Vortrag Kappenstein - Forum 9 - Energieeffizienz und -sparen - VOLLER ENERGIE...
Energiespeicher Sfv 20100217pdf
1. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Sonnen- und
S d
Windenergie auf
Vorrat
E. Waffenschmidt
Aachen, 17.Feb. 2010
Solarenergie Förderverein
Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
S.1
2. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
100% Erneuerbare Energien sind möglich
Energiequellen
g q Einsparungen
p g
Solar-Strom
Solarenergie Elektrische Solar-Thermie
Windkraft
de e g e
Windenergie Energie Wasserkraft
Geothermie
Wasserkraft Verkehr Bio-Wertstoffe
Verluste
Geothermie Wärme
El.Anwendungen
Verkehr
Biomase Prozess-Hitze
Wärme
Einsparungen
Ei
Zukünftiges Angebot
Zukünftiger Bedarf
g
0 500 1000 1500 2000 2500
Energie / Mrd kWh
Infos unter: www.sfv.de
S.2
4. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Inhalt
Wie viel Speicher brauchen wir
eigentlich?
Welche technischen Möglichkeiten gibt
es für Speicher?
Was kostet das?
Wie schaffen wir Anreize für den
Ausbau?
S.4
5. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Anwendung
Wofür benötigen wir Speicher?
Autarkes Gebiet:
• Haushalt / Gebäude
• Gemeinde
• Region
• Netzbereich
• Deutschland
• Europa
p
Zeitrahmen: Beispiel:
• Sekunden Primär- und Sekundär-Regelung
• Minuten Last-Änderungen (Minuten-Reserve)
• Stunden Unbestimmte Erzeugung
• Halbe bis ganze Tage Tag-Nacht-Ausgleich
Tag Nacht Ausgleich
• Woche Groß-Wetterlage
S.5
6. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Die Bausteine
Anpassung an Verbrauch
Lastverschiebung
Ergänzung der Energieformen
Ausgleich üb große Di t
A l i h über ß Distanzen
Im- und Export
p
Regelbare Erzeugung
Speicherung
S i h
S.6
7. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Anpassung an Verbrauch
Speicher sind nicht spezifisch für Erneuerbare Energien!
p p g
100% Vergiss Grundlast !
Verbrauchsspezifische
ogen auf tägliche Spitzenlast
Erzeugung notwendig
1990
80%
Leistung
1980
t
60%
1970
bezo
1960 nach Ingo Stadler 2007 [7]
40%
00:00h 06:00h 12:00h 18:00h 00:00h
Tageszeit
9. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Lastverschiebung
Verbraucher
Industrie d Wi t h ft
I d t i und Wirtschaft
Kühlhäuser
Prozesswärme
Lüftungsanlagen
Privathaushalte
Speicherheizung / Wärmepumpe
Kühlgeräte
Wasch- und Spülmaschine
Potential
Insgesamt 400 GWh
Mehrfaches aller Pumpspeicherkraftwerke
Aber nur kurzfristige „Speicherung“
Ingo Stadler, Okt. 2005, [7] Photo: ebi
10. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Ergänzung de Energieformen -
gä u g der e g e o e
Jahreszeitliche Kompensation
Energieerzeugung bezogen auf Jahresenergieertrag
16%
Photovoltaik
14%
Wind
erzeugung
g
12%
10%
Rel. Energiee
8%
6%
4%
2%
0%
Mär
Dez
Mai
Jan
Feb
Jun
Aug
Sep
Apr
Okt
Jul
Nov
S.10 V. Quaschning, 2000 [5]
11. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Ergänzung de Energieformen -
gä u g der e g e o e
Jahreszeitliche Kompensation
Energieerzeugung bezogen auf Jahresenergieertrag Photovoltaik (25%)
12% Wind (75%)
erzeugung
g
10% Bedarf
8%
Rel. Energiee
6%
4%
2%
0%
Mai
Nov
Jan
Feb
Jun
Jul
Okt
Mär
Apr
Dez
Aug
Sep
S.11 V. Quaschning, 2000 [5]
12. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Ausgleich über große Distanzen
Wetter ist nicht berechenbar. 1. Sept. 2009, 16:00 UTC
p
Aber:
Wenn die Sonne hier nicht
scheint, scheint sie vielleicht wo
anders
„Glätten“ der Erzeugung
Einzelner Standort: Sekunden
Verbund: Sekunden bis Minute
Region: Einige Minuten
Deutschland: Minuten bis Stunde
Standortwahl:
Großräumige Verteilung besser
als Konzentration in einer Region
Nicht allein Quantität sondern
auch „Qualität beachten
Qualität“
S.12 http://www.sat24.com/history.aspx?country=eu
13. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Ausgleich über große Distanzen
Europäische Ebene: Korrelation von
V/[m/s]
Erzeugung de-korreliert Windgeschwindigkeiten
V
rath bei Aachen
n
Große W h h i li hk it
G ß Wahrscheinlichkeit
zu jeder Zeit 15
Wenig Speicher notwendig Abstand
Netzausbau: 800 km
Notwendig für Ausgleich 10
Ca.
