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NEUE STROMSPEICHER
Unnötig, ineffizient, unrentabel?
Zürich - 21.10.2014
Univ.-Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) und
Institute for Power Generation and Storage Systems (PGS) @ E.ON ERC
RWTH Aachen University
Contact: batteries@isea.rwth-aachen.de
Jägerstrasse (ISEA)
Mathieustrasse (E.ON ERC)
Hüttenstrasse
(Test center)
Speicher gibt es viele, aber welche werden
gebraucht und welche kommen?
Redox-Flow Batterien
Supraleitende
Spulen
Wasserstoff
Elektromobilität
Pumpspeicher
Eigenverbrauch
in PV-Anlagen
Schwungrad
Supercapacitors
Doppelschichtkondensatoren
Batterien - Blei, Lithium, NaNiCl, ...
Zürich - 21.10.2014
Druckluft
Ergebnisse der AGORA-Studie zu Speichern
1.
Der Ausbau der Erneuerbaren Energien muss nicht
auf Stromspeicher warten.
In den nächsten 10 bis 20 Jahren kann die benötigte Flexibilität im
Stromsystem durch andere Flexibilitätsoptionen günstiger
bereitgestellt werden als durch neue Stromspeicher. Erst bei sehr
hohen Anteilen von Erneuerbaren Energien werden neue
Stromspeicher wirklich benötigt.
Ergebnisse der AGORA-Studie zu Speichern
2.
Der Markt für neue Energiespeicher wird dynamisch
wachsen.
Neue Märkte für Batterien und Power-to-X entstehen insbes. im
Verkehrs- und Chemiesektor. Diese können Flexibilität im
Stromsektor als Zusatznutzen anbieten. Forschung und Entwicklung
sowie Marktanreizprogramme sind auf eine systemunterstützende
Integration auszurichten.
Ergebnisse der AGORA-Studie zu Speichern
3.
Speicher müssen gleichberechtigten Zugang zu
Märkten für Flexibilität erhalten.
Schon heute können Speicher einige Systemdienstleistungen
kosteneffizient erbringen. Märkte für Flexibilität –– wie der
Regelleistungsmarkt oder ein zukünftiger Kapazitätsmarkt ––
müssen deshalb technologieoffen ausgestaltet werden.
5
Ergebnisse der AGORA-Studie zu Speichern
Im Verteilnetz sollten Speicher ein Element im
Baukasten der Netzbetreiber werden.
4.
In speziellen Fällen können netzdienlich eingesetzte Speicher den
Netzausbau in der Niederspannungsebene kosteneffizient
vermeiden. Der regulatorische Rahmen sollte solche
kosteneffizienten Entscheidungen grundsätzlich ermöglichen.
6
Ergebnisse der AGORA-Studie zu Speichern
1.
Der Ausbau der Erneuerbaren Energien muss nicht auf
Stromspeicher warten.
2.
Der Markt für neue Energiespeicher wird dynamisch
wachsen
3.
Speicher müssen gleichberechtigten Zugang zu
Märkten für Flexibilität erhalten.
4.
Im Verteilnetz sollten Speicher ein Element im
Baukasten der Netzbetreiber werden.
7
Residuallast
Leistung
Leistung inin
GW GW
100
50
0
-50
-100
-150
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
7000
8000
9000
Zeit in h
Zeit in Stunden (ein Jahr)
Leistung
Leistung in in
GW GW
100
50
0
-50
-100
-150
-200
-250
0
1000
2000
3000
4000
5000
Zeit in h
6000
Zeit in Stunden (ein Jahr)
Zürich - 21.10.2014
Lastverlauf
Jahresdauerlinie
Jahresdauerlinie
Lastverlauf
70Ͳ80GW
10
10
5
5
0
0
0
2000
4000
6000
8000
10000
10
10
5
5
0
2000
4000
6000
8000
10000
10
10
5
5
0
……
2000
4000
6000
8000
10000
10
10
5
5
0
6000
8000
10000
0
2000
4000
6000
8000
10000
0
2000
4000
6000
8000
10000
0
2000
4000
6000
8000
10000
0
2000
4000
6000
8000
10000
0
2000
4000
6000
8000
10000
0
2000
4000
6000
8000
10000
0
2000
4000
6000
8000
10000
0
0
2000
4000
6000
8000
10000
10
10
5
5
0
0
0
2000
4000
6000
8000
10000
10
10
5
5
0
0
0
2000
4000
6000
8000
10000
10
10
5
5
0
0
0
0Ͳ10GW
4000
0
0
10Ͳ20GW
2000
0
0
20Ͳ30GW
0
2000
4000
6000
8000
10000
10
10
5
5
0
0
0
2000
4000
6000
8000
10000
Zeit in Stunden (ein Jahr)
Kumulierte Betriebsstundenzahl
9
Power-to-Heat
Netzausbau
Demand Side
Management (Industrie)
Stromgeführte KWK-Anlagen
„„Stromspeicher““
Speichertechnologien sind ein Element im
Portfolio der Flexibilitätstechnologien.
