Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern für elektrische Energie Tagung der Europäischen Akademie Bad Neuenahr-Ahrweiler Sichere Stromversorgung und Erneuerbare Energien Bonn, 25 Dirk Uwe Sauer email: sr@isea.rwth-aachen.de Professur für Elektrochemische Energiewandlung & Speichersystemtechnik (ISEA) RWTH Aachen
Zielsetzungen der Bundesregierung - basierend auf gemeinsamen Zielen der Weltgemeinschaft Anteil erneuerbarer und dezentraler Energien an der Stromerzeugung bis 2020: 40% Reduzierung der CO 2 -Emissionen bis 2050: 85% (100%?) CO 2 -freie Energieversorgung möglich aus -Strom(erneuerbare Energien, CO 2 -Sequestrierung?, Kernkraft??) - Biomasse
LeistungMW 5347MW Wozu brauchen wir Speicher? Lastverlauf und Windleistung im Vattenfall Hochspannungsnetz (01.02.-06.03.2008) 14000 12000 Leistung [MW] 10000 8000 6000 Load consumption Lastverlauf Wind power prognosis Windleistung (Prognose) Wind power generation Windleistung 4000 2000 0 Source: IfR / TU Braunschweig 03/02 10/02 17/02 24/02 02/03 2008 IfR, TU Braunschweig
LeistungMW 5347MW Wozu brauchen wir Speicher Ausgleich von kurzfristigen Fluktuationen Leistung 8000 6000 Wind p Windleistu 4000 2000 0 03/02 02/03 IfR, TU Braunschweig
LeistungMW 5347MW Wozu brauchen wir Speicher Ausgleich längerer Perioden ohne Wind- oder PV-Angebot Lastverlauf und Windleistung im Vattenfall Hochspannungsnetz (01.02.-06.03.2008) 14000 12000 Leistung [MW] 10000 8000 6000 Load consumption Lastverlauf Wind power prognosis Windleistung (Prognose) Wind power generation Windleistung 4000 2000 ~540 GWh 0 Source: IfR / TU Braunschweig 03/02 10/02 17/02 24/02 02/03 IfR, TU Braunschweig 2008 Notwendige Speicherkapazität zur kontinuierlichen Lieferung der mittleren Leistung
Technologien für elektrische Energiespeicher Redox-Flow Batterien Supraleitende Spulen typical discharge time 1 year 1 month 1 week ½ day 1 hour 1 min 10 ms I 10 W Wasserstoff installed power 1 kw 100 kw 10 MW 1 GW 100 GW Institut für Stromrichtertechnik V - Druckluftspeicher und Elektrische Antriebe 1 s III II IV VIII V VI VII 0.01 I - Kondensator, Spule II - SuperCaps, Schwungrad III - Batterien IV - Redox-flow Batterien kwh MWh GWh TWh Batterien Supraleitende Redox-Flow Doppelschichtkondensatoren Pumpspeicher Schwungrad Wasserstoff installed -Druckluft Blei, storage Lithium, capacity Batterien Spulen NaNiCl,... 1 100 specific power [kw/kwh] VI - Pumpspeicher VII - Speicherkraftwerke (Wasser) VIII - Wasserstoffspeicher Pumpspeicher Schwungrad Supercapacitors Doppelschichtkondensatoren Batterien - Blei, Lithium, NaNiCl,... Druckluft
Vergleich von Energiedichten Mechanische Speicher (sehr geringe Energiedichte) Potentielle Energie (z.b. Pumpspeichersee): 1 kwh/m 3 (bei 360 m Höhe) Kinetische Energie (z.b. Schwungrad): ~10 kwh/m 3 Elektrische Speicher (geringe Energiedichte) Elektrostatisches Feld: ~10 kwh/m 3 Elektromagnetisches Feld: ~10 kwh/m 3 Wärmespeicher (mittlere Energiedichte) Wasser @ T = 100K: 116 kwh/m 3 (sensible Wärme) Phasenwechselnde Materialien z.b. Wasser / Dampf: 626 kwh/m 3 (latente Wärm Chemische Speicher (mittlere bis hohe Energiedichte) Lithium-Ionen-Batterie: 200 kwh/m 3 Flüssiger Wasserstoff: 2.400 kwh/m 3 / gasförmiger Wasserstoff: 700 kwh/m 3 (Benzin: 12.000 kwh/m 3 )
