Energiespeicher in Stromversorgungssystemen mit hohem Anteil Erneuerbarer Energien

Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST) Energiespeicher in Stromversorgungssystemen mit hohem Anteil Erneuerbarer Energien Hubert Landinger VDE-Bezirksverein München e.v. Arbeitskreis Energietechnik München 22. April 2010 1

Übersicht Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH Wieso Energiespeicher? VDE-Studie Energiespeicher VDE Folgeaktivitäten Überblick anderer Arbeiten zur Energiespeicherung Aktueller Stand der relevanten Technologien Zusammenfassung 2

Die Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST) Strategie- und Technologie-Beratungsunternehmen für nachhaltige Energie- und Transportsysteme Gegründet 1982 Globale und langfristige Systemperspektive Technologieorientierung Wasserstoff, Brennstoffzellen, nachhaltige Energie Klienten aus Industrie, Mittelstand, Politik und NGOs weltweit Interdisziplinäres Team mit hoher Kontinuität Dr. Ludwig Bölkow, Gründer der LBST, 2003 Gesellschafter: TÜV SÜD (47%), Mitarbeiter der LBST (29%), Ludwig Bölkow Stiftung (12%), Privatperson (12%) 4

LBST Dienstleistungen System- und Technologiestudien Technologiebewertungen, Unternehmensbewertungen (Due Diligence), Machbarkeitsanalysen Szenarien und Modellierung von Energie- und Mobilitätssystemen Strategieberatung Marktanalysen, Entscheidungsunterstützung, Politikberatung Produktportfolio-Analysen, Identifikation neuer Produkte Nachhaltigkeitsanalysen Lebenszyklusbilanzen, Carbon Footprint-Analysen (ökolog. Fußabdruck) Ressourcen- und Potenzialanalysen (Energie, Mineralien, Wasser) Koordination und Wissensvermittlung Management internationaler Projekte, Projektbegleitung und -bewertung 5 Studien, Kurzberatungen, Experten-Workshops

Kunden Verkehr Energie (Bayernwerk, Ruhrgas) (BEWAG, HEW) Politik Industrie 6

LBST im Internet Firmenprofil, Projekte, Berichte und Präsentationen HyWeb.de Neuigkeiten, Veranstaltungskalender H2stations.org Datenbank Wasserstofftankstellen weltweit H2mobility.org Datenbank Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Fahrzeuge weltweit 7

Wieso Energiespeicher? Umwelt und Ressourcen Situation heute 9

Situation heute Erderwärmung Erderwärmung in Diagrammen... Quelle: IPCC... und in der Realität Quelle: AG Umwelt, Energie und Verkehr 10 Der Rhône Gletscher in 1900... und heute

Situation heute Ressourcen Beispiel Öl Der Ölpreis hat sich innerhalb von fünf Jahren verfünffacht und kann sich innerhalb eines Jahres verdoppeln! [www.oilnergy.com] König Abdullah von Saudi Arabien: Der Ölboom ist vorbei und wird nicht wiederkommen. Wir alle müssen uns an einen anderen Lebensstil gewöhnen. [www.csmonitor.com, AUG 07] Fördermaximum ist erreicht! [LBST 2009] Fatih Birol, Chefökonom der IEA: Es gibt nun das reale Risiko einer Krise der Ölversorgung ab nächstem Jahr Ich bin nicht sehr optimistisch, dass die Regierungen sich der Schwierigkeiten bewusst sind, denen wir in Punkto Ölversorgung gegenüberstehen könnten [Interview 3. AUG 2009 im Independent] 11

Wieso Energiespeicher? Umwelt und Ressourcen Situation morgen 12

Situation morgen Erderwärmung Politik: Begrenzung der globalen Erderwärmung auf max. 2 C Wissenschaft: Mit einer 50%-igen Wahrscheinlichkeit kann das 2 C-Ziel mit den aktuell diskutierten THG-Zielen erreicht werden Bereits diese Ziele verlangen kurzfristig enorme THG-Minderungen CO 2 Abscheidung und Speicherung (CCS) ist kurz- und langfristig keine Option und ist mit finanziellen Risiken verbunden Kurz-, mittel- und langfristig nachhaltige Minderungsoptionen setzen an der Quelle an und reduzieren weitere externe Effekte: Energieeinsparung Energieeffizienz Erneuerbare Energien 13 THG = Treibhausgas CCS = Carbon Capture and Storage