Abschaltung von
EE-Anlagen
Flexible konventionelle
Kraftwerke
Power-to-Gas (Chemicals)
Bedarfsgesteuerte
Biogasanlagen
Demand Side
Management (Haushalte
inkl. Elektromobilität)
„„Intelligente Netze““
Zürich - 21.10.2014
Zentrale Herausforderung:
Energiesysteme müssen verknüpft werden
Wärmepumpen
Elektromobilität
Vehicle
to grid
Biogasanlagen
Mobilität
Strom
Power to gas
Wärme
Power to chemicals
Brennstoffzellenfahrzeuge
Gasfahrzeuge
Gas
KWK-Anlagen
Zürich - 21.10.2014
Energiesysteme werden verknüpft und
schaffen dadurch Flexibilität
Wärmepumpen
Elektromobilität
Vehicle
to grid
Mobilität
Biogasanlagen
Strom
Power to gas
Power to chemicals
Brennstoffzellenfahrzeuge
Gasfahrzeuge
Gas
KWK-Anlagen
Zürich - 21.10.2014
Wärme
Energiesysteme müssen verknüpft werden ––
Effizienz und Kosten beachten
Strom
mittel
Mobilität
hoch
Wärme
gering / mittel
Gas
Transportkosten
Zürich - 21.10.2014
Energiesysteme müssen verknüpft werden ––
Effizienz und Kosten beachten
Strom
hoch
Mobilität
hoch
gering
gering
Gas
Speicherkosten
Zürich - 21.10.2014
Wärme
Energiesysteme müssen verknüpft werden ––
Effizienz und Kosten beachten
85%
100% - 350%
93%
Strom
60%
Mobilität
60% 75%
Wärme
Gas
100%
25% - 50%
Umwandlungswirkungsgrade
Zürich - 21.10.2014
Strom zu Wärme –– ein Tabu? Nein!
PV-Strom: 13 ct/kWhel
Wärmepumpe (LZ = 3,5) Î 3,7 ct/kWhth
Preis für Wärme durch Gas für Haushalte: 5 –– 7 ct/kWhth
(Vergl.: Wärme aus solarthermischer Anlage für Warmwasser: 13 –– 16 €€ct/kWh)
Wärmepumpe
Graphik: Quelle: www.volker-quaschning.de
Alle Zahlen für Deutschland
Zürich - 21.10.2014
Lokalisierung bzgl. der Netzebenen
(Beispiele)
Flexibilitätstechnologien
Stromerzeugung
Netzüberlastungen müssen gelöst werden, wo sie auftreten
Photovoltaik
Wind
220 / 380 kV
Pumpspeicher
power to H2 / CH4
Netzkopplung
konv. Kraftwerke
110 kV
10/20 kV
400 V
Lastmanagement Lastmanagement Lastmanagement
Elektrofahrzeuge
Speicher
power to H2 / CH4
Biogasanlagen
Batterienspeicher
KWK
Netzausbau (inkl. Trafos) Biogasanlagen
Power to heat
Zürich - 21.10.2014
Beispiel für Größe von Batteriespeichern
„ 20 Fuss-Container mit 1 MWh / 1 MW
„ Angebot auf HannoverMesse 2012 für ca. 600.000 €€ (inkl.