Übersicht Leistungsspeicher Batteriespeichertechnologien Großspeichertechnologien Kostenberechnung Alternative Konzepte zur Energiespeicherung Technologieszenario
Klassen von Energiespeichern Leistungsspeicher Hohe Leistungen für kurze Zeit Hohe Zyklenzahl (z.b. jede Minute) Schwungrad, SuperCap, SMES Energiespeicher Energie für längere Zeiträume Typischerweise ein bis zwei Zyklen pro Tag
Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren ( Supercap ) - Funktionsprinzip Energiespeicherung im elektrischen Feld ohne elektrochemische Reaktion Oberflächenvergrößerung durch poröses Material, Abstand Ladungsträger ca. 10 nm Nennspannung 2,5 bis 2,7 V Zyklenlebensdauer > 1.000.000 Energiedichte ~ 5 Wh/kg / 5 Wh/l 150F/42V EPCOS 5000 F NESS 5000 F
Schwungradspeicher Speicherung der Energie in rotierender Masse Rotationskörper aus sehr zugfestem Material E = 1 2 M w 2 Begrenzung der Rotationsgeschwindigkeit durch Materialeigenschaften Klassen von Schwungrädern ~ 5.000 min -1, ~ 25.000 min -1, ~ 100.000 min -1
Batterietechnologien membrane electrode electrolyte tank electrolyte I electrolyte II pump pump NaS / NaNiCl - Zink-Brom Anode Separator Cathode Zn ++ Br - Br - Zn + electrolyte tank Lithium-Ionen charge / discharge Redox-flow 2e - 2e - Br 2 Anolyte Catholyte NiCd Bleisäure
Blei-Säure-Batterie Große Zahl Installationen weltweit, erprobte Technologien von zahllosen Herstellern kommerziell angeboten Wirkungsgrad 80 90% Resümee: + Erfahrene und sichere Technologie Lebensdauer, Gewicht
Hochtemperatur-Batterien NaS: in Japan kommerziell für stationäre Anlagen genutzt NaNiCl: überwiegend im mobilen Bereich Jeweils nur ein Anbieter pro Technologie Wirkungsgrad 70 85% Kosten derzeit 300-500 /kwh im System Betriebstemperatur 300 C, thermische Verluste einer ZEBRA-Batterie ca. 100 W NaNiCl Source: NGK, MES-DEA Resümee: + Gute Zyklenlebensdauer Jeweils nur ein Anbieter, thermisches Management aufwändig NaS
Natrium-Schwefel Anwendungsbeispiel NaS-Batteriesystem für Load Levelling in Tokyo Kostenersparnis durch geringere Stromabnahme zu Spitzenlastzeiten Leistungsdaten 2 MW 1165 V DC 40 Module (12 800 Zellen) > 136 T Gewicht Reduzierung des Spitzenbedarfs günstigerer Nachtstrom vor Installation der NaS- Batterie nach Installation der NaS-Batterie (NGK / TEPCO) nachts (laden) tagsüber (entladen) nachts (laden)
Lithium-Ionen-Batterie Neue Technologie Charge Discharge Stark im Bereich mobiler Endgeräte Große Zahl von Materialvarianten und Herstellern Wirkungsgrad 90 95% Oxygen anion Metal cation Lithium cation Electrolyte Separator Graphite Graphite Passive layer Oxygen anion Metal cation Lithium cation Electrolyte Separator Graphite Graphite Passive laye Resümee: + Gute Zyklenlebensdauern, hoher Wirkungsgrad, hohe Leistungsdichte, viele Anwendungsbereiche Kosten, Sicherheit