Situation morgen Ressourcen Erdgas, Kohle und Uran werden dem Öl bald folgen (10 12 m 3 /a) Erdgas Peak ~2025 (M toe) Kohle Peak ~2030 Uran Peak ~2035 Wie geht s weiter? Quelle: www.energiekrise.de 14

Situation morgen - Energiesystem Quelle: DWV 15

Situation morgen - Energiesystem Quelle: DWV Das Fördermaximum fossiler und nuklearer Brennstoffe wird etwa im Jahr 2015 erreicht 16

Situation morgen - Energiesystem Quelle: DWV Langfristig wird die Energieversorgung von Strom dominiert werden 17

Situation morgen - Energiesystem Quelle: DWV Übergang von einem auf fossilen Energien basierten auf ein strombasiertes Energiesystem wird stattfinden 18

Situation morgen - Energiesystem Quelle: DWV Im Transportsektor wird Strom die wichtigste Energiequelle werden 19

Situation morgen - Energiesystem Quelle: DWV Die Infrastruktur wird sich wandeln: Fossile Energien als Speicher- und Transportmedium müssen ersetzt werden 20

Situation morgen - Energiesystem Quelle: DWV Die Speicherung von elektrischer Energie wird eine essentielle Aufgabe werden. 21

VDE-Studie Energiespeicher VDE-Studie VDE-Studie Energiespeicher in Stromversorgungssystemen mit hohem Anteil erneuerbarer Energieträger Bedeutung, Stand der Technik, Handlungsbedarf http://www.vde.com/vde/fachgesellschaften/etg Kurzfassung: 12/2008 Langfassung: 06/2009 23

24 VDE-Studie Energiespeicher Elektrische Energieversorgung 2020 Dezentrale Energieversorgung 2020 Effizienzund Einsparpotenziale Smart Distribution Energie- Speicherung 06/2009 Energieund Klimaziele VDE Studien Übertragungstechnologien Infrastruktur Elektrofahrzeuge Elektrofahrzeuge Lastmanagement Lastmanagement Flexibilisierung Erzeugungspark Flexibilisierung Erzeugungspark Energieforschung Versorgungsqualität www.vde.com/vde/fachgesellschaften/etg

VDE-Studie Energiespeicher Entstanden unter der Mitwirkung von DLR Stuttgart E.ON Hochschule Wolfenbüttel KBB Underground Technologies LBST Ludwig-Bölkow-Systemtechnik RWTH Aachen Siemens TU Braunschweig Universität Köln Universität Rostock VDE ETG 25

VDE-Studie Energiespeicher Ausbau der Windenergie in Deutschland 26

VDE-Studie Energiespeicher Fluktuierende Einspeisung aus Windenergie Gradient 27

VDE-Studie Energiespeicher 20.000 MW 15.000 2007: E wind = 39.713 GWh ca. 1850 Volllaststunden Pumpspeicherkapazität in Deutschland (incl. Vianden) 8 GW 45 GWh Windkraft in Deutschland 2007 Jan 07 Okt 07 12/06: P inst = 20.622 MW 12/07: P inst = 22.247 MW Ohne Speicherung müssten die Erneuerbaren immer häufiger gedrosselt werden. Mehr Erzeugung als Verbrauch ist nicht möglich! 10.000 5.000 Jahresmittelwert: 4500 MW Windenergie allein kann praktisch kein einziges konventionelles thermisches Kraftwerk ersetzen (Reservebedarf bei Flauten). ca. 1 TWh 0 1 481 961 1441 1 10 20 30 Tag 28

VDE-Studie Energiespeicher (Pump-) Speicher-Kraftwerke Potenziale Deutschland: Verfügbare Gesamtleistung ca. 7 GW (ohne Vianden/Lux.) Gesamte Speicherkapazität ca. 40 GWh (ohne Vianden/Lux.) Die Realisierungsmöglichkeiten für neue Projekte sind sehr begrenzt! In Österreich und in der Schweiz werden derzeit bestehende Saisonspeicher (insbesondere mehrstufige Anlagen) um Pumpfunktion erweitert, neue Speicherseen können auch dort praktisch nicht mehr gebaut werden. Vorteil: hoher Wirkungsgrad: 75 80 % Nachteil: geringe spezifische Speicherkapazität Saison-Speicherkraftwerke (beispielhaft): Land Speicherkapazität Leistung Österreich 4,5 TWh 6 GW Norwegen 81,7 TWh 29 GW Schweden 33,8 TWh 16 GW aber: Übertragungskapazität eines HGÜ-Seekabels: nur ca. 600 700 MW 29

