftwerkspark in Deutschland Studien 2050 300 250 200 150 100 50 0-50 29,1 4,4 5,5-1,5 37 39 25 34-6,6 103 k.a. 30 5,2 8,8 0 36,5 42,8 5,2 10,6 0 32 50,8 65 67,2-32 42,9-40 Stand 2011 IWES (2010) VDE (2011) BMU (2011) SRU (2011) UBA (2010) Stand 2011 IWES (2010) VDE (2011) BMU (2011) SRU (2011) UBA (2010) Studie 34,8 5,2 10,4 10,5 73,2 33,1 85,9-32 4,5 33,4 0 45 60 120-44 5,2 23,3 6 Speicher konventionell Wasser Biomasse Geothermie Import Wind Offshore Wind Onshore PV Maximale Last (79,8 GW) Minimale Last (40 GW) 20,3 75 80 84,9 100 100 EE-Anteil [%] 3
Überschussstrom [TWh] Überschusstrompotential in Deutschland Studien bis 2050 2011 EE-Anteil [%] 20,3 EE installierte Leistung [GW] 66 Überschussstrom [TWh] ca. 0,1 100 80 60 40 20 0 2050 Studien UBA (2010) SRU (2011) IWES (2010) VDE (2011) 78,5 53,3 EE-Anteil [%] 100 100 75 80 EE installierte Leistung [GW] 260 230 129 185 Quellen: Umweltbundesamt (Hrsg.): Energieziel 2050: 100% Strom aus erneuerbaren Quellen. 2010. Sachverständigenrat für Umweltfragen (SRU) (Hrsg.): Wege zur 100 % erneuerbaren Stromversorgung. Berlin, 2010. Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) (Hrsg.): Energiewirtschaftliche Bewertung von Pumpspeicherwerken und anderen Speichern im zukünftigen Stromversorgungssystem. 2010. Energietechnische Gesellschaft im VDE (ETG): Energiespeicher für die Energiewende. 2011 26 32
installierte Leistung [GW] Entwicklung der installierten Kraftwerksleistung in Bayern bis 2050 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0,5 6,8 0,7 2,2 0,6 3,8 3 1,1 1,1 2,3 1,1 2,3 2 2,3 0 1,6 1 0,8 6,7 1,3 6,3 5,3 10,2 8,2 6,2 4,2 13,8 14,7 15,4 16,4 1,2 2,4 2,4 0 7 Pumpspeicher Sonstiges Wasser Biomasse/-gas Kernenergie Sonstige Fossil Gas Wind PV Maximale Last (12,7 GW) Minimale Last (5,5 GW) 0 2010 2020 2030 2040 2050 Quellen: Eigene Darstellung nach: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie: Bayerische Energieszenarien 2050. 08/2012 5
Großspeichertechnologien - Überblick Quellen: RWE Power Aktiengesellschaft http://www.elektrolyse.de/ ABB
Großspeichertechnologien Wirkungsgrad und Energiedichten Li-Batterie Li-Batterie 190 200 Bleibatterie Pumpspeicher Pumpspeicher Skandinavien (inkl. Übertragungsverluste) Bleibatterie Wasser (Fallhöhe 300 m) 64 80 0,7 0,8 mit Verlusten (Strom-->Strom) ohne Verluste Druckluftspeicher (adiabat) Druckluftspeicher (diabat) H2-Speicher Druckluft ( p=20 bar, p max =60 bar) H2 (200 bar) 2,1 3 233 530 SNG-Speicher SNG (200 bar) 874 2300 0 20 40 60 80 100 Wirkungsgrad [%] 0 500 1000 1500 2000 2500 Energiedichte [kwh/m 3 ] Quellen: eigene Berechnungen Energietechnische Gesellschaft im VDE (ETG): Energiespeicher in Stromversorgungssystemen mit hohem Anteil erneuerbarer Energieträger Bedeutung, Stand der Technik, Handlungsbedarf. 2009.
Großspeichertechnologien - Kosten Vollkosten* für Energie aus Langzeitspeichern (500 MW, 100 GWh, ~1,5 Zyklen pro Monat) Vollkosten* für Energie aus Kurzzeit speichern (1 GW, 8 GWh, 1 Zyklus / Tag) Wasserstoff Wasserstoff >10 Jahre heute >10 Jahre heute Druckluft (adiabatisch) >10 Jahre heute Druckluft (adiabatisch) >10 Jahre Pumpspeicher Abhängig vom Standort Pumpspeicher Abhängig vom Standort 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Vollkosten [ ct/kwh] Lithium-Ionen 10 Jahre heute Blei-Batterie 10Jahre heute 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Vollkosten [ ct/kwh] * Entstehende Kosten der Stromverlagerung unter Berücksichtigung von Lebensdauer, Wirkungsgrad, Betriebs- und Investitionskosten der Speichertechnologien (Stromkosten 4 ct, Kapitalk. 8%). Quelle: Energietechnische Gesellschaft im VDE (ETG): Energiespeicher in Stromversorgungssystemen mit hohem Anteil erneuerbarer Energieträger Bedeutung, Stand der Technik, Handlungsbedarf. 2009.