Gravimetrische Leistungsdichte vs. Energiedichte (Leistungs- und Energiedichten spezifischer Produkte aus Datenblättern und eigenen Messungen) Spezifische Leistung in W/kg (Zellebene) 100,000 10,000 1,000 100 10 1 SuperCap Blei spiral wound Blei Li-Ion Very High Power Li-Ion High Power NiMH NaNiCl 2 Zebra NiCd Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Li-Ion Antriebe LiM-Polymer High Energy Quelle Ragone Plot: Saft 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Spezifische Energie in Wh/kg (Zellebene)
Redox-flow-Batterien (Vanadium) membrane electrode Demonstrationsanlagen im Feld, auf dem Weg in die Kommerzialisierung zwei bis drei kommerzielle Anbieter Wirkungsgrad 60 75% Nur eingeschränkt USV-fähig Resümee: + Energie und Leistung sind separat auslegbar, gute Zyklenlebensdauer Vanadium ist teuer, andere Materialien müssen zur Kommerzialisierung gebracht werden electrolyte I pump electrolyte tank + pump charge / discharge electrolyte II Bild: www.vrbpower.com
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Technologien für zentrale Großspeicher 2.) station 1.) salt dome cavern storage Wasserstoff mit Kavernenspeichern Pumpspeicher Druckluft (mit und ohne Wärmespeicher) Abbildung: KBB
Pumpspeicherkraftwerke erprobte Technologie über 90 GW installierte Leistung weltweit Wirkungsgrad Entladedauer 65-80 % Stunden bis Tage Leistung Invest.-Kosten Speichermedium größter Nachteil 10 MW bis 1 GW 10-40 /kwh kaum neue Standorte in Europa Bild: http://www.goldisthal.de
Nachrüstung von bestehenden Speicherseen mit Pumpoption Nutzung der großen Kapazitäten in bestehenden Speicherseen Nachrüstung von Pumpsätzen Evaluation des Potentials notwendig kritischer Punkt ist die Erreichbarkeit eines geeigneten Unterwassers Stausee mit natürlichem Zulauf Distanz & Kosten? Fluss oder See
Druckluftspeichersystem (adiabatisches CAES) Entwicklungsgegenstand Wirkungsgrad Entladedauer Leistung max. 70% Stunden bis Tage 100 MW bis 1 GW Invest.-Kosten Speichermedium größter Nachteil 10-20 /kwh Geeignete geologische Formation Picture: KBB Bild: Alstom
Wasserstoffspeicher im Druckkaverne Einzig realistische Technologie für Speichersysteme im 100 GWh Bereich Wirkungsgrad Entladedauer Leistung ~ 40 % Stunden - Wochen 10 kw bis 1 GW Invest.-Kosten Speichermedium größter Nachteil 0,2 0,5 /kwh Geringer Wirkungsgrad ild: http://www.greencarcongress.com
Warum ist Wasserstoff die einzige Alternative als Langzeitspeicher? Wirtschaftlicher Betrieb nur bei häufigem Energiedurchsatz oder sehr geringen Investitionskosten Langzeitspeicherung bedeutet weniger als einen Zyklus pro Woche Typische Investitionskosten bei Batterien zwischen 100 und 500 /kwh Komprimierter Wasserstoff in Salzkavernen liegt im Bereich von 0,25 / kwh ( p = 100 bar, η = 50%) Batteriestrangtrenner Batteriestrang Entlüftung Belüftung Wasserstoff ist für Kurzzeitspeicherung wg. des geringen Wirkungsgrad uninteressant Lüftungsanlage 1.) 2.) salt dome station cavern storage Anlagensteuerung Datenerfassung Schaltgeräte Stromrichter Batteriestrangsteueru Glättungsdrosseln Transformator Baujahr 1986 im Inselnetz Berlin 17 MW, 14 MWh 7080 Zellen mit 2V / 1000 Ah 30 kv-anbindung