VDE-Studie Energiespeicher Zentrale Großspeicher: Druckluftspeicher (CAES) Huntdorf Wirkungsgrade: Huntdorf: 45 % McIntosh: 54 % adiabat: ca. 70 % Nachteil: geringe Speicherkapazität 30

VDE-Studie Energiespeicher Zentrale Großspeicher: Wasserstoff 2.) station Brennstoffzelle Kompressor Wasserstoff mit Kavernenspeichern 1.) salt dome cavern storage GuD-Kraftwerk derzeit noch Zumischung von Erdgas erforderlich Vorteile: hohe spezifische Speicherkapazität kostengünstiges Speichervolumen Nachteil: Wirkungsgrad der gesamten Kette: derzeit ca. 30 % zukünftig ca. 40 % erreichbar 31

VDE-Studie Energiespeicher Vergleich der Netto Speicherkapazitäten 300 250 272 kwh/m³ direkte Nutzung (hu) Annahmen: H2 p = 13 MPa ACAES p = 2 MPa Pump.Sp h = 300 m 200 163 kwh/m³ kwh/m³ 150 Nutzung in einem GuD-Kraftwerk 100 50 2,9 kwh/m³ 0,7 kwh/m³ 0 H2 (hu) H2 (GuD) CAES Pump-Sp. 32

VDE-Studie Energiespeicher Vergleich von Netto-Speicherkapazitäten 8000 Bei einem Speichervolumen von V = 8 Mio. m³ Wind Leistung in MW 6000 4000 2000 0 23 GWh AA CAES Pumpspeicher 5 GWh H2 (GuD) ca. 1.300 GWh (1,3 TWh) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Zeit in d 8 Mio. m 3 entsprechen dem Volumen des größten deutschen Erdgaskavernenspeichers 33 Zum Vergleich: Pumpspeicher Goldisthal hat ein Speichervolumen von 12 Mio. m 3

VDE-Studie Energiespeicher Vergleich der Speicherkosten / weitere Optionen Investitionskostenfür fürdas dasspeichevolumen Speichervolumen Pumpspeicher (See): Druckluft (Kaverne): Wasserstoff (Kaverne): 10 40 /kwh 10 20 /kwh 0,2 0,5 /kwh weitere WeitereSpeicheroptionen: Wasserstoff-Verflüssigung und Speicherung in Kryotanks zusätzliche Verluste bei Verflüssigung und Speicherung 34

VDE-Studie Energiespeicher Kostenvergleich für Speicher (Modell) Energie [kwh] Stromkosten [ ct/kwh] Kosten Umrichter [ /kw] Kosten pro installierte Kapazität [ /kwh] Wartung & Leistung [kw] Speicherkosten für Energiedurchsatz [ ct/kwh] Annuitätenmeth. Reparatur [%/Jahr] Kapitalkosten [%] Wirkungsgrad [%] Selbstentladung [%/d] Zyklen [#/Tag] maximale Entladetiefe (DOD) [%] Systemlebensdauer [Jahre] Zyklenlebensdauer bei DOD [#] 35 Quelle: Prof. Sauer, ISEA, RWTH Aachen

VDE-Studie Energiespeicher Speicherkosten bei zentraler Stundenspeicherung 1 GW für 8 Stunden (8 GWh), 1 Zyklus pro Tag, Zugriffszeit < 15 min. > 10 Ja h re h e ute h e ute > 10 J a hre a b hä ng ig vom S tan do rt Reine Speicherkosten; die Kosten für den Einkauf der abzugebenden Energie sind jeweils noch zu addieren. 36

VDE-Studie Energiespeicher Speicherkosten bei Wochenspeicherung 500 MW für 200 Stunden (100 GWh), 2 Zyklen pro Monat > 10 Ja hre h e ute > 10 Ja hre h eute a b hä ng ig vom S tan do rt 37 Reine Speicherkosten; die Kosten für den Einkauf der abzugebenden Energie sind jeweils noch zu addieren.

