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7. Wissenschaftstag Vattenfall 
Stromspeicher – Schlüssel zur Energiewende 
Speichertechnologien im Überblick 
A. Kratzsch
2 
Gliederung 
1. Ausgangssituation – Warum Energiespeicher? 
2. Einteilung von Energiespeichern 
3. Bedarf an Energiespeichern 
4. Flexibles Kraftwerk 
5. Zusammenfassung 
29.10.2014 
A. 
Kratzsch 
| 
Hochschule 
Zi9au/Görlitz 
| 
7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall
Quan%fizierte 
Ziele 
Energiekonzept 
2020 
2030 
2040 
2050 
Minderung 
der 
THG-­‐Emissionen 
(bezogen 
auf 
1990) 
-­‐40% 
-­‐55% 
-­‐70% 
-­‐80 
bis 
§ Umbau der Energieversorgung zu einem regenerativ dominierten 
Energiesystem 
§ Problematik: 
– Fluktuierende Einspeisung aus Erneuerbaren Energien (EE) 
– Synchronisierung von EE-Angebot und Netzlast 
95% 
Mindest-­‐Anteil 
der 
EE 
am 
Bru9o-­‐Endenergieverbrauch 
18% 
30% 
45% 
60% 
Mindest-­‐Anteil 
der 
EE 
am 
Bru9ostromverbrauch 
35% 
50% 
65% 
80% 
Minderung 
des 
Primärenergieverbrauchs 
-­‐20% 
-­‐50% 
Minderung 
des 
Stromverbrauchs 
-­‐10% 
-­‐25% 
Minderung 
des 
Endenergieverbrauchs 
Verkehr 
-­‐10% 
-­‐40% 
Reduzierung 
des 
Wärmebedarfs 
(2020) 
bzw. 
des 
-­‐20% 
-­‐80% 
Primärenergiebedarfs 
(2050) 
von 
Gebäuden 
AtomenergieaussZeg 
2022 
3 
Ausgangssituation 
29.10.2014 
A. 
Kratzsch 
| 
Hochschule 
Zi9au/Görlitz 
| 
7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall
4 
Ausgangssituation 
§ Zielstellung: Äquivalenz zwischen Elektroenergienachfrage und 
-angebot. 
§ Es existieren entsprechende Stelleinrichtungen im Verbundnetz: 
– bestehender fossiler und nuklearer Kraftwerkspark 
– Gasturbinenkraftwerke (schnellstartfähig) 
– Pumpspeicherkraftwerke 
– Druckluftspeicherkraftwerk (HUNTORF) 
§ Durch den fortschreitenden Zubau 
Erneuerbarer Energien reicht der 
Stellbereich und die Stellgeschwindigkeit 
bestehender Stelleinrichtungen nicht mehr 
aus è instabiles Verbundnetz 
Abb. 1: KKW Krümmel, KW Boxberg (Quelle: Vattenfall) 
29.10.2014 
A. 
Kratzsch 
| 
Hochschule 
Zi9au/Görlitz 
| 
7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall
Residuallast 2020 Residuallast 2030 Residuallast 2050 
Quelle: [BMU2012] S.202-204 Quelle: [BMU2012] S.202-204 Quelle: [BMU2012] S.202-204 
29.10.2014 
A. 
Kratzsch 
| 
Hochschule 
Zi9au/Görlitz 
| 
7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall 
5 
Entwicklung der Residuallast 2020 bis 2050 nach Studie BMU2012, Szenario 2011A 
Grundlast verschwindet mit zunehmender Einspeisung aus EE 
zunehmend hochflexibler wirtschaftlicher Kraftwerkspark für Spitzenlastdeckung mit 
hohen Lastgradienten und gesicherter Leistung (Backup) notwendig 
2050 Speicherkapazität ≈ flexible Erzeugungskapazität 
Abb. 2: Residuallast 2020, 2030, 
2050 (Quelle: BMU) 
Ausgangssituation
6 
Gliederung 
1. Ausgangssituation – Warum Energiespeicher? 
2. Einteilung von Energiespeichern 
3. Bedarf an Energiespeichern 
4. Flexibles Kraftwerk 
5. Zusammenfassung 
29.10.2014 
A. 
Kratzsch 
| 
Hochschule 
Zi9au/Görlitz 
| 
7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall
7 
Einteilung von Speichertechnologien 
§ Einteilung nach Energieform 
Energiespeicher 
Mechanische 
• Pumpspeicher 
KW 
• Drucklu@speicher 
(CAES, 
AA 
CAES, 
ADELE) 
• Schwungräder 
(DYNASTORE) 
Chemische 
• Elektrochemische 
Ba9erien 
• Brennstoffe 
• Elektrolyse 
(Power-­‐to-­‐Gas) 
Biologische 
• Biopolymere 
(nachwachsende 
Rohstoffe) 
• Erdöl, 
Kohle, 
Erdgas 
(fossile) 
Elektrische 
• Kondensator 
• Superkondensator 
• Ba9erien 
§ Einteilung entsprechend Speicherdauer (Lang-/Kurzzeitspeicher) 
§ Einteilung hinsichtlich der Bewertungskriterien für Speicher 
§ Einteilung hinsichtlich der möglichen Beiträge zu Systemdienstleistungen 
29.10.2014 
A. 
Kratzsch 
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Hochschule 
Zi9au/Görlitz 
| 
7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall 
Thermische 
• Sensible 
Wärmespeicher 
• Latente 
Wärmespeicher 
• Thermochemische 
Wärmespeicher
Abb. 3: KW HUNTORF und Luftspeicher-Gasturbinengruppe (Quelle: BBC1980) 
8 
Einteilung von Speichertechnologien 
§ Beispiel: Druckluftspeicher HUNTORF 
§ Inbetriebnahme 1978 als kombiniertes Druckluft-speicher- 
und Gasturbinenkraftwerk mit einer 
Leistung von 321 MWel. 
§ Zur Druckauflastung der Kaverne (72.000 t Press-luft 
bei 72 bar) ist eine elektrische Arbeit von 
480 MWh erforderlich. 
§ Die Kaverne ersetzt den klassischen Verdichter der 
Gasturbine. 
§ Die Beladung erfolgt zu Schwachlastzeiten, die Entladung 
zu Spitzenlastzeiten. 
§ Es sind 120 min. Volllastbetrieb bei voll geladener Kaverne 
möglich (danach Gleitdruckbetrieb). 
§ Vergleich: 40 min. Volllastbetrieb ohne Kaverne bei 
identischer Gasmenge 
29.10.2014 
A. 
Kratzsch 
| 
Hochschule 
Zi9au/Görlitz 
| 
7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall
9 
Gliederung 
1. Ausgangssituation – Warum Energiespeicher? 
2. Einteilung von Energiespeichern 
3. Bedarf an Energiespeichern 
4. Flexibles Kraftwerk 
5. Zusammenfassung 
29.10.2014 
A. 