Leistungselektronik, ohne MS-Anschluss)
„ 600 solcher Container liefern die gesamte Primärregelenergie für
Deutschland
Zürich - 21.10.2014
Tesla-Fahrzeuge und Ankündigungen üben
erheblichen Druck auf trad. Autobauer aus
21.10.2014
Lehrstuhl Elektrochemische Energiewandlung und
Speichersystemtechnik
19
TESLA-Giga-Factory
21.10.2014
Lehrstuhl Elektrochemische Energiewandlung und
Speichersystemtechnik
20
TESLA-Giga-Factory
21.10.2014
Lehrstuhl Elektrochemische Energiewandlung und
Speichersystemtechnik
Beispiel für Größe von Batteriespeichern
„ Modernste Klasse von Containerschiffen haben Platz für rund 15.000
Container (Grundfläche rund 400 m x 56 m)
„ 15.000 Container mit je 1 MWh entsprechen etwa 40% der
Jahresproduktion der Tesla Giga Factory
„ Zielpreis: ca. 100 €€/kWh (Zellen)
Zürich - 21.10.2014
21
Beispiel für Größe von Batteriespeichern
„ Modernste Klasse von Containerschiffen haben Platz für rund 15.000
Container (Grundfläche rund 400 m x 56 m)
„ Gefüllt mit Batteriecontainern entspricht dies einer Kapazität von
15 GWh / 15 GW (alle deutschen PSK haben zusammen 40 GWh / 6 GW)
Ł
Energie
Zürich - 21.10.2014
Beispiel für Größe von Batteriespeichern
„ Modernste Klasse von Containerschiffen haben Platz für rund 15.000
Container (Grundfläche rund 400 m x 56 m)
„ Gefüllt mit Batteriecontainern entspricht dies einer Kapazität von
15 GWh / 15 GW (alle deutschen PSK haben zusammen 40 GWh / 6 GW)
Ł
Leistung
Zürich - 21.10.2014
Alternativen für Langzeitspeicher:
Wasserstoff- der Methanspeicher in Kavernen
„ Heute vorhandene Kavernenspeicherkapazität in Deutschland
für Erdgas: ca. 20 Mrd. m3
„ Mit Wasserstoff gefüllt kann daraus 3 Wochen (bei Methanfüllung 9
Wochen) Strom für Deutschland produziert werden
(Rückverstromung mit 60% Wirkungsgrad über GuD-Kraftwerke oder Brennstoffzellen)
„ Elektrolyseur und Methanisierung heute noch teuer, werden aber günstiger
„ Kreislaufwirkungsgrad maximal 40% (H2) bzw. 32% (CH4)
„ Kosten für Speicherkaverne ~0,30 €€/kWh (H2) bzw. ~0,10 €€/kWh (CH4)
Zürich - 21.10.2014
Alternativen für Langzeitspeicher:
Sehr große Wasserspeicher
„ Skandinavien mit großem Potential
„ Alpenraum mit Potential
z hohe Netzleistungen notwendig
z Investitionskosten müssen sehr gering sein, weil Kosten vor allem durch
Kapitalkosten dominiert sind
Wasserkraftanlage Harspranget / Schweden
939 MW, 2 TWh/Jahr
Zürich - 21.10.2014
Sensitivität einer europäischen Energieversorgung
mit 100% Erneuerbaren Energien
kein
Langzeitspeicher
Ű Pumpturbine
Ű H2 GuD
Ű Batterie
(installierte
Ausspeicherleistung)
Basis
(Vorgabe: 80%
netto Eigenversorgung jeder
Region)
Zürich - 21.10.2014
Vergleich „„Basisszenario““ ÅÆ Szenario „„max.
Kuppelleistung 5 GW““
max. 5GW
Kuppelleistung
Ű Pumpturbine
Ű H2 GuD
Ű Batterie
(installierte
Ausspeicherleistung)
Zürich - 21.10.2014
Basis
(Vorgabe: 80%
netto Eigenversorgung jeder
Region)
Vergleich der Stromgestehungskosten bei
verschiedenen Szenarienrestriktionen
Kosten(€€ct/kWh)
2,0
Netzkoppelung max.