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Überblick zu unterschiedlichen Batterietechnologien Energiedcihte tteriehnologie isäure d H M per ps NiCl Elektrolyt H 2 SO 4 KOH KOH Organic, polymers AlO 2 Energiedichte Wh/kg 20 40 30 50 40 90 90 150 70 100 1 10 ~100 [Wh/l] 50 120 100 15 0 150 32 0 230 33 0 200 30 0 2 15 ~50 Ion Lilymer Wirkungsgrad (Energie) [%] 80 90 60 70 80 90 90 95 500 100 0 to +40 4...6 Laptops, Handys, Camcorder, Smart Cards 0-20 to +60 75 90 20 50-10 to +60 0.5 Konsumerprodukte, Spielzeuge -20 to +50 90 95 ~10 500.000-25 to +75 100..200 Für Anwendungen mit Entladezeiten von -25 to +75 typischerweise weniger als 10 Sekunden 80 90 Zyklenlebensdauer Lebensdauer 3 25 2 5 [a] [Zyklen] 3 20 250 500 500 200 0 300 600 ~1000 Temperatur Bereich Laden & Entladen [ C] -10 to +40-15 to +50-20 to +50-45 to +50 0 to +45-20 to +60 +270 to +300 +270 to +300 Kosten (relativ pro kwh) 1 2...3 3...5 Typische Anwendungen (Beispiele) Stationäre Anwendungen (USV, Autonome Stromversorgung), Traktion, Starter Werkzeuge, Modellautos, Konsumerprodukte, Traktion, Tieftemperaturanwendungen, Elekroautos Laptops, Handys, Camcorder, Elektroautos Hybridfahrzeuge, Spielzeuge De facto sind derartige Übersichten wenig hilfreich für die Auswahl einer Technologie für eine spezifische Anwendung! RAM - Rechargeable alkali manganes Hybridfahrzeuge, Elektroautos, stationäre Anwendungen (load-levelling) (Prototypen)
Parameter zur Definition eines Referenzfalls Leistung [kw] Zyklen [#/Tag] Energie [kwh] Definition der Bedingungen für ein Speichersystem Systemlebensdauer [Jahre] Stromkosten [ ct/kwh] Kapitalkosten [%]
Parameter zu Definition einer Speichertechnologie Kosten Umrichter [ /kw] Wirkungsgrad [%] Selbstentladung [%/d] osten pro installierte Kapazität [ /kwh] maximale Entadetiefe (DOD) [%] Wartung & Reparatur [%/Jahr] Zyklenlebensdauer bei DOD [#]
Lebensdauer als Funktion der Entladetiefe (DOD) (Beispiel: NiMH) 3% DOD Quelle: Varta / Johnson Control 5% DOD 20 C, 20,000 nominal cycles @ 5% DOD, equivalent to 400,000 cycles 12% DOD 80% DOD 100% DOD
Kostenberechnung nergie [kwh] Kosten Umrichter [ /kw] Leistung [kw] Speicherkosten für Energiedurchsatz [ ct/kwh] Wirkungsgrad [%] Selbstentladung [%/d] Zyklen [#/Tag] maximale Entladetiefe (DOD) Kosten pro installierte Kapazität [ /kwh] Institut Annuitätenmeth. für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe [%] Stromkosten Systemlebensda [ ct/kwh] [Jahre] Wartung & Zyklenlebensdauer Reparatur [%/Jahr] bei DOD [#] Kapitalkosten [%]
Kosten für Energie aus Großspeichern ( monatlich ) (500 MW, 100 GWh, ~1,5 Zyklen pro Monat, Zins 8%, Stromkosten 4ct) > 10 Jahre heute > 10 Jahre heute abhängig vom Standort uelle: ENERGY STORAGE FOR IMPROVED OPERATION OF FUTURE ENERGY SUPPLY SYSTEMS, M. Kleimaier, et.al., CIGRE 2008