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Zi9au/Görlitz 
| 
7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall
10 
Bedarf an Energiespeichern 
§ Energiespeicher müssen in der Lage sein Systemdienstleistungen zu 
erbringen bzw. bisherige Systemdienstleister dahingehend unterstützen/ 
ertüchtigen! 
§ Systemdienstleistungen 
– Frequenzhaltung 
• Momentanreserve 
• Primärregelleistung 
• Sekundärregelleistung 
• Minutenreserve 
– Spannungshaltung 
– Versorgungswiederaufbau 
– Betriebsführung 
§ Entsprechend werden Anforderungen an Speicher gestellt. 
29.10.2014 
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| 
7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall
11 
Bedarf an Energiespeichern 
Kapazität 
Dynamik 
Zyklenstabilität 
Teillasfähigkeit 
Standzeit 
29.10.2014 
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Hochschule 
Zi9au/Görlitz 
| 
7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall 
Zuverlässigkeit 
und 
Verfügbarkeit 
ökologische/ 
ökonomische 
Aspekte 
gesellscha@liche 
Akzeptanz 
§ Anforderungen an Stromspeicher im Verbundnetz (Auszug)
12 
Bedarf an Energiespeichern 
§ Beiträge ausgewählter Energiespeicher zu Systemdienstleistungen: 
Schwungmassen-­‐ 
speicher 
Ba9erien 
Pumpspeicher-­‐ 
kra@werke 
29.10.2014 
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Hochschule 
Zi9au/Görlitz 
| 
7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall 
Power-­‐to-­‐Gas 
Gas-­‐to-­‐Power 
Momentan-­‐ 
reserve 
Primärregel-­‐ 
leistung 
Sekundär-­‐ 
regelleistung 
Minuten-­‐ 
reserve 
Bewertung: 
§ Hohe Investitionskosten für die Realisierung von Stromspeichern als Stell-einrichtungen 
im Verbundnetz. 
§ Erforderliche dezentrale Strukturen führen zu einem hohen informations-technischen 
Aufwand.
13 
Gliederung 
1. Ausgangssituation – Warum Energiespeicher? 
2. Einteilung von Energiespeichern 
3. Bedarf an Energiespeichern 
4. Flexibles Kraftwerk 
5. Zusammenfassung 
29.10.2014 
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7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall
29.10.2014 
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Zi9au/Görlitz 
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7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall 
14 
Folgen für Großkraftwerke bis 2030 durch den zunehmenden Ausbau der EE 
§ volatile Spitzen durch EE-Einspeisung nehmen zu 
§ zeitweise Vollversorgung durch EE 
§ starker Anstieg des Spitzenlastbedarfs 
§ schrittweise Abnahme der Deckung des 
Grundlastbedarfs durch Bestandskraftwerke 
§ steigender Bedarf an Regelenergie 
§ An- und Abfahrprozesse nehmen stark zu 
§ hohe Lastgradienten 
§ Zunahme von Lastwechselfahrweisen 
§ erhöhte Belastung der Bauteile 
Mögliche Residuallast 2030 
Quelle: [BMU2012] S.202-204 
Flexibles Kraftwerk 
Abb. 4: Simulierter Verlauf der Residuallast für zwei Wochen in 2030 
Ø Ertüchtigung von bestehenden Stelleinrichtungen (Bestandskraftwerken) in 
Hinblick auf Stellgeschwindigkeit und Stellbereich. 
Ø Integration thermischer Energiespeicher (TES) in den Kraftwerksprozess.
Reaktions-wärmespeicher 
15 
Flexibles Kraftwerk 
TES 
Sensible 
Wärmespeicher 
Flüssig 
Fest 
Latente 
Wärmespeicher 
Übergang 
fest-­‐ 
flüssig 
Übergang 
flüssig-­‐ 
gasf. 
Thermochemische 
Wärmespeicher 
Sorp6ons-­‐ 
speicher 
Reak6ons-­‐ 
wärme 
speicher 
Fluidspeicher 
Dampfspeicher 
Feststoffspeicher Latentwärmespeicher Ad- u. Absorptions-speicher 
29.10.2014 
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Kratzsch 
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Hochschule 
Zi9au/Görlitz 
| 
7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall 
AB+ΔHR A+B-ΔHR 
Hoch 
Entwicklungsstand 
Niedrig 
Niedrig 
Speicherdichte 
Hoch
Flexibles Kraftwerk 
Stand 
der 
Technik 
-­‐ 
gute 
Leistungsanpassung 
-­‐ 
bis 
600°C 
je 
nach 
Medium 
Stand 
der 
Technik 
-­‐ 
Speicherung 
bei 
kleinem 
ΔT 
-­‐ 
29.10.2014 
A. 
Kratzsch 
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Zi9au/Görlitz 
| 
7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall 
Druckbehälter 
-­‐ 
Temperatur-­‐ 
und 
Druckniveau 
nicht 
konstant 
16 
Speicherkonzepte 
T 
> 
150°C 
Prinzip 
Typ. 
Speichermed. 
Vorteile 
Nachteile 
Fluidspeicher 
Speicherung 
sensibler 
Wärme 
in 
flüssigem 
Speichermedium, 
direkt 
o. 
indirekt 
-­‐ 
Zwei-­‐Tank-­‐System 
-­‐ 
Ein-­‐Tank-­‐Schicht-­‐System 
-­‐ 
Thermoöl 
-­‐ 
Druckwasser 
-­‐ 
Flüssigsalz 
-­‐ 
-­‐ 
Druckbehälter 
(Wasser) 
-­‐ 
hohe 
Wärmeverluste 
-­‐ 
Wärmeüberganswiderst. 
-­‐ 
Temperaturniveau 
nicht 
konstant 
Dampfspeicher 
Speicherung 
sensibler 
Wärme 
in 
Druckwasser, 
Phasenwechsel 
Wärmeträger 
bei 
Be-­‐ 
und 
Entladung 
(Ruths-­‐Speicher) 
-­‐ 
Druckwasser 
-­‐ 
Abdeckung 
von 
Leistungsspitzen 
-­‐ 
Speichermedium 
günsZg 
-­‐ 
bis 
374°C 
bei 
221bar 
-­‐ 
Feststoffspeicher 
Speicherung 
sensibler 
Wärme 
in 
festem 
Speichermedium 
mit 
integriertem 
Wärmeübertrager 
-­‐ 
Beton 
-­‐ 
(Stein, 
Metalle) 
-­‐ 
kein 
Druckbehälter 
-­‐ 
preiswertes 
Speichermed. 
-­‐ 
bis 
550°C 
-­‐ 
Pilotprojektstadium 
-­‐ 
geringe 
Wärmeleif. 