Speicherpotential (inkl. Verlusten) in Deutschland Speicherbedarf 2050 8 TWh (VDE 2011) Speicher 2012: Pumpspeicher 0,04 TWh el Druckluft. 0,0004 Twh el SNG-Speicher 300 TWh el Druckluft 1 TWh el H2-Speicher 66 TWh el Quelle: UBA (2010) V [Mio. Nm 3 ] Geeignet für Kavernenspeicher 36.800 H 2, SNG Druckluft (z.t.) Porenspeicher 13.600 SNG
Zahlen und Fakten Speicher Durchschnittlicher Tagesstrombedarf in Deutschland: 1,65 TWh = 1.650 GWh = 1.650.000 MWh = 1.650.000.000 kwh Speichervolumen aller deutschen Pumpspeicherkraftwerke 40 GWh = 0,04 TWh (Stand: 2010) Speichervolumen von 1 Million Elektrofahrzeuge theoretisch: 0,02 TWh, nutzbar: 0,003 TWh (20 kwh für ein Auto) Vorhandene Speicherkapazität für Deutschland (ca. 600 TWh Jahresstromverbrauch) Stromspeicher: Gasspeicher ohne Gasnetz: < 0,1 TWh el > 200 TWh th Quelle: Vortrag Energiewende in Bayern: Vorbild für die Welt oder volkswirtschaftliches Experiment, VBEW, Fischer, 18.04.12 05.11.2012 10
Schlussfolgerungen Alle Optionen nutzen Photovoltaik: Dezentrale elektrochemische Tagesspeicher Windstrom: Wasserstoff oder SNG- Speicher Kosten entscheiden! Synergieeffekte mit bestehenden Infrastrukturen Quelle: Vortrag Energiewende in Bayern: Vorbild für die Welt oder volkswirtschaftliches Experiment, VBEW, Fischer, 18.04.12 05.11.2012 11
Zentrum für angewandte Energieforschung ZAE Bayern
Bayerische Zentrum für Angewandte. Energieforschung e.v Der Bayerische Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v. wurde 1991 in Würzburg als gemeinnütziger Verein gegründet. Aufgaben: Forschung, Ausbildung, Beratung Themen: Energieeffizienz Erneuerbare Energien Dazu betreibt der Verein ein Institut mit insgesamt 180 Mittarbeitern an drei Standorten. Kurztitel 13 Veranstaltung / Datum
Das ZAE Bayern e.v. und seine Abteilungen Abteilung 1 Technik für Energiesysteme und Erneuerbare Energien Wissenschaftlicher Leiter: Prof. Dr.-Ing. Hartmut Spliethoff Abteilungsleiter: Dr. Andreas Hauer Abteilung 2 Funktionsmaterialien der Energietechnik Wissenschaftlicher Leiter: Prof. Dr. Vladimir Dyakonov Abteilungsleiter: Dr. Hans-Peter Ebert Abteilung 3 Thermosensorik und Photovoltaik Wissenschaftlicher Leiter: Prof. Dr. Christoph Brabec Abteilungsleiter: R. Auer Kurztitel Veranstaltung / Datum
ZAE BAYERN FORSCHUNGSTRATEGIE 4 Hauptforschungsthemen, 3 Querschnittsthemen 15
Abteilung 1: Technik für Energiesysteme und Erneuerbare Energien
Themen und Gruppenstruktur der Abteilung Energiespeicher Sensible Thermische Energiespeicher Latente Thermische Energiespeicher Thermochemische Thermische Energiespeicher Redox-Flow-Batterien Energieeffiziente Prozesse Wärmepumpen / Kältemaschinen Solarthermie Biomasse und Geothermie Energiespeicherforschung für: - Versorgungssysteme - Gebäude - Prozesse Mitarbeiter ca. 80 Erträge (2011) 2.858 T Systemtechnische Modellierung Gebäudesimulation und Energiekonzepte 17
Energiespeicherung Sensible Wärmespeicher Warmwasserspeicher Langzeitspeicherung solarer Wärme (solare Nahwärmesysteme) Speicher mit Vakuum-Super-Isolation Schichtladesystem zur stabilen Temperaturschichtung im Speicher SWM 18
Solare Nahwärme in München 13 Gebäude 320 Wohnungen 30.400 m² (GF th ) 2.900 m² Kollektoren Fernwärme angetriebene AWP ZAE Bayern
Solare Nahwärme in München Warmwasserspeicher: Volumen 6000 m³ Temperaturdifferenz 95 15 C Wirkungsgrad > 75 % 20