Ca 10x billiger als
Herzogenr
B = 0.07%
Speicher
DESERTEC ist Schritt in 5
die richtige Richtung
0
0 5 10 15 V/[m/s]
Messdaten:
Dr. H. Kluttig Port St. Luis du Rhône
S.13
14. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Regelbare Erzeugung
Biogas Tagesspeicher
Steuer- und speicherbar
Drucklose Speicherung,
keine Kompressionsverluste
Typ. technische Daten:
Leistung: einige 100 kW bis MW
Energiemenge: max. ca. 2 Tage
Speicherdauer: Tage
Anwendung
Ausgleich von Leistungsspitzen
Bedarfsgerechte
B d f h
Energiebereitstellung
S.14 Quelle: Schmack Biogas AG
Photo: ebi
15. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Fazit
Bedarf von vielen Faktoren abhängig z B:
z.B:
Größe des Netz-Gebietes
Räumliche Verteilung der einzelnen Erzeuger
g g
Vernetzung
Nutzungsgrad (Abschalten / Kappen bei extremen Wetterlagen)
„Trade-Off“ zwischen Netzausbau und Speichern
Abschätzungen*:
Speichergröße: ca. 370 GWh ( t
S i h öß (etwa 2 10 x exist. S i h )
2...10 i t Speicher)
Nennleistung: ca. 20 GW (etwa 3 x exist. Pump-Speicher)
* nach Kombikraftwerk, 2008 [10]
16. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Speichertechniken
Pumpspeicherkraftwerk
Druckluftspeicher
Wasserstoff
Redox-Flow Batterien
NaS Hochtemperatur B tt i
N S H ht t Batterien
Li-Ion Batterien
„Klassische“ Batterien
p
Dezentrale Kleinspeicher
Biomasse
S.16
17. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Pumpspeicherkraftwerke
Funktionsweise:
Speichern:
Wasser hoch pumpen
Erzeugen:
Turbine mit Wasser antreiben
Typ. technische Daten:
Leistung: bi zu 1GW
L i t bis
Energiemenge: für mehrere Std.
Wirkungsgrad: >80%
g g
Speicherdauer: Unbegrenzt
Insgesamt in Deutschland
Leistung: 6.6
Leist ng 6 6 GW
Speichergröße: ca. 30..60 GWh
Photo: ebi
Beispiel:
Pumpspeicherwerk Niederwartha bei Dresden
S.17 http://de.wikipedia.org/wiki/Pumpspeicherwerk_Niederwartha
18. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Druckluft-Speicher
Druckluft Speicher
Funktionsweise:
Speichern:
Hohlraum „aufpumpen“
Erzeugen:
E
Turbine mit Druckluft antreiben
Hohlraum
Salzkavernen oder andere
unterirdische Hohlräume
Typ.
Typ technische Daten:
Leistung: einige 100 MW
Energiemenge:
g g
für ein bis zwei Std. Beispiel: Hundorf, Deutschland, 290MW / 2h
Wirkungsgrad: um 60%
Speicherdauer: St d bis T
S i h d Stunden bi Tage
S.18
19. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Wasserstoff-Speicher
Wasserstoff Speicher
Funktionsweise:
Speichern:
Wasserstoff erzeugen (Elektrolyse)
Erzeugen:
Brennstoffzelle oder Turbine
B t ff ll d T bi
Hohlraum
Salzkavernen oder andere
unterirdische H hl ä
t i di h Hohlräume
Typ. technische Daten:
Leistung: einige 100 MW bis GW
Energiemenge:
für Tage bis Wochen
Wirkungsgrad: um 40%
Bild: ebi
Speicherdauer: Wochen bis Monate
Bild: Wasserstoff-Brennstoffzelle
Potential
Vergleichbar it Erdgas-Speicher
V l i hb mit E d S i h
Gasbedarf für mehrere Monate
20. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Redox-Flow
Redox Flow Batterien
Funktionsweise:
Speichern:
Flüssigkeit wird elektrochemisch
„aufgeladen
aufgeladen“
Erzeugen:
Flüssigkeit wird elektrochemisch
„entladen“
entladen“
Speichermedium:
z.B. Vanadium-Salz-Lösung
Typ. technische Daten:
Leistung: einige 100 kW
Energiemenge: für einige Std.