-­‐ 
Leistungsanpassung 
Latentwärmespeicher 
Isotherme 
Speicherung 
latenter 
Wärme 
in 
einem 
Medium 
mit 
Phasenwechsel 
(PCM) 
während 
Be-­‐ 
und 
Entladung 
-­‐ 
Tech. 
Salze 
-­‐ 
Metalle 
und 
Legierungen 
-­‐ 
hohe 
Speicherdichte 
-­‐ 
kein 
Druckbehälter 
-­‐ 
bis 
1000°C 
-­‐ 
Pilotprojektstadium 
-­‐ 
z.T. 
geringe 
WärmeleiW. 
-­‐ 
Kosten 
Speichermedium 
Ad-­‐/AbsorpZonsspeicher 
Speicherung 
phys. 
Bindungswärme 
durch 
Ausheizung 
eines, 
an 
einem 
festen 
bzw. 
flüssigen 
Stoff 
A 
angelagerten 
bzw. 
gelösten 
Stoffes 
B 
-­‐ 
Natronlauge 
-­‐ 
Zeolith 
-­‐ 
Silikagel 
-­‐ 
Metallhydride 
-­‐ 
Nutzung 
KondensaZonswärme 
-­‐ 
Temperaturhub 
möglich 
-­‐ 
keine 
Wärmeverluste 
-­‐ 
150 
bis 
300°C 
-­‐ 
z.T. 
Pilotprojektstadium 
-­‐ 
Druckabhängig 
-­‐ 
geringe 
Wärmeleif. 
-­‐ 
evtl. 
Reaktor 
notwendig 
ReakZonswärmespeicher 
Speicherung 
chem. 
ReakZonswärme 
durch 
Aufspaltung 
eines 
Stoffes 
AB 
unter 
Wärmezufuhr 
in 
die 
separierten 
Stoffe 
A 
und 
B 
-­‐ 
Ammoniaksynt. 
-­‐ 
DehydraZsieru. 
/Decaboxillieru. 
von 
Metallen 
-­‐ 
höchste 
Speicherdichte 
-­‐ 
keine 
Wärmeverluste 
-­‐ 
250 
bis 
950°C 
-­‐ 
Laborstadium 
-­‐ 
Zyklenstabillität 
AB+ΔHR A+B-ΔHR -­‐ 
Reaktor 
notwendig
Sensible Wärmespeicher: Fluidspeicher mit Flüssigsalz 
29.10.2014 
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Zi9au/Görlitz 
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7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall 
17 
Beispiel: Solar Two 
§ Anwendungen mit großen 
Temperaturspreizungen 
§ 1400 Tonnen 60 % NaNO3 + 40 % KNO3 
§ „kalter“ Tank: 290 °C, Material: Stahl 
§ „heißer“ Tank: 565 °C, Material: Edelstahl 
§ Speicherkapazität: 110 MWh (35,5 MW x 3 h) 
§ Speicherdichte: ca. 0,56 kWh/m³K 
§ Ø 
Wärmeverlustleistung ca. 200 kW 
§ Dämmung: „Foamglas“ + Firebricks 
Quelle: [0231], [0189], [0186] 
11,6m 
7,8m 
8,4m 
Flexibles Kraftwerk 
Abb. 5: Kraftwerk Solar Two im Bild und schematisch (Quelle: 0231)
Sensible Wärmespeicher: Feststoffspeicher mit N4-Beton DLR 
29.10.2014 
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Hochschule 
Zi9au/Görlitz 
| 
7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall 
18 
Beispiel: Plataforma Solar de Almería, Spanien, (Pilotanlage) 
§ Anwendungen mit 
großen Temperaturspreizungen 
§ Temperaturen von 200 °C bis 500 °C 
§ Speicherkapazität: ca. 1 MWh 
§ Speicherdichte: ca. 0,63 kWh/m³K 
§ Ø 
Wärmeverlustleistung ca. 9 kW 
§ Wärmeübertrager im Beton integriert 
§ Dämmung durch 400 mm Mineralwolle 
§ hohes Kostensenkungspotenzial durch 
höhere Wärmeleitfähigkeit im Speicher-medium 
Quelle: [0060] 
1,7m 
1,3m 
8,37m 
Quelle: [0053], [0060] 
Flexibles Kraftwerk 
Quelle: [0018] 
Abb. 6: Betonspeicher im Bild und schematisch
Latente Wärmespeicher: Salz NaNo3 
29.10.2014 
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Kratzsch 
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Hochschule 
Zi9au/Görlitz 
| 
7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall 
19 
Beispiel: Carboneras Spanien (Pilotanlage) 
§ Anwendungen mit kleinen Temperaturspreizungen 
§ Phasenwechseltemperatur 306 °C 
§ Nutzung Schmelzwärme NaNO3 zur Verdampfung 
Speicher = Dampferzeuger! 
§ Speicherkapazität: ca. 0,72 MWh (0,24 MW x 3 h) 
§ Speicherdichte: ca. 84 kWh/m³ (Schmelzwärme) 
§ Wärmeübertrager integriert 
§ konstante Entladetemperatur 
§ Dämmung durch 400 mm Mineralwolle 
§ hohes Kostensenkungspotenzial durch 
höhere Wärmeleitfähigkeit im Speichermedium 
Quelle: [0038], [0071] 
Flexibles Kraftwerk 
Abb. 7: Salzspeicher im Bild und schematisch (Quelle: 0036)
Flexibles Kraftwerk 
29.10.2014 
A. 
Kratzsch 
| 
Hochschule 
Zi9au/Görlitz 
| 
7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall 
20 
Identifikation vorhandener nutzbarer thermischer Speicher im 
Kraftwerksprozess. 
Abb. 8: Schematische Darstellung eines Kraftwerksprozesses (Quelle: 0231)
21 
Flexibles Kraftwerk 
§ Erhöhung der vorhandenen thermisch nutzbaren Speicherkapazitäten im 
Kraftwerksprozess durch Integration thermischer Energiespeicher. 
Hydraulische Grundschaltungen thermischer Energiespeicher: 
§ Parallelschaltung 
§ Reihenschaltung 
Prinzipiell nutzbare Energieströme: 
§ Frischdampf 
§ Abdampf HD-Teil 
§ Anzapfdampf HD-, MD, ND-Teil 
§ Speisewasser HD-Vorwärmung 
§ Speisewasser Speisewasserbehälter 
§ Speisewasser ND-Vorwärmung 
29.10.2014 
A. 