Energiespeicherung Sensible Wärmespeicher Thermische Energiespeicherung im Untergrund Erdsondenspeicher (Verfüllmaterialien von Bohrungen, Qualitätssicherung, Systemauslegung) Thermal Response Test (Experimentelle Untersuchung der thermischen Eigenschaften des Untergrunds) 21
Energiespeicherung Latente thermische Energiespeicher PEG Materialchrakterisierung (Schmelztemperatur, Schmelzenthalpie) Kristallisation (Untersuchung der Unterkühlung, Auslösen der Kristallisation) Formstabile PCM PEG + DI T < T PÜ PEG + DI T > T PÜ 22
Energiespeicherung Latente thermische Energiespeicher Speicherkomponenten /Speichersysteme mit Phase Change Materials (PCM) Unterstützung der thermischen Leistung (Grafitmatrix, Kapillarrohrmatten) Anwendungen: Gebäude, Industrie und Automobil 23
Solares Kühlen mit Latentwärmespeicher SOLARES KÜHLEN Absorptionswärmepumpe Absorptionswärmepumpe bzw. Kältemaschine bzw. Kältemaschine Entladen Latentwärmespeicher 15 C 18 C AKM Wärme- Absorptionswärmepumpe Speicher bzw. Kältemaschine 40 C 32 C 90 C 80 C Wärme- Speicher Heizkessel HT Speicher Wärme- Speicher Heiz kessel Heizkessel Heizkessel stem Heiz/Kühl System NT- Kühl-/Heizsystem Luftwärmetauscher 32 C Rückkühler PCM- Speicher Solarkollektoranlage Flach- kollektoren Luftwärmetauscher 32 C PCM Speicher Flächenbedarf vgl. Solarkollektoranlage mit Naßkühlturm Luftwärmetauscher Solarkollektoranlage 36 C PCM- Speicher + 6% PCM- Speicher Solar Kollektor Projektvorstellung 24 SolarCool +PCM
Solares Kühlen mit Latentwärmespeicher SOLARES KÜHLEN Absorptionswärmepumpe bzw. Kältemaschine Regenerieren Latentwärmespeicher Absorptionswärmepumpe bzw. Kältemaschine Wärme- Absorptionswärmepumpe Speicher bzw. Kältemaschine Wärme- Speicher Heizkessel Wärme- Speicher Heizkessel Heizkessel Luftwärmetauscher Luftwärmetauscher >26 C PCM- Speicher Rückkühler <20 C PCM- Speicher Luftwärmetauscher Solarkollektoranlage Solarkollektoranlage tem NT- Kühl-/Heizsystem PCM Speicher <24 C PCM- Speicher Solarkollektoranlage Projektvorstellung 25 SolarCool +PCM
Solares Kühlen mit Latentwärmespeicher Calciumchlorid Hexahydrat Schmelztemperatur ~ 28 C Schmelzenthalpie 150 kj/kg / 240 kj/l Speichermaterialkosten0,37 /kg ~ 14,3 Vergleich theoretisch ~ mit 9,5 Pufferspeicher real spez. Wärmekapazität 4,2 kj/(l K) Temperaturbereich DT = 5 K Sensible Volumen Wärmespeicherung 20,6 m 3 Masse Auslegung Latente Wärmespeicherung Speicherkapazität 120 kwh (10 Stunden, 50% AKM Abwärme) Volumen 1,44 m 3 Masse Volumenreduktion 2,16 t 20,5 t
Stabilität Energiespeicherung Thermo-chemische Energiespeicher Material (Charakterisierung, Stabilität) Stabilität der bei 240 C und 50 C Tp. gealterten Zeolithproben, bei Referenzadsorption mit rel. F. ca. 45 % (Lufttaupunkt 25,0 C und Lufttemperatur 38,7 C) 98% 93% 88% 83% 78% 73% 68% 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Zyklenzahl Mittelwert UOP 13X CWK 13X Zeochem 13X Zeochem 3A Zeochem 4A Mittelwert CWK 4ABF Abnahme der Wasserdampfbeladung mit der Zyklenzahl (2012) 27
Energiespeicherung Thermo-chemische Energiespeicher Sorptionsspeicher (Ad- und Absorption) Gebäudeklimatisierung mit Lithiumchlorid Mobiler Adsorptionsspeicher mit Zeolith Geschirrspüler mit adsorptiver Trocknung 28
Abwärmenutzung durch mobile Wärmespeicher Mobiler Adsorptionsspeicher mit Zeolith Abwärmequelle Verbraucher Mobiler Sorptionsspeicher (MobS)