Kosten für Energie aus Großspeichern ( täglich ) (1 GW, 8 GWh, 1 Zyklus pro Tag, Zins 8%, Stromkosten 4ct) > 10 Jahre heute heute > 10 Jahre abhängig vom Standort uelle: ENERGY STORAGE FOR IMPROVED OPERATION OF FUTURE ENERGY SUPPLY SYSTEMS, M. Kleimaier, et.al., CIGRE 2008
Load-leveling Hochspannungsnetz ( Pumpspeicher ) 1 GW, 8 GWh, 1 Zyklus / Tag, Stromkosten 4 ct, Kapitalkosten 8% 5 bis 10 Jahre heute uelle: ENERGY STORAGE FOR IMPROVED OPERATION OF FUTURE ENERGY SUPPLY SYSTEMS, M. Kleimaier, et.al., CIGRE 2008
Kosten für Energie aus Speichern im MS-Netz (10 MW, 40 MWh, 2 Zyklen pro Tag, Zins 8%, Stromkosten 4ct) 5 bis 10 Jahre heute uelle: ENERGY STORAGE FOR IMPROVED OPERATION OF FUTURE ENERGY SUPPLY SYSTEMS, M. Kleimaier, et.al., CIGRE 2008
Ref.-Fall load levelling MV Blei-Säure-Batterie Variation der Speicherkosten und der täglichen Zyklenzahl 2.5 Total cost per kwh throughput, related to reference case 2.0 1.5 1.0 0.5 0,5 cycle per day 2 cycles per day 5 cycles per day Referenz 0.0 50 70 90 110 130 150 170 190 2 Costs per kwh installed capacity, /kwh
Ref.-Fall Großspeicher (täglich) Pumpspeicherkraftwerk Variation der täglichen Zyklenzahl Speicherkosten pro kwh [ ct] 12 10 8 6 4 2 0 1 Zyklus pro Tag 0,5 Zyklen pro Tag 0,33 Zyklen pro Tag 0,25 Zyklen pro Tag 0,2 Zyklen pro Tag Bei abnehmender Zyklenzahl steigen die Speicherkosten erheblich
Ref.-Fall Großspeicher (täglich) Pumpspeicherkraftwerk und NaS-Batterie Variation der täglichen Zyklenzahl relative Kosten pro kwh (bezogen auf 1 Zyklus/Tag) 5 4 3 2 1 0 1 Zyklus pro Tag Pumpspeicherkraftwerk NaS-Batterie 0,5 Zyklen pro Tag 0,33 Zyklen pro Tag 0,25 Zyklen pro Tag 0,2 Zyklen pro Tag
Ref.-Fall load levelling MV Blei-Säure-Batterie Variation der Kapitalkosten (Zinssatz) 1.4 Total cost per kwh throughput, related to reference case 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 Referenz 0 2 4 6 8 10 12 1 Capital costs, %
Ref.-Fall Langzeitspeicher Pumpspeicher Variation der Kapitalkosten (Zinssatz) 1.4 Total cost per kwh throughtput, related to best case 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 Referenz 0 2 4 6 8 10 12 1 Capital costs, %
Übersicht Leistungsspeicher Batteriespeichertechnologien Großspeichertechnologien Kostenberechnung Alternative Konzepte zur Energiespeicherung Technologieszenario
Thermische Speicher in KWK-Anlagen und Wärmepumpensystemen Konsequente Umstellung auf stromgeführte KWK-Anlagen Thermische Speicher als kostengünstige Alternative zu Stromspeichern Tagesspeicher und saisonale Speicher (Erdreichspeicher) für thermische Energie Einsatz der KWK-Anlagen als virtuelles, verteiltes Spitzenlastkraftwerk zum Ausgleich fluktuierender Stromerzeugung und Lasten Wärmespeicher Quelle:Buderus Aber KWK-Anlagen in Einzelhäusern mit guter thermischer Isolierung machen keinen Sinn. Quelle:DEFU, H. Weldingh
Speicher mit Doppelnutzen: Beispiel Optimierung des Eigenverbauchs für PV-Anlagen Bei Betrieb eigener Stromerzeuger (Photovoltaik, KWK) Differenz zwischen Bezugskosten und Verkaufspreis kann höher sein, als die Kosten für Speicher (ohne Einspeisevergütung) Beispiel PV-Anlage nach Ende der Vergütung EEG Vergütung für Einspeisung 5 ct/kwh Kosten für Energiebezug 20 ct/kwh Speicher interessant, wenn Kosten < 15 ct/kwh it 20 Jahren Verzögerung folgen jedem GW PV bei Privathaushalten ca. 0,5 GW Speicheranschlussleistung Bild: Wiikmedia Commons