Kratzsch 
| 
Hochschule 
Zi9au/Görlitz 
| 
7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall
PND: Parallelschaltung zur ND-Turbine, Fernwärmespeicherung 
§ Substitution ND-Turbine 
§ T = 270-280 °C 
§ ΔT = 240-260 K 
§ p = 4-6 bar 
§ Δp = 4-6 bar 
§ Einspeicherung von 
Entnahmedampf 
§ Ausspeicherung 
von Fernwärme 
§ Speicherauslegung 
abhängig von 
Lastkurve 
Fernwärme 
29.10.2014 
A. 
Kratzsch 
| 
Hochschule 
Zi9au/Görlitz 
| 
7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall 
22 
Flexibles Kraftwerk 
Abb. 9: Schematische Darstellung eines Kraftwerksprozesses mit thermischem Energiespeicher im Fernwärmesystem
RES: Reihenschaltung zur Erhöhung vorhandener Speichermassen 
§ Speicherkapazitäten als 
Dämpfungsglied 
§ TFD = 555 °C 
§ TSW = 240-270 °C 
§ p = 155-300 bar 
29.10.2014 
A. 
Kratzsch 
| 
Hochschule 
Zi9au/Görlitz 
| 
7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall 
23 
Flexibles Kraftwerk 
Abb. 10: Schematische Darstellung eines Kraftwerksprozesses mit thermischem Energiespeicher in der Frischdampfstrecke
N4-­‐Beton 
DLR 
Wasser 
Siedelinie 
NaNO3 
Siededruck 
0 
100 
200 
300 
400 
500 
600 
24 
Flexibles Kraftwerk 
§ Idealisierte Darstellung der temperaturabhängigen Speicherdichte 
verschiedener Speichermedien 
10bar 
46bar 
221bar 
129bar 
1bar 
500 
450 
400 
350 
300 
250 
200 
150 
100 
50 
0 
gespeicherte 
Energie 
in 
kWh/m³ 
Temperatur 
in 
°C 
29.10.2014 
A. 
Kratzsch 
| 
Hochschule 
Zi9au/Görlitz 
| 
7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall
Flexibles Kraftwerk 
§ Bewertungskriterien für die Auswahl thermischer Energiespeicher zum 
29.10.2014 
A. 
Kratzsch 
| 
Hochschule 
Zi9au/Görlitz 
| 
7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall 
25 
Temperaturniveau 
Speicherkapazität 
Zyklenstabilität 
Wärmeleifähigkeit 
Druckabhängigkeit 
Korrosion 
ökologische/ 
ökonomische 
Aspekte 
VolumendilataZon 
Einsatz im Kraftwerksprozess (Auszug).
26 
Flexibles Kraftwerk 
Medium 
Art 
Speicherkapazität 
160-­‐270 
°C 
[kWh/m3] 
Kostenfaktor 
bezogen 
auf 
Wasser 
[-­‐] 
Therminol72 
Flüssigkeit 
64 
190 
N4-­‐Beton 
DLR 
Feststoff 
70 
10 
Wasser 
Flüssigkeit 
83 
1 
Hitec 
(flüssig) 
Flüssigkeit 
97 
136 
NaNO3+KNO3 
60/40 
PCM 
118 
75 
Gussstahl 
Feststoff 
143 
2100 
AlCl3 
PCM 
268 
2500 
LiNO3 
PCM 
372 
10000 
§ Wasser wird als am besten geeignet bewertet! 
§ Wasser ist bereits im Kraftwerksprozess vorhanden. 
§ Für die Integration sind keine zusätzlichen Wärmeübertrager erforderlich 
(maßgeblicher Beitrag zum Exergieerhalt der eingespeicherten Energie). 
29.10.2014 
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Hochschule 
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| 
7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall
27 
Flexibles Kraftwerk 
§ Qualitativer Vergleich zwischen bisherigem Kraftwerksprozess und 
flexibilisiertem Kraftwerksprozess. 
qualitativer Lastverlauf 
qualitativer Lastverlauf mit Speicher 
29.10.2014 
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Kratzsch 
| 
Hochschule 
Zi9au/Görlitz 
| 
7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall 
Quelle: [0173] 
100 
40 
24 
Tagesstunden 
Block-Last in % 
Beispielhafter Block-Lastverlauf 
2 
3 
3 
Block-Last in % 
Regelenergiebereitstellung 
100 
40 
IST SOLL 
Primär- u. 
Sekundär-regelleistung 
Lastregelbereich 4 4 
1 
Mindestlastabsenkung 
(P 
< 
40 
%) 
Überlasfähigkeit 
(P 
> 
100 
%) 
Erhöhung 
Laständerungsgeschwindigkeit 
(P/min.) 
Erhöhung 
Regelenergiebereitstellung 
1 
2 
3 
4
28 
Gliederung 
1. Ausgangssituation – Warum Energiespeicher? 
2. Einteilung von Energiespeichern 
3. Bedarf an Energiespeichern 
4. Flexibles Kraftwerk 
5. Zusammenfassung 
29.10.2014 
A. 
Kratzsch 
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Hochschule 
Zi9au/Görlitz 
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7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall
29 
Zusammenfassung 
§ Deutschland steht vor einem signifikanten Umbau des Energieversorgungs-systems. 
§ Aufgrund des rasanten Zubaus von Erneuerbaren Energien ist davon auszu-gehen, 
dass zukünftig die bestehenden Stelleinrichtungen an ihre Leistungs-grenzen 
kommen und die Netzstabilität nicht sicherstellen können. 
§ Stromspeicher sind geeignet, Systemdienstleistungen zu erbringen und kön-nen 
damit als Stelleinrichtung im Verbundnetz eingesetzt werden. 
§ Der Aufbau der erforderlichen Infrastruktur ist mit hohen Kosten und langen 
Zeiträumen verbunden. 
§ Bestandskraftwerke garantieren schon jetzt die Stabilität des Verbundnetzes. 
§ Die weitere Flexibilisierung der Kraftwerksanlagen durch die Integration ther-mischer 
Energiespeicher leistet einen Beitrag zur Erweiterung der Stellmög-lichkeiten 
der Kraftwerke. 
29.10.2014 
A. 
Kratzsch 
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Hochschule 
Zi9au/Görlitz 
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7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall
Merkmale: 
§ Nachbildung kraftwerksrelevanter Wasser- 
Dampf-Prozesse bis max. 350 °C und 160 bar 
§ universelle Schnittstelle für die Integration 
externer Untersuchungsgegenstände 
§ max. 0,1 kg/s Dampf, 0,5 kg/s Speisewasser 
§ korrosionsbeständige Ausführung 
Untersuchungsschwerpunkte: 
§ Analyse kraftwerksrelevanter Prozesse 
§ Integration thermischer Energiespeicher in 
den Kraftwerksprozess 
§ Einzeleffektanalysen 
30 
Ausblick 
Energieeffizienzsteigerung in thermischen Energieanlagen 
29.10.2014 
Versuchsanlage THERESA 
A. 
