Energiespeicher Sfv 20100217pdf

Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.

Sonnen- und
S d
Windenergie auf
Vorrat

E. Waffenschmidt
Aachen, 17.Feb. 2010

Solarenergie Förderverein

S.1


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


S.3


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


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


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


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


Anpassung an Verbrauch: Kombikraftwerk

S.8 http://www.kombikraftwerk.de/fileadmin/flash/kk_jahresstatistik_06.swf


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


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]


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]


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


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


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


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]


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


Pumpspeicherkraftwerke
Funktionsweise:
Speichern:
Wasser hoch pumpen
Erzeugen:
Turbine mit Wasser antreiben
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


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


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
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


Redox-Flow
Redox Flow Batterien
Funktionsweise:
Speichern:
Flüssigkeit wird elektrochemisch
„aufgeladen
aufgeladen“
Erzeugen:
Flüssigkeit wird elektrochemisch
„entladen“
entladen“
Speichermedium:
z.B. Vanadium-Salz-Lösung
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


NaS Hochtemperatur Batterie
Funktionsweise:
Speichern und erzeugen
elektrochemisch
bei ca. 300°C ... 350°C
ca 300 C 350 C
Leistung:
g
einige 100 kW bis MW
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


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
Leistung:
einige W bis kW
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


Dezentrale Speicher
Batterietypen:
yp
Bleibatterie
NiCd / NiMhd
Li-Ion
Leistung: einige kW
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


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]


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,


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


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


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]


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


Speicher für Erneuerbare Energien
Energien...
Sind notwendig
Sind machbar
Sind bezahlbar

Wir müssen es angehen!


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

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