Solarthermische Kraftwerke mit Wärmespeicher Source:Ciemat, Plata Forma Solar, Dr. Romero
Elektro- und Hybridfahrzeuge auf dem Vormarsch Strom aus CO 2 -freien Quellen über Batterien für Fahrzeuge ist der effizienteste Weg zur Reduktion der CO 2 -Emissionen im Straßenverkehr Quelle: Volvo Quelle: Daimler Quelle: Think Quelle: Daimler Quelle: minispace.com Quelle: Tesla Motors
Flächenverbrauch Biotreibstoff vs. Elektroantrieb Ertrag aus Biomasse der 2. Generation BTL (erwartet): 60.000 km/ha/jahr Ertrag aus Photovoltaik in Deutschland: 1.000.000 km/ha/jahr Annahmen: Einstrahlung in Deutschland: 1000 kwh/m 2 /a, Photovoltaik mit 10% Wirkungsgrad, Flächenbelegung 1/3, Fahrzeugverbrauch 20 kwh / 100 km, Wirkungsgrad Netz & Fahrzeug 60% 16x höherer Fahrleistungsertrag mit PV gegenüber Biomasse
Energieeffizienz Brennstoffzellen- vs. Elektrofahrzeug Ausgangspunkt: elektrischer Strom (aus CO 2 -freier Quelle) Nutzungsgrad bei Brennstoffzellenfahrzeugen: 25 30% Quelle: ATZ online Quelle: minispace.com Nutzungsgrad bei batteriegetriebenen Elektrofahrzeugen: 70 75% Eingangsenergiebedarf bei Wasserstoffnutzung etwa 2,5 x höher als bei Elektrofahrzeugen
Elektrifizierung des Individualverkehrs Hybridfahrzeug Speicher ca. 1 kwh, Ladung nur während Fahrt, Treibstoffeinsparung max. 20% Plug-in Hybrid Speicher 5 10 kwh, Ladung aus dem Netz, 50 70 km Reichweite ohne Treibstoff, volle Reichweite, volle Leistungsfähigkeit Elektrofahrzeug Speicher 15 40 kwh, Ladung aus dem Netz 100 300 km Reichweite ohne Treibstoff,
Auslegung des Speichers von Plug-in Hybriden 100% All-electric operation fraction 80% 60% 40% 20% 0% Recharging after every trip (GER) Recharging over night (GER) Recharging over night (USA) 0 20 40 60 80 100 All-electric range in km
Virtuelle Großspeicher durch verteilte Speicher in Fahrzeugen (Plug-in Hybride) 10 kwh 10 kwh 10 kwh 10 kwh 10 kwh = ~ 3 kw = ~ 3 kw = ~ 3 kw = ~ 3 kw = ~ 400 V 400 V 400 V 3 kw 400 V 400 V 10 kv 20kV Nutzungsdauer < 4 Stunden / Tag Mittlere Fahrstrecke eines Fahrzeugs in Deutschland: 37 km Anteil an der PKW-Verkehrsleistung auf Strecken unter 50 km: 63%
Verkehrsverteilung über den Tag (San Diego / USA) Daily traffic 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 0% 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Time of day in h
Was können Elektrofahrzeuge für das Netz tun? Fahrzeuge können positive und negative Regelleistung bereitstellen durch gezieltes Ein- und Ausschalten des Ladevorgangs durch Rückspeisung von Energie in Netz Umrichter können zusätzlich Systemdienstleistungen erbringen Bereitstellung von Blindleistung Phasensymmetrierung Flickerkompensation Oberwellenkompensation Fahrzeuge können alle Speicheraufgaben im Netz auf der Zeitskala zwischen msec und einem Tag lösen. Langfristig keine Notwendigkeit für spezielle Speicher zur Netzausregelung