Kratzsch 
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Zi9au/Görlitz 
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7. 
Wissenscha@stag 
Va9enfall
[0018] DLR: „Schlussbericht Forschungsvorhaben WANDA WESPE-Speichertechnologie für ANDASOL“; 
[0038] Laing et al: „Test and Evaluation of a thermal energy storage system for direct steam generation“; 
[0071] Steinmann, Schulte, Scherrer: „EVA Thermische Energiespeicherung zur Verstromung diskontinuier-licher 
[0126] Kurt, Greiner, Kallina: „Verbesserung des Regelverhaltens von Dampfkraftwerksblöcken“; STEAG 
[0173] Schüle, V.: „Betriebsflexibilität“; Alstom; 2011; Legin, M.: „Thermische Energiespeicherung für DKW; 
[0186] Pacheco, Kelly, Herrmann, Cable, Mahoney, Price, Blake, Nava, Potrovitza: „Engineering aspects of 
[0231] Pacheco J.: „Final test and evaluation results from the solar two project“, SNL; 2002 
[SRU2011] Sachverständigenrat für Umweltfragen: „Wege zur 100% erneuerbaren Stromversorgung Sonder-gutachten“; 
erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global“; 
März 2012 
31 
Quellen 
DLR; 2007 
[0036] Laing, Bahl, Bauer, Lehmann, Steinmann: „Thermal energy storage for direct steam generation“; 
ELSEVIER; 2010 
SolarPACES 2011, Spanien 
[0053] Laing, Bahl, Bauer, Fiss, Breidenbach, Hempel: „High-Temperature Solid-Media Thermal Energy 
Storage for Solar Thermal Power Plants “; 2011 
[0060] Laing, Hempel, Stückle: „CONCRETE THERMAL ENERGY STORAGE FOR SOLAR THERMAL 
POWER PLANTS AND INDUSTRIAL PROCESS HEAT “; 2009 
Abwärme “; 2010 
Energy Services; 2009 
Alstom; 2011 
a molten salt heat transfer fluid in a trough solar field“; ELSEVIER; 2003 
[0189] Herrmann , Kelly, Price: „ Two-tank molten salt storage for parabolic trough solar“; 
ELSEVIER; 2004 
Januar 2011 
[BMU2012] Arbeitsgemeinschaft IWES, DLR, IFNE: „Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der 
[BBC1980] Sonderdruck aus Brown Boveri Mitteilungen Band 67, Heft 8/1980, Seite 465 bis 473 
[EFZN2013] efzn: „Eignung von Speichertechnologien zum Erhalt der Systemsicherheit“, Goslar, 2013 
29.10.2014 
A. 
Kratzsch 
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Zi9au/Görlitz 
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Wissenscha@stag 
Va9enfall
29.10.2014 
A. 
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32 
Vielen Dank für Ihr Interesse! 
Kontakt: 
Ansprechpartner/-in: 
Prof. A. Kratzsch 
Institut für Prozeßtechnik, Prozeßautomatisierung und 
Meßtechnik 
Fachgebiet Messtechnik / Prozessautomatisierung 
Telefon: +49 3583 - 611282 
Telefax: +49 3583 - 611288 
E-Mail: A.Kratzsch@hszg.de 
Web: www.hszg.de/ipm 
Hausanschrift: 
Hochschule Zittau/Görlitz 
IPM 
Theodor-Körner-Allee 16 
02763 Zittau

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Stromspeicher – Schlüssel zur Energiewende

  • 1. 7. Wissenschaftstag Vattenfall Stromspeicher – Schlüssel zur Energiewende Speichertechnologien im Überblick A. Kratzsch
  • 2. 2 Gliederung 1. Ausgangssituation – Warum Energiespeicher? 2. Einteilung von Energiespeichern 3. Bedarf an Energiespeichern 4. Flexibles Kraftwerk 5. Zusammenfassung 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall
  • 3. Quan%fizierte Ziele Energiekonzept 2020 2030 2040 2050 Minderung der THG-­‐Emissionen (bezogen auf 1990) -­‐40% -­‐55% -­‐70% -­‐80 bis § Umbau der Energieversorgung zu einem regenerativ dominierten Energiesystem § Problematik: – Fluktuierende Einspeisung aus Erneuerbaren Energien (EE) – Synchronisierung von EE-Angebot und Netzlast 95% Mindest-­‐Anteil der EE am Bru9o-­‐Endenergieverbrauch 18% 30% 45% 60% Mindest-­‐Anteil der EE am Bru9ostromverbrauch 35% 50% 65% 80% Minderung des Primärenergieverbrauchs -­‐20% -­‐50% Minderung des Stromverbrauchs -­‐10% -­‐25% Minderung des Endenergieverbrauchs Verkehr -­‐10% -­‐40% Reduzierung des Wärmebedarfs (2020) bzw. des -­‐20% -­‐80% Primärenergiebedarfs (2050) von Gebäuden AtomenergieaussZeg 2022 3 Ausgangssituation 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall
  • 4. 4 Ausgangssituation § Zielstellung: Äquivalenz zwischen Elektroenergienachfrage und -angebot. § Es existieren entsprechende Stelleinrichtungen im Verbundnetz: – bestehender fossiler und nuklearer Kraftwerkspark – Gasturbinenkraftwerke (schnellstartfähig) – Pumpspeicherkraftwerke – Druckluftspeicherkraftwerk (HUNTORF) § Durch den fortschreitenden Zubau Erneuerbarer Energien reicht der Stellbereich und die Stellgeschwindigkeit bestehender Stelleinrichtungen nicht mehr aus è instabiles Verbundnetz Abb. 1: KKW Krümmel, KW Boxberg (Quelle: Vattenfall) 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall
  • 5. Residuallast 2020 Residuallast 2030 Residuallast 2050 Quelle: [BMU2012] S.202-204 Quelle: [BMU2012] S.202-204 Quelle: [BMU2012] S.202-204 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall 5 Entwicklung der Residuallast 2020 bis 2050 nach Studie BMU2012, Szenario 2011A Grundlast verschwindet mit zunehmender Einspeisung aus EE zunehmend hochflexibler wirtschaftlicher Kraftwerkspark für Spitzenlastdeckung mit hohen Lastgradienten und gesicherter Leistung (Backup) notwendig 2050 Speicherkapazität ≈ flexible Erzeugungskapazität Abb. 2: Residuallast 2020, 2030, 2050 (Quelle: BMU) Ausgangssituation
  • 6. 6 Gliederung 1. Ausgangssituation – Warum Energiespeicher? 2. Einteilung von Energiespeichern 3. Bedarf an Energiespeichern 4. Flexibles Kraftwerk 5. Zusammenfassung 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall
  • 7. 7 Einteilung von Speichertechnologien § Einteilung nach Energieform Energiespeicher Mechanische • Pumpspeicher KW • Drucklu@speicher (CAES, AA CAES, ADELE) • Schwungräder (DYNASTORE) Chemische • Elektrochemische Ba9erien • Brennstoffe • Elektrolyse (Power-­‐to-­‐Gas) Biologische • Biopolymere (nachwachsende Rohstoffe) • Erdöl, Kohle, Erdgas (fossile) Elektrische • Kondensator • Superkondensator • Ba9erien § Einteilung entsprechend Speicherdauer (Lang-/Kurzzeitspeicher) § Einteilung hinsichtlich der Bewertungskriterien für Speicher § Einteilung hinsichtlich der möglichen Beiträge zu Systemdienstleistungen 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall Thermische • Sensible Wärmespeicher • Latente Wärmespeicher • Thermochemische Wärmespeicher
  • 8. Abb. 3: KW HUNTORF und Luftspeicher-Gasturbinengruppe (Quelle: BBC1980) 8 Einteilung von Speichertechnologien § Beispiel: Druckluftspeicher HUNTORF § Inbetriebnahme 1978 als kombiniertes Druckluft-speicher- und Gasturbinenkraftwerk mit einer Leistung von 321 MWel. § Zur Druckauflastung der Kaverne (72.000 t Press-luft bei 72 bar) ist eine elektrische Arbeit von 480 MWh erforderlich. § Die Kaverne ersetzt den klassischen Verdichter der Gasturbine. § Die Beladung erfolgt zu Schwachlastzeiten, die Entladung zu Spitzenlastzeiten. § Es sind 120 min. Volllastbetrieb bei voll geladener Kaverne möglich (danach Gleitdruckbetrieb). § Vergleich: 40 min. Volllastbetrieb ohne Kaverne bei identischer Gasmenge 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall
  • 9. 9 Gliederung 1. Ausgangssituation – Warum Energiespeicher? 2. Einteilung von Energiespeichern 3. Bedarf an Energiespeichern 4. Flexibles Kraftwerk 5. Zusammenfassung 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall
  • 10. 10 Bedarf an Energiespeichern § Energiespeicher müssen in der Lage sein Systemdienstleistungen zu erbringen bzw. bisherige Systemdienstleister dahingehend unterstützen/ ertüchtigen! § Systemdienstleistungen – Frequenzhaltung • Momentanreserve • Primärregelleistung • Sekundärregelleistung • Minutenreserve – Spannungshaltung – Versorgungswiederaufbau – Betriebsführung § Entsprechend werden Anforderungen an Speicher gestellt. 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall
  • 11. 11 Bedarf an Energiespeichern Kapazität Dynamik Zyklenstabilität Teillasfähigkeit Standzeit 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit ökologische/ ökonomische Aspekte gesellscha@liche Akzeptanz § Anforderungen an Stromspeicher im Verbundnetz (Auszug)
  • 12. 12 Bedarf an Energiespeichern § Beiträge ausgewählter Energiespeicher zu Systemdienstleistungen: Schwungmassen-­‐ speicher Ba9erien Pumpspeicher-­‐ kra@werke 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall Power-­‐to-­‐Gas Gas-­‐to-­‐Power Momentan-­‐ reserve Primärregel-­‐ leistung Sekundär-­‐ regelleistung Minuten-­‐ reserve Bewertung: § Hohe Investitionskosten für die Realisierung von Stromspeichern als Stell-einrichtungen im Verbundnetz. § Erforderliche dezentrale Strukturen führen zu einem hohen informations-technischen Aufwand.
  • 13. 13 Gliederung 1. Ausgangssituation – Warum Energiespeicher? 2. Einteilung von Energiespeichern 3. Bedarf an Energiespeichern 4. Flexibles Kraftwerk 5. Zusammenfassung 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall
  • 14. 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall 14 Folgen für Großkraftwerke bis 2030 durch den zunehmenden Ausbau der EE § volatile Spitzen durch EE-Einspeisung nehmen zu § zeitweise Vollversorgung durch EE § starker Anstieg des Spitzenlastbedarfs § schrittweise Abnahme der Deckung des Grundlastbedarfs durch Bestandskraftwerke § steigender Bedarf an Regelenergie § An- und Abfahrprozesse nehmen stark zu § hohe Lastgradienten § Zunahme von Lastwechselfahrweisen § erhöhte Belastung der Bauteile Mögliche Residuallast 2030 Quelle: [BMU2012] S.202-204 Flexibles Kraftwerk Abb. 4: Simulierter Verlauf der Residuallast für zwei Wochen in 2030 Ø Ertüchtigung von bestehenden Stelleinrichtungen (Bestandskraftwerken) in Hinblick auf Stellgeschwindigkeit und Stellbereich. Ø Integration thermischer Energiespeicher (TES) in den Kraftwerksprozess.