VDE-Studie Energiespeicher Zusammenfassung: Speicherkosten und Effizienz Speicherung elektrischer Energie ist mit signifikanten Kosten verbunden. Mittelfristig ist günstigstenfalls von folgenden Kosten auszugehen: - 3 ct/kwh bei Stundenspeicherung (Pumpspeicher) - 10 ct/kwh bei Langzeitspeicherung ( Wochenspeicherung ) (reine Speicherkosten inkl. Kompensation der Verluste, ohne Kosten für Energieeinkauf) Dezentrale Speicherung in Batterien ist heute noch wesentlich teurer als zentrale Speicherung im Übertragungsnetz. Deutliche Kostensenkungspotenziale sind bei Massenfertigung jedoch möglich. Die Effizienz der unterschiedlichen Speicher liegt im Bereich von 40 % bei Wasserstoffsystemen und > 90 % bei Lithium-Ionen-Batterien. 38

VDE-Studie Energiespeicher Zusammenfassung Bei hoher Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen könnten diese mobilen Speicher integriert in ein intelligentes Last- und Speichermanagement - alle Aufgaben für das Netz im Zeitbereich von Sekunden bis zu einigen Stunden übernehmen. Für mehrtägige Windflauten sowie saisonaler Schwankungen von erneuerbaren Energien sind die mobilen und die meisten Groß- und Batteriespeichertechnologien nicht ausreichend. Hierzu sind große stationäre Speicher ( Wochenspeicher ) erforderlich. Mögliche Optionen: großen Speicherseen in alpinen Regionen (Umbau zu Pumpspeichern) und Wasserstoff in unterirdischen Salzkavernen. Aus der stationären Wasserstoffspeicherung sind Synergien für die Versorgung zukünftiger Brennstoffzellen-Hybridfahrzeuge zu erwarten (Wasserstoff als Kraftstoff für die Langstrecke). Forschung und Demonstration für Speicher muss in Deutschland erheblich intensiviert werden. 39

VDE Folgeaktivitäten zur Speicherstudie 26. März 2010: Kick-off Meeting der Task Force Speicherbedarf Teilnehmende Organisationen: E.ON, ETH Zürich, Fraunhofer IWES, Frontier Economics, ILF Beratende Ingenieure, KBB Underground Technologies, Ludwig- Bölkow-Systemtechnik (LBST), Offis, Ostfalia, RWE, RWTH Aachen, Siemens, TU Wien, Universität Hamburg, Universität Magdeburg, Universität Rostock, Universität Zürich 41

Task Force Speicherbedarf Arbeitsprogramm Analyse Wind- und Solardargebots Transnationaler / -kontinentaler Energieverbund Erzeugungsmöglichkeiten und bestehender Kraftwerkspark Lastverläufe Erneuerbaren Energien & Netzregelung, Abregelung, etc. Eigenschaften und Potenziale der Speichertechnologien Update des Speichermodells Berücksichtigung und Integration anderer Arbeiten 42

Task Force Speicherbedarf Erwartete Ergebnisse Quantifizierung Leistung & Energieinhalt der erforderlichen Speicher Charakterisierung der erforderlichen Speicherzyklen Ermittlung geeigneter Speichertechnologien, Standorte und Aufwand Quantifizierung des erforderlichen Netzausbaus Umweltaspekte & Umweltrelevanz Marktmodelle für Speicher Wer sind die potenziellen Spieler? Wie lassen sich Investitionen in Speicher refinanzieren? Welche Ordnungsrahmen müssen geändert bzw. neu geschaffen werden? Anreizprogramme zur Marktentwicklung 43

Überblick anderer Arbeiten zur Energiespeicherung Ausgewählte Studien & Aktivitäten: Forum Netzintegration Erneuerbare Energien Deutsche Umwelthilfe & ca. 50 weitere Organisationen Electricity Storage Making Large-Scale Adoption of Wind and Solar Energies a Reality Boston Consulting Group Verträglichkeit von erneuerbaren Energien und Kernenergie im Erzeugungsportfolio Universität Stuttgart IER Design of transport and storage capacities for a future European power supply system with a high share of renewable energies Siemens, Fraunhofer IWES (vormals ISET Kassel) Renewable power (to) methane Solution for renewable power integration and energy storage SolarFuel, ZSW, Fraunhofer IWES (vormals ISET Kassel) Potenziale der Wind-Wasserstoff-Technologie in der Freien und Hansestadt Hamburg und in Schleswig-Holstein Ludwig-Bölkow-Systemtechnik LBST 45

Überblick anderer Arbeiten zur Energiespeicherung Renewable power (to) methane Solution for renewable power integration and energy storage SolarFuel, ZSW, Fraunhofer IWES Quelle: Fraunhofer IWES 2009 46