g g g
Wirkungsgrad: >75% Beispiel: King Island, Tasmanien, 200kW / 4h
Speicherdauer: Grundsätzlich unbegrenzt, typ. Tage bis Wochen
Weitere Info:
http://en.wikipedia.org/wiki/Vanadium_redox_battery
S.20 http://www.isea.rwth-aachen.de/isea2/forschung/batterien/technologie.php?site=tec_redox.php
21. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
NaS Hochtemperatur Batterie
Funktionsweise:
Speichern und erzeugen
elektrochemisch
bei ca. 300°C ... 350°C
ca 300 C 350 C
Typ. technische Daten:
Leistung:
g
einige 100 kW bis MW
Energiemenge: für einige Std.
Wirkungsgrad: >75%
Wi k d 75%
Photo: Ebi
Speicherdauer:
Tage bis Wochen
g
Anwendung
Versorgung eines Dorfes
Bsp. Bruchmühlbach, 2800
B B h ühlb h Photo: Ebi
Einw. Beispiel: 1MW / 7MWh NaS Batterie mit
Netzanschluß, Younicos AG, Berlin
22. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Li-Ion
Li Ion Batterien
Funktionsweise:
Elektroden:
El kt d
Negativ: Graphit
Positiv: Lithiertes Metalloxid mit
Cobalt, Mangan, Ni k l oder Ei
C b lt M Nickel d Eisen-
Phosphat
Elektrolyt: Gelöstes LiPF6
Typ. technische Daten:
Leistung:
einige W bis kW
Energiemenge: für einige Std.
Wirkungsgrad: >90%
Speicherdauer:
Stunden bis Wochen
Photo: Ebi
(Selbstentladung <5% / Monat)
Geringes Gewicht: 100 200 Wh/kg
100..200
(Doppelt so gut wie NiCd)
Photo: Ebi
23. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Dezentrale Speicher
Batterietypen:
yp
Bleibatterie
NiCd / NiMhd
Li-Ion
Typ. technische Daten:
Leistung: einige kW
Energiemenge: für einige Std.
Wirkungsgrad: 75% ... 90% Bild: http://billig.strom.1tipp.de/grafik/autobatterie.jpg
Speicherdauer: Tage bis Wochen
Anwendung
Versorgung eines H
V i Haushaltes
h l
Für Kleininvestoren
S.23
24. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Elektroautos als Speicher
Speicher-Nutzung
Lastverschiebung beim
Aufladen
Option zum teilweisen
Entladen
Notfall-Reserve
Geschäftsmodell
Auflade-Garantie zum
festen Zeitpunkt
Finanzielle Beteiligung
g g
Potential:
4 Mio E-Cars
(10% aller Autos)
40..100 GWh Speicher
Tomi Engel, 2005 [9]
25. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Kostenberechnung von Speichern
Definition Referenzfall Definition Speichertechnologie
Leistung
Kosten Umrichter [
[kWh] ] Wirkungsgrad [ ]
g g [%]
[€/kWh] Selbstentladung [%/Tag]
Energie Zyklen
[kWh] [Anz./Tag]
[Anz /Tag]
Speicherkosten max. Entladetiefe
Kosten pro installierter
g
für Energiedurchsatz [%]
Kapazität [€/kWh]
[€Ct/kWh]
Systemlebensdauer
Stromkosten
[
[Jahre]
]
[€Ct/kWh]
Zyklenlebensdauer
Wartung & Reparatur [Anz.]