Abwärmenutzung durch mobile Wärmespeicher Material: Speicherkapazität: Leistung: 14 t Zeolith max. 3 MWh max. 0,75 MW Ladestation: Müllverbrennung (Ladetemperatur: 140 C) Entladestation: Trocknungsprozess (Entladetemperatur: 170 C)
Energiespeicherung Elektrochemische Wandler und Speicher Aufbauend auf Brennstoffzellen-Know-How (Direkt- Carbon ) Redox-Flow-Batterien Optimierung der Elektroden 31
Zukünftige Entwicklung
Projekte zur Energiespeicherung: Bayerisches Zentrum für Angewandte EnergieSpeicher-Technologien ZAE-ST Smart Grid Solar
Projekt Smart Grid Solar Synergien bei der Bestimmung der Potenziale dezentraler Energiespeicher Optimierung von stationären Flow-Batterien Anpassung der Elektrolyse an fluktuierende Energiequellen mit dem Projekt ZAE-ST 34
Projekt Bayerisches Zentrum für Angewandte EnergieSpeicher-Technologien ZAE-ST Ziel ist es die bewährte Kompetenz des ZAE Bayerns für Energiespeichertechniken, weiter zu stärken und auszubauen, so dass Lösungen für alle relevanten Speicherprobleme zukünftiger Energiesysteme erarbeitet werden können. Elektrisch Chemisch Thermisch Speichertechnologien Anwendungsbereiche Steigerung der Energieeffizienz Integration Erneuerbarer Energien
Projekt ZAE ST - Struktur TUM TUM EES (Prof. Jossen) TUM TEC (Prof. Gasteiger) TUM LES (Prof. Spliethoff) etc. Kompetenzzentrum ZAE Bayern Energiespeicher Theoretische Grundlagen Material - forschung System - entwicklung Demonstration Produkt Industrie
Projekt ZAE ST - Inhalte I Systemanalyse Integration erneuerbarer Energien in die elektrischen Netze durch Energiespeicher Systemintegration von thermischen und thermochemischen Energiespeichern für Industrie- und Kraftwerksprozesse Bewertung von stationären Batteriekonzepten zur Steigerung des solaren Deckungsanteils Konzepte zur Umwandlung von Strom in synthetische Energieträger und Einbindung in Prozesse II Thermische Energiespeicher im Hochtemperaturbereich Untersuchung neuer Materialien (oder Stoffpaare) für latente oder thermochemische Speicherung thermischer Energie im Bereich über 400 C
Projekt ZAE ST - Ziele III Energieträger basierte elektro-chemische Speichersysteme Untersuchung und Entwicklung von Energieträgerbasierten elektrischen Energiespeichersystemen mit dem Schwerpunkt auf stationären Systemen Materialuntersuchungen an einzelnen Komponenten stationärer Flow-Batterien Entwicklung gut regelbarer Elektrolyseverfahren mit dem Ziel effizienter Einbindung von PV- und Windstrom
Garchinger ZAE-Erweiterungsbau (BA 3)
Garchinger ZAE-Erweiterungsbau (BA 3) Baubeginn Dezember 2010, Fertigstellung Februar 2012
Flächen Erweiterungsbau (BA 3) BA 1 BA 2 Summe m²/person 74 352 426 Büro 5,3 143 267 410 Labor 5,1 47 25 72 Lager 0,9 24 95 119 Besprecher 1,5 88 200 287 Verkehrsfläche 3,6 55 14 70 Sozialraum 0,9 6 41 47 Infrastruktur 0,6 437 994 1431 18 m²/person Nettogeschoßfläche NGF 17,9 BA 1 BA 2 BA 3 Summe m²/person 74 352 246 672 Büro 8,4 143 267 169 579 Labor 7,2 47 25 0 72 Lager 0,9 24 95 24 143 Besprecher 1,8 88 200 312 599 Verkehrsfläche 7,5 55 14 64 134 Sozialraum 1,7 6 41 90 137 Infrastruktur 1,7 Nettogeschoßfläche NGF 29,2 437 994 905 2336 29 m²/person
Vorher
nachher
und es ging nicht immer Alles nach Plan!
Projekt ZAE ST - Infrastruktur Experimentierhalle (mit Seminarraum) Redox-Flow-Labor Wasserstoff-Labor mit Elektrolyse Experimentierhalle
Die neue Infrastruktur (BA 3, BA 4) und die neuen Projekte sind die Grundlage dafür, dass das ZAE seinen Beitrag zur Energiewende leisten wird.