Die Rolle von Speichern in der Integration Photovoltaischer Stromerzeugung Eicke R. Weber Präsident, BVES Fraunhofer-Institute for Solar Energy Systems ISE und Albert-Ludwigs University, Freiburg, Germany Expertenworkshop PV-Nutzen Frankfurt, 2. Dezember 2013
Die Transformation des Energiesystems erfordert: Verbesserte Energieeffizienz in Gebäuden, Transport (e-mobilität) and Produktion Rasche Entwicklung der regenerativen Energien, wie PV, ST, Wind, Hydro, Geothermie und Biomasse in Richtung auf eine Zukunft mit 100% regenerativen Energien Entwicklung von Energie Speichertechnologien Ausbau des Stromnetzes für dezentrale Einspeisung, weiträumigen Transport und intelligenten Verbrauch ( smart grid ) 2
Die Kosten der Solarenergie: Preis-Lernkurve der globalen c-si PV Module Price [inflation adjusted 2011 / Wp] Modulpreis [Inflationskorrigierte 2011 /W p ] 10 1980 1990 Steigung: Mit jeder Verdoppelung der global installierten Menge sank der Modulpreis um 20%! 2000 2010 2012: Weit unter 1 /W p! 1 Source: Navigant Consulting; EuPD 3 Module price (since 2006); Design: PSE AG 2012 0,01 0,1 1 10 100 Cumulated Kumulierte Production Produktion [GWp] p ]
Durschnittlicher Preis für Dachanlagen in Deutschland (10kWp - 100kWp) Stromgestehungskos von 0.10-0.15 /kwh 4 Data: BSW-Solar. Graph: PSE AG 2013
Entwicklung der PV-Installationen Kumulierte Kapazität weltweit 2020: > 100GW/a PV Weltmarkt erwartet! Installierte Leistung mehr als verzehnfacht 5 Quelle: EPIA, Global Market Outlook for Photovoltaics 2013-2017, May 2013
Small Battery Systems: Own Own Consumption from from PV PV can can be be 60% 60% and and more! 6
Betriebsführung PV-Batteriesystem im Vergleich Wachsender Markt für PV-Batteriesysteme Steigende Anzahl an Anbietern Wichtig: system-dienlicher Betrieb Reduktion PV-Peak-Einspeisung Batteriebetrieb nicht netz-optimiert Batteriebetrieb netz-optimiert Leistung, kw PV-Einspeisung PV, direkt genutzt Speicher Netzbezug Strombedarf Leistung, kw PV-Einspeisung PV, direkt genutzt Speicher Netzbezug Strombedarf 7 Tageszeit Tageszeit Quelle: Hollinger et al: Speicherstudie 2013 Kurzgutachten. http://www.ise.fraunhofer.de/de/veroeffentlichungen/veroeffentlichungen-pdfdateien/studien-und-konzeptpapiere/speicherstudie-2013.pdf
Stromerzeugung in GW Stromerzeugung an einem Frühlingssonntag in D Grundlast-kraftwerke werden störend negative Strompreise! 8 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 Daten für 2012: eex Transparency, Graphik: Prof. V. Quaschning, HTW 27.05.2012 70 28 40 50 60 GW PV PV Wind Laufwasser Steinkohle Braunkohle Kernenergie
Simulation: Mai 2021 70 GW Solar, 48 GW Wind installed (projected) Simulation MW Simulation: Mai 2021 60.000 50.000 40.000 30.000 20.000 10.000-10.000-20.000 So 01 Mo 02 Di 03 Mi 04 Do 05 Fr 06 Sa 07 So 08 Mo 09 Di 10 Mi 11 Do 12 Fr 13 Sa 14 So 15 Mo 16 Di 17 Mi 18 Do 19 Fr 20 Sa 21 So 22 Mo 23 Di 24 Mi 25 Do 26 Fr 27 Sa 28 So 29 Mo 30 Di 31 Legende: Kernenergie Braunkohle Konventionell Wind Solar Solar: max. 48,6 GW; 9,6 Wind: max. 24,8 GW; 5,2 Konventional: min. -14,1 GW; max. 44,5 GW; 17,9 9 Grafik: B. Burger, Fraunhofer ISE; Daten: Leipziger Strombörse EEX