  • 15. Reaktions-wärmespeicher 15 Flexibles Kraftwerk TES Sensible Wärmespeicher Flüssig Fest Latente Wärmespeicher Übergang fest-­‐ flüssig Übergang flüssig-­‐ gasf. Thermochemische Wärmespeicher Sorp6ons-­‐ speicher Reak6ons-­‐ wärme speicher Fluidspeicher Dampfspeicher Feststoffspeicher Latentwärmespeicher Ad- u. Absorptions-speicher 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall AB+ΔHR A+B-ΔHR Hoch Entwicklungsstand Niedrig Niedrig Speicherdichte Hoch
  • 16. Flexibles Kraftwerk Stand der Technik -­‐ gute Leistungsanpassung -­‐ bis 600°C je nach Medium Stand der Technik -­‐ Speicherung bei kleinem ΔT -­‐ 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall Druckbehälter -­‐ Temperatur-­‐ und Druckniveau nicht konstant 16 Speicherkonzepte T > 150°C Prinzip Typ. Speichermed. Vorteile Nachteile Fluidspeicher Speicherung sensibler Wärme in flüssigem Speichermedium, direkt o. indirekt -­‐ Zwei-­‐Tank-­‐System -­‐ Ein-­‐Tank-­‐Schicht-­‐System -­‐ Thermoöl -­‐ Druckwasser -­‐ Flüssigsalz -­‐ -­‐ Druckbehälter (Wasser) -­‐ hohe Wärmeverluste -­‐ Wärmeüberganswiderst. -­‐ Temperaturniveau nicht konstant Dampfspeicher Speicherung sensibler Wärme in Druckwasser, Phasenwechsel Wärmeträger bei Be-­‐ und Entladung (Ruths-­‐Speicher) -­‐ Druckwasser -­‐ Abdeckung von Leistungsspitzen -­‐ Speichermedium günsZg -­‐ bis 374°C bei 221bar -­‐ Feststoffspeicher Speicherung sensibler Wärme in festem Speichermedium mit integriertem Wärmeübertrager -­‐ Beton -­‐ (Stein, Metalle) -­‐ kein Druckbehälter -­‐ preiswertes Speichermed. -­‐ bis 550°C -­‐ Pilotprojektstadium -­‐ geringe Wärmeleif. -­‐ Leistungsanpassung Latentwärmespeicher Isotherme Speicherung latenter Wärme in einem Medium mit Phasenwechsel (PCM) während Be-­‐ und Entladung -­‐ Tech. Salze -­‐ Metalle und Legierungen -­‐ hohe Speicherdichte -­‐ kein Druckbehälter -­‐ bis 1000°C -­‐ Pilotprojektstadium -­‐ z.T. geringe WärmeleiW. -­‐ Kosten Speichermedium Ad-­‐/AbsorpZonsspeicher Speicherung phys. Bindungswärme durch Ausheizung eines, an einem festen bzw. flüssigen Stoff A angelagerten bzw. gelösten Stoffes B -­‐ Natronlauge -­‐ Zeolith -­‐ Silikagel -­‐ Metallhydride -­‐ Nutzung KondensaZonswärme -­‐ Temperaturhub möglich -­‐ keine Wärmeverluste -­‐ 150 bis 300°C -­‐ z.T. Pilotprojektstadium -­‐ Druckabhängig -­‐ geringe Wärmeleif. -­‐ evtl. Reaktor notwendig ReakZonswärmespeicher Speicherung chem. ReakZonswärme durch Aufspaltung eines Stoffes AB unter Wärmezufuhr in die separierten Stoffe A und B -­‐ Ammoniaksynt. -­‐ DehydraZsieru. /Decaboxillieru. von Metallen -­‐ höchste Speicherdichte -­‐ keine Wärmeverluste -­‐ 250 bis 950°C -­‐ Laborstadium -­‐ Zyklenstabillität AB+ΔHR A+B-ΔHR -­‐ Reaktor notwendig
  • 17. Sensible Wärmespeicher: Fluidspeicher mit Flüssigsalz 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall 17 Beispiel: Solar Two § Anwendungen mit großen Temperaturspreizungen § 1400 Tonnen 60 % NaNO3 + 40 % KNO3 § „kalter“ Tank: 290 °C, Material: Stahl § „heißer“ Tank: 565 °C, Material: Edelstahl § Speicherkapazität: 110 MWh (35,5 MW x 3 h) § Speicherdichte: ca. 0,56 kWh/m³K § Ø Wärmeverlustleistung ca. 200 kW § Dämmung: „Foamglas“ + Firebricks Quelle: [0231], [0189], [0186] 11,6m 7,8m 8,4m Flexibles Kraftwerk Abb. 5: Kraftwerk Solar Two im Bild und schematisch (Quelle: 0231)
  • 18. Sensible Wärmespeicher: Feststoffspeicher mit N4-Beton DLR 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall 18 Beispiel: Plataforma Solar de Almería, Spanien, (Pilotanlage) § Anwendungen mit großen Temperaturspreizungen § Temperaturen von 200 °C bis 500 °C § Speicherkapazität: ca. 1 MWh § Speicherdichte: ca. 0,63 kWh/m³K § Ø Wärmeverlustleistung ca. 9 kW § Wärmeübertrager im Beton integriert § Dämmung durch 400 mm Mineralwolle § hohes Kostensenkungspotenzial durch höhere Wärmeleitfähigkeit im Speicher-medium Quelle: [0060] 1,7m 1,3m 8,37m Quelle: [0053], [0060] Flexibles Kraftwerk Quelle: [0018] Abb. 6: Betonspeicher im Bild und schematisch
  • 19. Latente Wärmespeicher: Salz NaNo3 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall 19 Beispiel: Carboneras Spanien (Pilotanlage) § Anwendungen mit kleinen Temperaturspreizungen § Phasenwechseltemperatur 306 °C § Nutzung Schmelzwärme NaNO3 zur Verdampfung Speicher = Dampferzeuger! § Speicherkapazität: ca. 0,72 MWh (0,24 MW x 3 h) § Speicherdichte: ca. 84 kWh/m³ (Schmelzwärme) § Wärmeübertrager integriert § konstante Entladetemperatur § Dämmung durch 400 mm Mineralwolle § hohes Kostensenkungspotenzial durch höhere Wärmeleitfähigkeit im Speichermedium Quelle: [0038], [0071] Flexibles Kraftwerk Abb. 7: Salzspeicher im Bild und schematisch (Quelle: 0036)
  • 20. Flexibles Kraftwerk 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall 20 Identifikation vorhandener nutzbarer thermischer Speicher im Kraftwerksprozess. Abb. 8: Schematische Darstellung eines Kraftwerksprozesses (Quelle: 0231)
  • 21. 21 Flexibles Kraftwerk § Erhöhung der vorhandenen thermisch nutzbaren Speicherkapazitäten im Kraftwerksprozess durch Integration thermischer Energiespeicher. Hydraulische Grundschaltungen thermischer Energiespeicher: § Parallelschaltung § Reihenschaltung Prinzipiell nutzbare Energieströme: § Frischdampf § Abdampf HD-Teil § Anzapfdampf HD-, MD, ND-Teil § Speisewasser HD-Vorwärmung § Speisewasser Speisewasserbehälter § Speisewasser ND-Vorwärmung 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall
  • 22. PND: Parallelschaltung zur ND-Turbine, Fernwärmespeicherung § Substitution ND-Turbine § T = 270-280 °C § ΔT = 240-260 K § p = 4-6 bar § Δp = 4-6 bar § Einspeicherung von Entnahmedampf § Ausspeicherung von Fernwärme § Speicherauslegung abhängig von Lastkurve Fernwärme 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall 22 Flexibles Kraftwerk Abb. 9: Schematische Darstellung eines Kraftwerksprozesses mit thermischem Energiespeicher im Fernwärmesystem
  • 23. RES: Reihenschaltung zur Erhöhung vorhandener Speichermassen § Speicherkapazitäten als Dämpfungsglied § TFD = 555 °C § TSW = 240-270 °C § p = 155-300 bar 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall 23 Flexibles Kraftwerk Abb. 10: Schematische Darstellung eines Kraftwerksprozesses mit thermischem Energiespeicher in der Frischdampfstrecke
  • 24. N4-­‐Beton DLR Wasser Siedelinie NaNO3 Siededruck 0 100 200 300 400 500 600 24 Flexibles Kraftwerk § Idealisierte Darstellung der temperaturabhängigen Speicherdichte verschiedener Speichermedien 10bar 46bar 221bar 129bar 1bar 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 gespeicherte Energie in kWh/m³ Temperatur in °C 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall
  • 25. Flexibles Kraftwerk § Bewertungskriterien für die Auswahl thermischer Energiespeicher zum 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall 25 Temperaturniveau Speicherkapazität Zyklenstabilität Wärmeleifähigkeit Druckabhängigkeit Korrosion ökologische/ ökonomische Aspekte VolumendilataZon Einsatz im Kraftwerksprozess (Auszug).