[%/Jahr] Kapitalkosten
p
[%/Jahr]
Nach D.U.Sauer, RWTH Aachen, 15.11.2009,
26. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Kostenberechnung von Speichern
Wenige Zyklen:
g y
Initiale Kosten dominieren
Spezifische Spezifische Spezifische
Initiale Kosten
Kosten Kosten Kosten
Viele Zyklen:
Spezifische Kosten dominieren
Initiale Kosten Spezifische Kosten
27. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Kosten von Speichertechnologien
Monatlich 10Jahre heute
Wasserstoff Täglich
Druckluft Monatlich
(adiabatisch) Täglich Stromkosten 4€Ct
Monatlich (abh. vom Standort)
( ) Zins 8%
Pumpspeicher Täglich (abh. vom Standort) Monatlich:
Täglich 500MW, 100GWh,
Zink-Brom Tageszeitlich 1.5 Zyklen/Monat
Redox Flow
Redox-Flow Täglich Täglich:
(Vanadium) Tageszeitlich 1GW, 8GWh,
NaNiCl Täglich 1 Zyklus/Tag
(Hochtemp.) Tageszeitlich Tageszeitlich:
NaS Täglich
Tä li h 10MW, 40MWh,
(Hochtemp.) Tageszeitlich 2 Zyklen/Tag
Li-Ion Täglich
Tageszeitlich
NiCd Täglich
Tageszeitlich
Blei Täglich
Tageszeitlich
Nach D.U.Sauer, RWTH Aachen,
15.11.2009, dort nach folgender Quelle: 5 10 20 30 40 50 60
M. Kleimaier, et.al., „Energy storage for
improved operation of future energy Kosten / [€ct/kWh]
supply systems“, CIGRE 2008
28. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Variable Strompreise
Viel Strom: Strom ist billig
• Speicher aufladen,
• Energie gebrauchen
Wenig Strom: Strom ist teuer
• Speicher entladen,
•EEnergieverbrauch verschieben
i b h hi b
S.28 Siehe auch W. Schittek, 2008 [11]
29. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Vorschlag SFV
Gesetzliche Regelung beinhaltet:
Strompreis abhängig von
Angebot und Nachfrage
Einspeisung von „steuerbarem Strom
steuerbarem“
wird vergütet wie Regelenergie
Netzgebühr wird bei Einspeisung von
Speicherenergie rückerstattet
p g
S.29
31. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Literatur
[1] Pumpspeicherwerk Niederwartha, http://de.wikipedia.org/wiki/Pumpspeicherwerk_Niederwartha
[ ] p
[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Vanadium_redox_battery
p g _ _ y
[3] http://www.isea.rwth-aachen.de/isea2/forschung/batterien/technologie.php?site=tec_redox.php
[4] Ralf Simon, Christian Pohl, Kerstin Kriebs,
„Einsatzmöglichkeit einer NaS-Batterie für die Regenerativstromversorgung am Beispiel der Gemeinde Bruchmühlbach“
Institut für Innovation Transfer und Beratung GmbH Transferstelle Bingen im Auftrag des Ministerium für Umwelt und
Innovation, GmbH, Bingen,
Forsten Rheinland-Pfalz, 10.03.2006, www.tsb-energie.de.
[5] Volker Quaschning, "Systemtechnik einer klimaverträglichen Elektrizitätsversorgung in Deutschland für das 21.
Jahrhundert", Fortschritt-Berichte VDI, Energietechnik, Reihe 6, Nr. 437, Düsseldorf: VDI Verlag 2000, ISBN 3-18-343706-
6, auch im Internet unter: http://www.quaschning.de/volker/publis/klima2000/index.html
, p q g p
[6] Ralf Bischof, Geschäftsführer Bundesverband WindEnergie (BWE), „ Windenergie Netz- und Systemintegration“,
Fachtagung „Windenergie in Deutschland – Beitrag zu Klimaschutz und Versorgungssicherheit“ 11. Sept. 2007.
(NNetz- und Systemintegration.pdf)
[7] Ingo Stadler „400 GWh of existing energy storage is waiting to be integrated into electricity supplies to balance fluctuating
Stadler, 400
renewable energies“, 2nd International Renewable Energy Storage (IRES) Conference, Bonn, Nov. 2007.
[8] Ingo Stadler, „Demand Response – Nichtelektrische Speicher für Elektrizitätsversorgungssysteme mit hohem Anteil
erneuerbarer Energien“, Habilitation, Fachbereich Elektrotechnik Universität Kassel, Okt. 2005.
[9] Tomi Engel, „Das Elektrofahrzeug als Regelenergiekraftwerk des Solarzeitalters“, Solarzeitalter 3/2005, S. 11. Siehe auch:
f f S “ S / S S
http://www.unendlich-viel-energie.de/de/verkehr/detailansicht/browse/3/article/185/das-elektrofahrzeug-als-
regelenergiekraftwerk-des-solarzeitalters.html
[10] R. Mackensen, K. Rohrig, H. Emanue, „Das regenerative Kombikraftwerk – Abschlussbericht“, 31. April 2008,
http://www.kombikraftwerk.de/fileadmin/downloads/2008_03_31_Ma__KombiKW_Abschlussbericht.pdf
http://www kombikraftwerk de/fileadmin/downloads/2008 03 31 Ma KombiKW Abschlussbericht pdf
[11] Walter Schittek, „Strom – fit für die Zukunft? Dynamischer Strompreis und virtuelle Sekundärregelung“, Verlag Görich &
Weiershäuser, Marburg, Nov. 2008, ISBN 978-3-89703-706-9
S.31 http://www.staff.uni-marburg.de/~schittek/buch_strom.html