Ein Blick in die Zukunft: REMod-D (Fraunhofer ISE) Mögliches deutsches Energiesystem (ca. 2050) Systemoptimierung mit Programm Absenkung energie-bedingte CO 2 - Emissionen um 86 % (bezogen auf 1990) Optimierung eines Zielsystems 10 Minimale jährliche Kosten für Erhalt, Wartung, Betrieb Optimale Werte aller Komponenten (Wandler, Speicher) Erneuerbare Energien, Speicher spielen zentrale Rolle, dazu Einsparung/Effizienzerhöhung Projektleitung: H.-M. Henning PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 136 GW 124 GW 39 GW 5 GW 0 GW 7 GW 3 GW 0 GW 133 223 136 21 0 26 13 0 6 Batterien 6 9 Pump-Sp-KW 7 31 GWh 60 GWh 154 3 103 Brennstoffe 85 KWK-GuD 35 Elektrolyse 500 0 Gasturbine 0 43 GWel Erdgas 40 GWel 1 GW 43 W-Speicher 82 714 GWh 6 WP zentral 20 35 82 335 0 GuD-KW 0 11 GWth H2-Speicher Biomasse 7 GW 38 Gebäude 0 74 Solarthermie 26 Sabatier 0 Methan-Sp. 0 47 GWth Wärmenetze mit 0.0 GWgas 0 GuD-KWK 27 21 30 erneuerbare Energien Stromerzeugung fossil-nukleare Energien Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme) 375 15 1 ungenutzter Strom (Abregelung) 3 2 7 KWK-BHKW 6 8 GWel Solarthermie 9 6 W-Speicher 8 W-Speicher 10 GWth 44 GWh Verkehr (ohne 180 GWh 6 Schienenverkehr/Strom) 2 WP zentral 7 7 Wasserstoff-basierter Verkehr 4 GWth Gas-WP 53 56 Gebäude 82 Traktion 41 12 Gebäude 23 GWth 62 H2-Bedarf 82 19 Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 7 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion 41 55 12 GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 6 220 Traktion 55 Brennstoffe 220 el. WP Sole 91 24 W-Speicher Traktion gesamt 137 0 0 38 GWth 177 GWh % Wert 2010 100 % 20 0 Mini-BHKW 0 0 W-Speicher 0 GWel 0 GWh Solarthermie 15 82 Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in 0 17 GWth 102 Industrie und Gewerbe gesamt 445 Solarthermie 0 0 Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 420 Solarthermie 25 0 GWth 0 Brennstoffe 420 Einzelgebäude mit Mini-BHKW 7 0 Wärmebedarf gesamt 388 el. WP Luft 112 27 W-Speicher Solarthermie 0 0 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 47 GWth 219 GWh 0 GWth 0 GWh 290 98 5 23 0 Solarthermie 19 104 Gebäude 0 Gaskessel 0 0 Gebäude 0.5 Geothermie 5 Gebäude 21 GWth 126 0 GWth 0 2 GWth 5 Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Gesamtergebnisse fossil-nukleare Energien fossil-nukleare Energien Brennst. CO2 Brennst. CO2 Energieträger Mio t Energieträger Mio t Öl 0 0 Braunkohle 36 14 Erdgas 500 101 Atom 0 - Steinkohle 65 22 gesamt 601 137 Einzelgebäude mit Gaskessel Jahr 2050 erneuerbare Energien Strom 513 Solarthermie 76 Biomasse 335 gesamt 924 Energetische Sanierung Reduktion Heizwärme 60% bezogen auf 2010 um CO2-Emissionen (Energie-bed.) Reduktion bezogen auf 86% 1990 um Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie
ISE model REMod-D of an integrated energy system: Electricity-gas-heat- with storage! 11