5 GW
4,0
Keine Kurzzeitspeicher
6,0
Keine
„„Pumpspeicher““
8,0
Basis –– alle Speicher
10,0
Basis
kPS
kKZS
KLL5GW
Keine Langzeitspeicher
Netzkoppelung max. 5 GW,
keine Eigenversorgungsquote
12,0
0,0
kSVQ
KLL5GW
kLZS
Langzeitspeicher: ca. 4 bis 6 Wochen Volllast, 2 äquiv. Vollzyklen pro Jahr
Zürich - 21.10.2014
Klassifizierung der
Speicheranwendungen ist notwendig
Elektr. Speichertechnologien nur
als Beispiele
Zentrale
Speichersysteme
Kurzzeitspeicher
Tagesspeicher
Langzeitspeicher
bis 15 min
1 –– 5 Stunden
Tage bis Wochen
100 MW ––
1 GW
Pumpspeicher
Modulare
Speichersysteme
Modulare Speicher
mit Doppelnutzen
Zürich 21.10.2014
1 kW ––
100 MW
Batteriespeicher
Redox-flow-Batt.
Elektromobilität
Eigenverbrauch
in PV-Anlagen.
1 kW ––
1 MW
Gasspeicher
Speicher, die sowieso da sind und zusätzlich
Netzdienstleistungen liefern können
„ Speichersysteme werden für einen anderen Primärnutzen angeschafft
„ Netzserviceleistungen bieten eine zusätzliche Einnahmequelle
„ Sehr hohes Potential
Vehicle to grid
Eigenverbrauch
in PV-Anlagen
Unterbrechungsfreie
Stromversorgung
(USV)
„ Typischerweise in Szenariountersuchungen gar nicht oder nur mit
begrenztem Potential enthalten
Zürich - 21.10.2014
Virtuelle Großspeicher durch verteilte Speicher
in Fahrzeugen (Plug-in Hybride)
„ Hohes Potential mit bi-direktionalen Ladegeräten bei intelligenter Steuerung
„
Besonders geeignet für schnelle Regelung über kurze Zeiten
„ Kapazität: 10 Mill. Fahrzeuge Î 20 GW, 30 GWh
(Annahme: 2/3 zeitliche Verfügbarkeit, 3 kW Anschlussleistung, 20% Kapazitätsnutzung von 15 kWh)
Zürich - 21.10.2014
Speicher in netzgekoppelten PV-Anlagen ––
Persönliche Optimierung des Strombezugs
„ Einsatz von Speichern zur Optimierung des Eigenbedarfs
„ Persönlicher Nutzen
z Strombezugspreis für Endkunden: ~28 ct/kWh
z Stromgestehungskosten neue PV-Anlagen: ~ 13 ct/kWh
z Stromgestehungskosten nach 20 Jahren EEG-Förderung: nahe 0 ct/kWh
„ Doppelnutzen für zusätzliche
Netzdienstleistungen im Kurzzeitspeicherbereich möglich
„ Wirtschaftlich attraktiv für Betreiber
„ Start Marktanreizprogramm der
Bundesregierung im Mai 2013
„ Zahl der verkauften Hausspeicher
in 2013 geschätzt etwa 7000
Bild: Wiikmedia Commons
Zürich - 21.10.2014
Einfluss der Entladetiefe auf die Lebensdauer
und damit Lebenszykluskosten
Messwert:
225.000 Zyklen
@ 10% DOD
Zyklenzahl [#]
1.000.000
90.000 Zyklen
@ 10% DOD
100.000
7.500 Zyklen
@ 60% DOD
Nennzyklen (3.000)
Zyklen (3.000)
3.000 Zyklen
10.000
Entladetiefe bestimmt
die Alterung und damit
die Kosten!
1.000
0%
20%
40%
60%
Entladetiefe [%]
Zürich - 21.10.2014
80%
100%
Markt für Primäregelleistung
„ Primärregelleistung wird eingesetzt in Abhängigkeit der Abweichung
der Netzfrequenz von 50 Hz (Maximalleistung bei ± 200 mHz)
„ Aktueller Marktpreis etwa 3000 €€/MW
Î ca. 150.000 €€/MW per year
„ Maximalleistung muss in beide Richtung für 30 min garantiert werden
„ Wöchentlicher Ladungsumsatz etwa 3 bis 4 äquivalenten Vollzyklen
Unterbrechungsfreie Stromversorgungen
(USV) für Netzdienstleistungen?