Alternativen zu Speichern zur Überbrückung von Flauten länger als ein Tag Einsatz von Gaskraftwerken Betrieb der Anlagen in Zeiten ausgedehnter Flauten bzw. Dunkelperioden Problem: hohe Brennstoff- und CO 2 -Kosten und starke Abhängigkeit von Preisentwicklungen, geringe Volllaststundenzahl Bau von zusätzlichen Übertragungsleitungen Langreichweitige Energieübertragung über Gleichspannungstechnik Stand der Technik Überregionaler Austausch und damit Glättung von Erzeugungsunterschieden sowie Transport in Lastzentren möglich
Spitzenlast-Gaskraftwerke SCPP Single Cycle Power Plant Wirkungsgrad 39,5% CCPP Combined Cycle Power Plant Wirkungsgrad 58% Variation im Gaspreis: 5 /GJ 1,8 ct/kwh, 10 /GJ 3,6 ct/kwh Stromgestehungskosten [ ct/kwh] 25 20 15 10 5 0 SCPP 5 /GJ, 20 /t CO2 SCPP 10 /GJ, 20 /t CO2 CCPP 5 /GJ, 20 /t CO2 CCPP 10 /GJ, 20 /t CO2 SCPP CCPP efficiency 39.5% 58.0% Interest rate 6% capital cost ( /kw) 320 680 Return on equity 12% O&M fixed cost ( /kw) 20 20 Discount rate 9% O&M variable cost ( ct/kwh) 2.5 2.0 Debt/equity ratio 70/30 Economic plant life time (years) 25 25 Debt repayment period (years) 15 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Volllaststunden [h/a] Quelle: Studie Speicher, ETG/VDE, 2008/2009
Leistungsfernausgleich über HVDC-Freileitungen Kosten [ ct/kwh] 7 6 5 4 3 2 HVDC, 2 GW, 370 k /km, 2 x 75 /kw Konverter, 8% Zins, 40 Jahre Lebensdauer 15% mittlere Auslastung 25% mittlere Auslastung 35% mittlere Auslastung 1 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 Übertragungsdistanz [km] Quelle: Studie Speicher, ETG/VDE, 2008/2009
Übersicht Leistungsspeicher Batteriespeichertechnologien Großspeichertechnologien Kostenberechnung Alternative Konzepte zur Energiespeicherung Technologieszenario
Kurzfristszenario (10 Jahre) für Speicher zur Netzregulierung (Betriebsbereich einzelner Speichereinheiten) typische typical discharge Entladedauer time 1 year 1 month 1 week ½ day 1 hour 1 min 1 s 10 ms II III 10 W IV installed installierte power Leistung 1 kw 100 kw 10 MW VI VII 1 GW 100 GW 0.01 1 specific power [kw/kwh] 100 II - SuperCaps, Schwungrad III - Batterien IV - Redox-flow Batterien VI - bestehende Pumpspeicher VII - Speicherkraftwerke (Wasser) VIII - Wasserstoffspeicher kwh MWh GWh TWh installierte installed storage Speicherkapazität capacity
Mittelfristszenario (20 Jahre) für Speicher zur Netzregulierung (Summe der jeweiligen Speicher) typische Entladedauer 1 year 1 month 1 week ½day 1 hour 1 min 1 s 10 W Fahrzeugspeicher + Speicher in PV-Systeme + thermische Speicher + Smart grid -Management + Übertragungsnetz installierte Leistung 1 kw 100 kw 10 MW Wasserstoff Pumpspeicher 1 GW 100 GW 10 ms kwh MWh GWh TWh installierte Speicherkapazität
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern für elektrische Energie Tagung der Europäischen Akademie Bad Neuenahr-Ahrweiler Sichere Stromversorgung und Erneuerbare Energien Bonn, 25 Dirk Uwe Sauer email: sr@isea.rwth-aachen.de Professur für Elektrochemische Energiewandlung & Speichersystemtechnik (ISEA) RWTH Aachen