Ergebnisse Speicher erneuerbare Energien Stromerzeugung fossil-nukleare Energien PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 136 GW 124 GW 39 GW 5 GW 0 GW 7 GW 3 GW 0 GW 133 223 136 21 0 26 13 0 6 Batterien 6 9 Pump-Sp-KW 7 31 GWh 60 GWh 154 3 103 Brennstoffe 85 KWK-GuD 35 Elektrolyse 500 0 Gasturbine 0 43 GWel Erdgas 40 GWel 1 GW 43 W-Speicher 82 714 GWh 6 WP zentral 20 35 H2-Speicher 82 335 0 GuD-KW 0 11 GWth Biomasse 7 GW 38 Gebäude 0 74 Solarthermie 26 Sabatier 0 Methan-Sp. 0 47 GWth Wärmenetze mit 0.0 GWgas 0 GuD-KWK 12 27 21 30 Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme) 375 15 1 ungenutzter Strom (Abregelung) 3 2 7 KWK-BHKW 6 8 GWel Solarthermie 9 6 W-Speicher 8 W-Speicher 10 GWth 44 GWh Verkehr (ohne 180 GWh 6 Schienenverkehr/Strom) 2 WP zentral 7 7 Wasserstoff-basierter Verkehr 4 GWth Gas-WP 53 56 Gebäude 82 Traktion 41 12 Gebäude 23 GWth 62 H2-Bedarf 82 19 Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 7 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion 41 55 12 GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 6 220 Traktion 55 Brennstoffe 220 el. WP Sole 91 24 W-Speicher Traktion gesamt 137 0 0 38 GWth 177 GWh % Wert 2010 100 % 20 0 Mini-BHKW 0 0 W-Speicher 0 GWel 0 GWh Solarthermie 15 82 Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in 0 17 GWth 102 Industrie und Gewerbe gesamt 445 Solarthermie 0 0 Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 420 Solarthermie 25 0 GWth 0 Brennstoffe 420 Einzelgebäude mit Mini-BHKW 7 0 Wärmebedarf gesamt 388 el. WP Luft 112 27 W-Speicher Solarthermie 0 0 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 47 GWth 219 GWh 0 GWth 0 GWh 290 98 5 23 0 Solarthermie 19 104 Gebäude 0 Gaskessel 0 0 Gebäude 0.5 Geothermie 5 Gebäude 21 GWth 126 0 GWth 0 2 GWth 5 Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie
Ergebnisse Speicher 13 Batteriespeicher (3 kwh) Anzahl ca. 10 Mio Einheiten Gesamtkapazität 31 GWh äquiv. Voll-Zyklen 194 - PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 136 GW 124 GW 39 GW 5 GW 0 GW 7 GW 3 GW 0 GW 133 223 136 21 0 26 13 0 6 Batterien 6 9 Pump-Sp-KW 7 31 GWh 60 GWh 154 3 103 Brennstoffe 85 KWK-GuD 35 Elektrolyse 500 0 Gasturbine 0 43 GWel Erdgas 40 GWel 1 GW 43 W-Speicher 82 714 GWh Pumpspeicherkraftwerke 6 WP zentral 20 35 82 335 0 GuD-KW 0 11 GWth H2-Speicher Biomasse 7 GW Anzahl 42 Einheiten 38 Gebäude 0 74 Gesamtkapazität 60Solarthermie GWh 26 Sabatier 0 Methan-Sp. 0 47 GWth Wärmenetze mit 0.0 GWgas 0 GuD-KWK Elektrolyseure Gesamtleistung 40 GW el Volllaststunden 27 2050 h nur für Verkehr benötigt, nicht für Strom- Wärme 21 Dezentrale Wärmespeicher 30 (800 Liter) Anzahl ca. 10 Mio Einheiten Gesamtkapazität 44 GWh äquiv. Voll-Zyklen 111 - erneuerbare Energien Stromerzeugung fossil-nukleare Energien Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme) 375 15 1 ungenutzter Strom (Abregelung) 3 2 7 KWK-BHKW 6 8 GWel Solarthermie 9 6 W-Speicher 8 W-Speicher 10 GWth 44 GWh Verkehr (ohne 180 GWh 6 Schienenverkehr/Strom) 2 WP zentral 7 7 Wasserstoff-basierter Verkehr 4 GWth Gas-WP 53 56 Gebäude 82 Traktion 41 12 Gebäude 23 GWth 62 H2-Bedarf 82 19 Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 