  • 26. 26 Flexibles Kraftwerk Medium Art Speicherkapazität 160-­‐270 °C [kWh/m3] Kostenfaktor bezogen auf Wasser [-­‐] Therminol72 Flüssigkeit 64 190 N4-­‐Beton DLR Feststoff 70 10 Wasser Flüssigkeit 83 1 Hitec (flüssig) Flüssigkeit 97 136 NaNO3+KNO3 60/40 PCM 118 75 Gussstahl Feststoff 143 2100 AlCl3 PCM 268 2500 LiNO3 PCM 372 10000 § Wasser wird als am besten geeignet bewertet! § Wasser ist bereits im Kraftwerksprozess vorhanden. § Für die Integration sind keine zusätzlichen Wärmeübertrager erforderlich (maßgeblicher Beitrag zum Exergieerhalt der eingespeicherten Energie). 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall
  • 27. 27 Flexibles Kraftwerk § Qualitativer Vergleich zwischen bisherigem Kraftwerksprozess und flexibilisiertem Kraftwerksprozess. qualitativer Lastverlauf qualitativer Lastverlauf mit Speicher 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall Quelle: [0173] 100 40 24 Tagesstunden Block-Last in % Beispielhafter Block-Lastverlauf 2 3 3 Block-Last in % Regelenergiebereitstellung 100 40 IST SOLL Primär- u. Sekundär-regelleistung Lastregelbereich 4 4 1 Mindestlastabsenkung (P < 40 %) Überlasfähigkeit (P > 100 %) Erhöhung Laständerungsgeschwindigkeit (P/min.) Erhöhung Regelenergiebereitstellung 1 2 3 4
  • 28. 28 Gliederung 1. Ausgangssituation – Warum Energiespeicher? 2. Einteilung von Energiespeichern 3. Bedarf an Energiespeichern 4. Flexibles Kraftwerk 5. Zusammenfassung 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall
  • 29. 29 Zusammenfassung § Deutschland steht vor einem signifikanten Umbau des Energieversorgungs-systems. § Aufgrund des rasanten Zubaus von Erneuerbaren Energien ist davon auszu-gehen, dass zukünftig die bestehenden Stelleinrichtungen an ihre Leistungs-grenzen kommen und die Netzstabilität nicht sicherstellen können. § Stromspeicher sind geeignet, Systemdienstleistungen zu erbringen und kön-nen damit als Stelleinrichtung im Verbundnetz eingesetzt werden. § Der Aufbau der erforderlichen Infrastruktur ist mit hohen Kosten und langen Zeiträumen verbunden. § Bestandskraftwerke garantieren schon jetzt die Stabilität des Verbundnetzes. § Die weitere Flexibilisierung der Kraftwerksanlagen durch die Integration ther-mischer Energiespeicher leistet einen Beitrag zur Erweiterung der Stellmög-lichkeiten der Kraftwerke. 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall
  • 30. Merkmale: § Nachbildung kraftwerksrelevanter Wasser- Dampf-Prozesse bis max. 350 °C und 160 bar § universelle Schnittstelle für die Integration externer Untersuchungsgegenstände § max. 0,1 kg/s Dampf, 0,5 kg/s Speisewasser § korrosionsbeständige Ausführung Untersuchungsschwerpunkte: § Analyse kraftwerksrelevanter Prozesse § Integration thermischer Energiespeicher in den Kraftwerksprozess § Einzeleffektanalysen 30 Ausblick Energieeffizienzsteigerung in thermischen Energieanlagen 29.10.2014 Versuchsanlage THERESA A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall
  • 31. [0018] DLR: „Schlussbericht Forschungsvorhaben WANDA WESPE-Speichertechnologie für ANDASOL“; [0038] Laing et al: „Test and Evaluation of a thermal energy storage system for direct steam generation“; [0071] Steinmann, Schulte, Scherrer: „EVA Thermische Energiespeicherung zur Verstromung diskontinuier-licher [0126] Kurt, Greiner, Kallina: „Verbesserung des Regelverhaltens von Dampfkraftwerksblöcken“; STEAG [0173] Schüle, V.: „Betriebsflexibilität“; Alstom; 2011; Legin, M.: „Thermische Energiespeicherung für DKW; [0186] Pacheco, Kelly, Herrmann, Cable, Mahoney, Price, Blake, Nava, Potrovitza: „Engineering aspects of [0231] Pacheco J.: „Final test and evaluation results from the solar two project“, SNL; 2002 [SRU2011] Sachverständigenrat für Umweltfragen: „Wege zur 100% erneuerbaren Stromversorgung Sonder-gutachten“; erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global“; März 2012 31 Quellen DLR; 2007 [0036] Laing, Bahl, Bauer, Lehmann, Steinmann: „Thermal energy storage for direct steam generation“; ELSEVIER; 2010 SolarPACES 2011, Spanien [0053] Laing, Bahl, Bauer, Fiss, Breidenbach, Hempel: „High-Temperature Solid-Media Thermal Energy Storage for Solar Thermal Power Plants “; 2011 [0060] Laing, Hempel, Stückle: „CONCRETE THERMAL ENERGY STORAGE FOR SOLAR THERMAL POWER PLANTS AND INDUSTRIAL PROCESS HEAT “; 2009 Abwärme “; 2010 Energy Services; 2009 Alstom; 2011 a molten salt heat transfer fluid in a trough solar field“; ELSEVIER; 2003 [0189] Herrmann , Kelly, Price: „ Two-tank molten salt storage for parabolic trough solar“; ELSEVIER; 2004 Januar 2011 [BMU2012] Arbeitsgemeinschaft IWES, DLR, IFNE: „Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der [BBC1980] Sonderdruck aus Brown Boveri Mitteilungen Band 67, Heft 8/1980, Seite 465 bis 473 [EFZN2013] efzn: „Eignung von Speichertechnologien zum Erhalt der Systemsicherheit“, Goslar, 2013 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall
  • 32. 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall 32 Vielen Dank für Ihr Interesse! Kontakt: Ansprechpartner/-in: Prof. A. Kratzsch Institut für Prozeßtechnik, Prozeßautomatisierung und Meßtechnik Fachgebiet Messtechnik / Prozessautomatisierung Telefon: +49 3583 - 611282 Telefax: +49 3583 - 611288 E-Mail: A.Kratzsch@hszg.de Web: www.hszg.de/ipm Hausanschrift: Hochschule Zittau/Görlitz IPM Theodor-Körner-Allee 16 02763 Zittau