Pumpspeicher Ein Gutachten der dena untersucht die Bedeutung von Pumpspeichern und anderer Stromspeicher für die Integration Erneuerbarer Energien in die Stromversorgung Am Beispiel des geplanten Pumpspeicherwerks Atdorf werden Vorteile konkret berechnet: Mit einer Leistung von 1,4 GW kann Atdorf zwischen 2020 und 2030 insgesamt bis zu 3,7 TWh an zeitweise überschüssigem Strom zusätzlich nutzbar machen (8% der deutschen Wind- und Solarstromerzeugung in 2009) Die volkswirtschaftlichen Kosten der Stromerzeugung kann Atdorf um über 20 Millionen Euro pro Jahr reduzieren, indem es Strom ins Netz einspeist, wenn er knapp ist. Hinzu kommen CO 2 -Einsparungen, wenn das Pumpspeicherwerk die Erzeugung in fossilen Kraftwerken ersetzt 48

Druckluftspeicher RWE ADELE-Projekt RWE ADELE-Projekt [www.rwe.com] 49

Druckluftspeicher RWE ADELE-Projekt Partner: RWE Power, General Electric, Züblin und DLR Aufgabenstellung: Mit dem adiabaten Druckluftspeicher für die Elektrizitätsversorgung soll zu Zeiten eines hohen Stromangebots Luft komprimiert, die dabei entstandene Wärme in einem Wärmespeicher zwischengespeichert und die Luft in unterirdische Kavernen gepresst werden. Bei steigendem Strombedarf kann diese Druckluft unter gleichzeitiger Rückgewinnung der Wärme zur Stromerzeugung in einer Turbine genutzt werden Ziel: Errichtung einer ersten Demonstrationsanlage ab 2013, die über eine Speicherkapazität von 1 GWh verfügen und eine elektrische Leistung von bis zu 200 MW erbringen soll Erwarteter Wirkungsgrad: ca. 70% 50

Wasserstoffspeicher Betriebserfahrungen Praktische Erfahrungen mit Stadtgas (H 2 -Anteil > 50%) in Salzkavernen und Aquiferen. Speicher bis zur Einführung von Erdgas in Betrieb z.b. in Kiel, Bad Lauchstädt und in Frankreich. Wasserstoffkavernen aktuell in Betrieb: Teesside, UK, Betreiber Sabic Petrochemicals, 3 x 70.000 m³, 4.5 MPa (konst.), 25 GWh, ca. 30 Jahre in Betrieb Clemens Dome, Lake Jackson, Texas, USA, Betreiber ConocoPhillips, 580.000 m³, 7,0 13,5 MPa, 92 GWh, seit 1986 Moss Bluff Salzdom, Liberty County, Texas, USA, Betreiber Praxair, 566.000 m³ maximal genehmigtes Volumen, 7,6 13,4 MPa, 80 GWh, seit 2007 ConocoPhillips 51

Wasserstoffspeicher technische Komponenten Strom Wasserstoff oder LBST 2010 Bilder: Siemens, StatoilHydro, CEP, KBB UT, Proton Motor 52

Wasserstoffspeicher Optionen Breiter Konsens, dass Wasserstoff die einzige Option zur langfristigen und großtechnischen Stromspeicherung ist Wasserstoff kann Engpässe beim Ausbau der Erneuerbaren Energien verhindern In der Speicherung von Wasserstoff in unterirdischen Kavernen gibt es jahrzehntelange Erfahrungen und ist Stand der Technik Durch die verschiedenen Nutzungsoptionen von Wasserstoff ergeben sich vielfältige Möglichkeiten der Vermarktung und Synergien: Rückverstromung Kraftstoff Chemierohstoff Einspeisung ins Erdgasnetz 53

Zusammenfassung Umweltfolgen erfordern / begrenzte Ressourcen erzwingen einen Paradigmenwechsel Energiesystem kraftstoffbasiert strombasiert Die großen Potenziale für Erneuerbare Energien sind strombasiert (Solar, Wind) Kraftwerksbetrieb bedarfsorientiert angebotsorientiert Fluktuierende Verfügbarkeit von Erneuerbarer Energien müssen gemanagt werden Energiespeicher fossile Primärenergieträger erneuerbare Stromspeicherung Speicher werden immer wichtiger, vor allem Wasserstoff als Langzeitspeichermedium sowie als Kraftstoff Einführung Lange Vorlaufzeit für Aufbau von Energiespeicherkapazitäten; ökonomische Bedarfsmeldung (Preis ) erfolgt zu spät; hohes unternehmerisches Risiko bei frühem industriellen Engagement; politische Flankierung erforderlich zur Sicherstellung der Versorgungssicherheit durch Langzeitspeicher 55

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 56

Kontakt Hubert Landinger Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH Daimlerstr. 15 85521 Ottobrunn Sustainability Tel.: 089/608110-37 Fax: 089/6099731 e-mail: hubert.landinger@lbst.de Web: http://www.lbst.de Strategy Technology 57