7 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion 41 55 12 GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr 6 220 Traktion 55 Brennstoffe 220 el. WP Sole 91 24 W-Speicher Traktion gesamt 137 0 0 38 GWth 177 GWh % Wert 2010 100 % 20 0 Mini-BHKW 0 0 W-Speicher 0 GWel 0 GWh Solarthermie 15 82 Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in 0 17 GWth 102 Industrie und Gewerbe gesamt 445 Solarthermie 0 0 Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 420 Solarthermie 25 0 GWth 0 BrennstoffeZentrale 420 Wärmespeicher (50.000 m³) 7 Anzahl 0 ca. 300 Einzelgebäude mit Mini-BHKW Einheiten Wärmebedarf gesamt 388 el. WP Luft 112 27 W-Speicher Solarthermie 0 0 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 47 GWth 219 GWh Gesamtkapazität 0 GWth 0 GWh 894 290 98 GWh 5 23 0 äquiv. Voll-Zyklen 47 - Solarthermie 19 104 Gebäude 0 Gaskessel 0 0 Gebäude 0.5 Geothermie 5 Gebäude 21 GWth 126 0 GWth 0 2 GWth 5 Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe äquiv. Voll-Zyklen 117 - Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie
Wasserstoff als Langzeitspeicher Quelle: M. Waidhas, Siemens, 2011 Elektrizitätserzeugung Umwandlung/Speicherung Verbrauch PV H 2 Verkehr Elektrolyseur H 2 Speicher Brennstoffzelle Wind Einspeisung CH 4 H 2 Elektrizität Fluktur -ierende Erzeugung GuD Kraftwerk Gasspeicher H 2 Konventionell (e.g. Kohle) Kontinuierliche Erzeugung H 2 CH 4 Einspeisung Industrie Netz CO 2 Methanisierung ca. Wirkungsgrade: 95 % * 75 % * 98 % * 99 % 69 % * 60 % 41 % 14 Pumpspeicherkraftwerk und Batterie: ca. 80 %
Zukünftige Techniken für motorisierten Individualverkehr auf Basis Strom Batterie +Hohe Effizienz Niedrige Reichweite Keine Langzeitspeicherung im System Wasserstoff +Hohe Reichweite +Langzeitspeicher im System Geringere Effizienz 15
Vanadium Redox-Flow Batterien Vorteile: Entkopplung von Leistung und Energie Modularität Hohe Zyklenstabilität Niedrige Selbstentladung Nachteile: Niedrige Energiedichte Komplexes System, hoher Steuerungsauwand Flow batterie Risiko von Lecks Nur wenige Hersteller 16 Photo: Cellstrom
Große Wärmespeicher für Wärmenetze Heißwasser-Wärmespeicher Erdbecken--Wärmespeicher (60 bis 80 kwh/m³) (60 bis 80 kwh/m³) Erdsonden-Wärmespeicher Aquifer-Wärmespeicher (15 bis 30 kwh/m³) (30 bis 40 kwh/m³) Source: solites/mangold 17 Quelle: Solites/ Mangold
Verlauf Residuallast 2050 Größe Wert (GW) Maximale Erzeugung FEE * 203 Minimale Erzeugung FEE 3 Maximale Last ( must ) 75 Minimale Last ( must ) 31 Maximalwert residuale Last 68 Minimalwert residuale Last -140 * FEE = fluktuierende erneuerbare Energien 18
Winterwoche 2050 Strom Wenig Erzeugung FEE Strom aus KWK 19
Sommerwoche 2050 Strom Wärmenutzung direkt (Heizstab) Hohe Strom- Überschüsse: Wasserstoff- Erzeugung 20
Sommerwoche 2050 Strom Woche mit viel PV: Kurzzeitspeicher (Batterie, Pumpspeicher) 21
Winterwoche 2050 Wärme (Gebäude mit Luft-WP) Versorgung aus Wärmespeicher 22
Ausblick Garantierte Stromerzeugung mit fluktuierenden EE PV Kosten skalieren mit Energie Batterie Optimierung von Auslegung und Betriebsführung zur Bereitstellung einer gesicherten Leistung Wind Last Elektrolyse GuD Kosten skalieren mit Leistung H 2 - Kaverne 23