Quelle: www.kausch.de
E.O.N Thüringer Energie AG; Spichra bei Eisenach
Quelle: www.allmystery.de
Quelle: www.xpirio.com
Systemdesign einer USV-Anlage
Komponenten einer USV-Anlage zur
Versorgung von Wechselstromlasten
„ Vorhandene und notwendige
Komponenten
BMS
=
~
Systemdesign einer USV-Anlage mit
Netzdienstleistungen
Komponenten einer USV-Anlage zur
Versorgung von Wechselstromlasten
„ Komponenten, die unverändert
bleiben, wenn zusätzlich
Regelleistung geliefert werden
soll
BMS
=
~
Systemdesign einer USV-Anlage mit
Netzdienstleistungen
Komponenten einer USV-Anlage zur
Versorgung von Wechselstromlasten
„ Zusätzliche Investitionen
BMS
=
~
Warum macht Doppelnutzen bei USVAnlagen Sinn?
„ Zyklenlebensdauer von Sanyo Lithium-ionen Batteriezellen (Typ 18650,
NMC, Konsumer) –– hochwertige Batterien erreichen 3 bis 5x mehr Zyklen
25.000 Zyklen
5.000 äquivalente Vollzyklen
1.250 Zyklen
1.000 äquivalente Vollzyklen
Netzserviceleistungen aus Doppelnutzenanlagen sind viel günstiger
1 kWh Energiebereitstellung für Regelleistung
Investitionskosten:
150 €€/kWh
Zyklenlebensdauer:
1.000 Zyklen
Investitionskosten :
5 x 150 €€/kWh
Investitionskosten:
+ 150 €€/kWh
(USV-Anteil ist bezahlt)
Zyklenlebensdauer:
Zyklenlebensdauer:
25.000 Zyklen (20% DOD) 25.000 Zyklen (20% DOD)
Î 15 ct/kWh
Î 3 ct/kWh
Î 0.6 ct/kWh
Regelleistung
Regelleistung
Regelleistung
USV
Kapazitätsbezogene Investkosten steigen für
dezentrale Speicher, aber auch deren Nutzen
Zentralspeicher
Regionalspeicher
Lokalspeicher
Energiehandel, Ausgleich Angebot und Nachfrage
Reserveleistungen, Blindleistung
...
Spitzenlastmanagement
Netzentlastung
...
Eigennutzung von EE
USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung)
...
(unvollständige Liste)
Zürich - 21.10.2014
Klassifizierung der
Speicheranwendungen ist notwendig
Elektr. Speichertechnologien nur
als Beispiele
Modulare
Speichersysteme
Modulare Speicher
mit Doppelnutzen
Tagesspeicher
Langzeitspeicher
bis 15 min
1 –– 5 Stunden
Tage bis Wochen
100 MW ––
1 GW
Direkter Wettbewerb im Energiemarkt
Zentrale
Speichersysteme
Kurzzeitspeicher
Pumpspeicher
Gasspeicher
1 kW ––
100 MW
Batteriespeicher
Redox-flow-Batt.
Elektromobilität
Eigenverbrauch
in PV-Anlagen.
1 kW ––
1 MW
Zürich 21.10.2014
Zusammenfassung
„ Es gibt reichlich Flexibilität Î zentrale Speicher mit < 24 Stunden
Zeitkonstante werden kaum gebraucht
„ Zusätzliche Speicher werden dezentral kommen, finanziert aus einer
Primäranwendung Î extrem kompetitiv im Stromsystem
„ Langzeitspeicher notwendig bei Anteil Erneuerbarer Energien > 80%
Î Gasspeicher und Jahrespumpspeicher absehbar die einzigen
Technologien
„ Insgesamt ist die Weiterentwicklung des Energieversorgungs-
systems über dezentrale, kommunale Ebene sehr wahrscheinlich,
weil sichere Großinvestitionen kaum möglich sind.
Das ist nicht notwendigerweise der kostengünstigste Weg, aber das Resultat eines
wettbewerblich organisierten Energiesystems.
Zürich - 21.10.2014
NEUE STROMSPEICHER
Unnötig, ineffizient, unrentabel?
Zürich - 21.10.2014
Univ.-Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) und
Institute for Power Generation and Storage Systems (PGS) @ E.ON ERC
RWTH Aachen University
Contact: batteries@isea.rwth-aachen.de
Jägerstrasse (ISEA)
Mathieustrasse (E.ON ERC)
Hüttenstrasse
(Test center)
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