Garantierte Stromerzeugung mit fluktuierenden EE Beispiel Wetterdaten Hannover Optimierung Auslegung und Betriebsführung 3.2 GW PV 3.7 GWh Batterie Wind Last 4.9 GW Elektrolyse GuD 1 GW Dauerstrich 24 0.4 GW 4100h Volllast 0.8 GW H 2 - Kaverne Stromgestehungskosten ca. 10 -Cent pro kwh* * Erwartete Komponentenkosten (Investition, Wartung) nach Erreichen hohen Marktdurchdringung
Energiespeicher im (zukünftigen) Energiesystem Stabilisierung Stromnetz Pumpspeicherkraftwerke Schwungmassen (z.b. rotierende Generatoren) Batterie-Umrichter Zeitlicher Ausgleich Erzeugung Verbrauch Kurzzeitspeicherung (< Stunden, Stunden, Tag/Nacht): Batterie, Pumpspeicherkraftwerke, Wärmespeicher (Pufferspeicher) Tagesspeicher bis Mehrtagesspeicher: große Wärmespeicher in Wärmenetzen, Redox-Flow-Speicher Langzeit- speicher (bis zu saisonalen Effekten): Biomasse-Brennstoffe, chemische Brennstoffe (Wasserstoff, Methan, Methanol), sehr große Wärmespeicher in Wärmenetzen 25
PV-Batteriesysteme Obwohl heute aus Gesamtsystemsicht nicht notwendig, wird der Markt für PV-Batteriesysteme wachsen (insbesondere Anlagen in Gebäuden) Grund: Bezugskosten für Strom (Privatkunden) höher als Einspeisevergütung Derzeit kein Anreizsystem für netz-dienlichen Betrieb Notwendigkeit eines neuen Markt-Designs Zeit-variable Tarife für Einspeisung und Bezug Getrennte Kosten für Arbeit und Leistung (sowohl Bezug als auch Einspeisung) Langfristig Betreibermodelle für gesicherte Erzeugung denkbar Optimierte Kombination von Kurz- und Lanzeitspeichern Erfordern ebenfalls neue Preismodelle 26
Zusammenfassung, Fazit Energiespeicher wichtiger Baustein für mehr EE im Energiesystem bereits heute wichtig für Systemstabilität Nicht eine Technologie löst alles, Zusammenwachsen der Energieformen Wärmespeicher kostengünstigste Speicher-Option für Flexibilisierung Konvergenz Strom / Wärme, Interessant für KWK und Solarthermie + WP Anzahl PV-Batteriesysteme wird zeitnah wachsen volkswirtschaftlich nur sinnvoll in Verbindung mit netz-dienlichem Betrieb Heute gibt es allerdings kaum regulatorische Rahmenbedingungen für den wirtschaftlichen Betrieb von Energiespeichern Bei neuem Markt-Design ergeben sich kurz-, mittel- und langfristig interessante Geschäftsmodelle Weitere Forschung notwendig um Speichereffizienz zu erhöhen und Kosten zu reduzieren 27
Bundesverband Energiespeicher (BVES) BVES wurde gegründet im September 2012 Ziele: Spitzenverband der Unternehmen im Bereich Energiespeicherung Förderung der Energiespeicherung für eine effizientere, zuverlässigere, preiswertere und sicherere Stromversorgung auf Basis von EE Plattform für alle Beteiligten im Bereich Energiespeicher Aktivitäten in Politik, Ausbildung, Industrie und Forschung 28
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Fraunhofer-Institut für Solare Energiesystems ISE Eicke R. Weber mit Peter Schossig www.ise.fraunhofer.de eicke.weber@ise.fraunhofer.de peter.schossig@ise.fraunhofer.de 29