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Prof. Dr. R. Simon
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Stromspeicherung und Lastverschiebung
im Smart Grid
Prof. Dr. R. Simon
Juni 2012
+ ca. 20 Studierende Aushilfen
WIR STELLEN UNS VOR…
Das Team:
Wissenschaftliche Leitung:
Transferstelle für Rationelle und
Regenerative Energienutzung Bingen
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Wissenschaftlicher Leiter der Transferstelle für rationelle u. regenerative Energienutzung
Prof. Dr. Ralf Simon
Hochschullehrer der Fachhochschule Bingen
Energiebeirat des Landes Rheinland – Pfalz zur Beratung der Landesregierung in energie- politischen Fragen
simon@tsb-energie.de
Wissenschaftlicher Leiter des Institut für geo- thermisches Ressourcenmanagement
5
Überregionale Lieferung von Regelenergie durch
virtuelle Kraftwerke
Virtuelles Kraftwerk made in Rheinland-Pfalz Betrieb und Weiterentwicklung von diversen virtuellen Kraftwerken in Deutschland Systembereitsteller
gefördert vom
Ministerium für Umwelt, Forsten u.
Verbraucherschutz (MUFV), Rheinland-Pfalz
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Randbedingungen einer zukünftigen Energiewirtschaft
Methoden der Stromspeicherung
Bedeutung des Smart Grid / Virtuellen Kraftwerks und
Entwicklung von Geschäftsmodellen
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Bruttostromerzeugung aus erneuerbaren Energien
und Strombedarf in Deutschland bis 2050
Quelle: Schmid J., IWES Kassel Jun. 2010
8 Quelle: Schmid J., IWES Kassel Jun. 2010
Nutzenergiebereitstellung für Wärme aus
erneuerbaren Energien in Deutschland bis 2050
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Herausforderung: Regelfähigkeit und Stromspeicherung
Bildquelle: BMU Leitstudie 2050; EE – Anteil 78%
Abweichungen zwischen Windstrom-
prognose und tatsächlicher Windstrom-
erzeugung
u. U. hohe Gradienten der Laständerung
unterschiedlich lange Phasen des
Überschusses bzw. des Mangels
Residuale Last = Last minus ungesteuerte EE- Einspeisung
minus ungesteuerte KWK - Einspeisung
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Herausforderung: Regelfähigkeit und Stromspeicherung
Bildquelle: BMU Leitstudie 2050; EE – Anteil 78%
Zukünftige residuale Last verlangt Strom-
speicher verschiedenster Art
Speicher notwendig, um
o Frequenz im Übertragungsnetz zu
stabilisieren
o Spannung im Verteilnetz zu
garantieren
Dezentrale Speicher brauchen eine Ein-
bindung in ein smart Grid / virtuelles
Kraftwerk
Residuale Last = Last minus ungesteuerte EE- Einspeisung
minus ungesteuerte KWK - Einspeisung
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Quelle: neue energie, November 2011
Flächendeckende Abschaltungen
von Windkraftanlagen finden heute
schon statt.
Abschaltungen in 2010
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Randbedingungen einer zukünftigen Energiewirtschaft
Methoden der Stromspeicherung
Bedeutung des Smart Grid / Virtuellen Kraftwerks und
Entwicklung von Geschäftsmodellen
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Stromspeicher 1 – Batterie bzw. Akkumulator
Batterie als Stromspeicher z. Z. teuer
Zukunftsthema
bei der Geschwindigkeit des Ausbaus
der fluktuierenden EE muss die Ge-
schwindigkeit der Batterieentwicklung
deutlich erhöht werden
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Stromspeicher 1 – Batterie bzw. Akkumulator
Viele verschiedene Möglichkeiten vorhanden:
Nickel-Cadmium, Nickel-Metallhydrid, Lithium-Ionen,
Polysulfid-Bromid, Vanadium Redox Flow, Zink-Bromid,
Natrium-Schwefel
zu beachtende Kriterien:
Energiedichte, Zyklenlebensdauer, Ressourcenverfügbarkeit,
Umweltverträglichkeit, Kosten
großer Vorteil: können in der Spannungshaltung (kleinere Anlagen) und
in der Frequenzstabilisierung (größere Anlagen) und
in der Elektromobilität eingesetzt werden
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Stromspeicher 1 – Batterie bzw. Akkumulator
LESSy (Lithium-Elektrizitäts-
Speicher-System)
+/- 1 MW; 700 kWh
10 - 15 kW; 100 kWh
200 kW; 400 kWh
Gildemeister
6 MW; 46 MWh NGK
Opel Deis, 2012
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200
400
100
Wh/l
Wh/kg
100
300
0 50 150
Li-Metall Li-Ion
Ni-MH
NAS Ni-Cd
Pb
Energiedichte von Batterien
Stromspeicher 1 – Batterie bzw. Akkumulator
H. Pütter, 2007
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Quelle: VDE-Studie „Energiespeicher in Stromversorgungssystemen
mit hohem Anteil erneuerbarer Energieträger
Stromspeicher 1 – Batterie bzw. Akkumulator
reine Speicherkosten
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Stromspeicher 2 - Pumpspeicherkraftwerk
Pumpspeicherkraftwerke bewährte Technik
der zentral versorgten Stromwelt.
keine dezentrale Lösung, nur im Sinne
der Frequenzhaltung einsetzbar. Keine
Spannungssteuerung im Verteilnetz
möglich
lange Bauzeiten, hohe Startinvestitionen
wenig geeignete Möglichkeiten
kurzzeitiger Speicher
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Stromspeicher 2 - Pumpspeicherkraftwerk
Pumpspeicher in Deutschland
vorhandene Leistung: ~7 GW
in Planung bzw. in Bau: 2,4 GW
Zusatzpotential: 3,5 GW
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Stromspeicher 2 - Pumpspeicherkraftwerk auch mit dezentralem Charakter möglich
Ausnutzen von Höhenunterschieden, die sehr oft vorkommen
Wettbewerb kreativer Ideen notwendig
Pumpen-Turbinen Technik der KSB, Frankenthal
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Stromspeicher 2 - Pumpspeicherkraftwerk auch mit dezentralem Charakter möglich
Nutzung vorhandener, nicht mehr benötigter Strukturen
mit geringer Veränderung des Landschaftsbildes
Nutzung von Gruben
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Stromspeicher 2 - Pumpspeicherkraftwerk auch mit dezentralem Charakter möglich
Projekt Gaildorf
Windleistung: 18 MW
Turbinenleistung: 12 MW
Speicherkapazität: 70 MWh
Quelle: Naturstromspeicher Gaildorf GmbH & Co. KG
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Stromspeicher 3 – Wasserstoff und Methanisierung
Hohes Potential, Im MegaWatt –
Bereich als Prototyp im Aufbau, als
Langzeitspeicher geeignet.
Erhöhung des Wirkungsgrads
notwendig
Bildquelle, JUWI bzw. Specht, ZSW 2009
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Stromspeicher 3 – Wasserstoff
Quelle: T. Smolinka, FH ISE, 2012
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Stromspeicher 3 – Wasserstoff
Grenzen der H2 – Zumischung nach DVGW Regelwerken
Quelle: F. Graf, KIT, 2012
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Stromspeicher 3 – Wasserstoff
Quelle: F. Graf, KIT, 2012
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Stromspeicher 3 – Wasserstoff
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Stromspeicher 4 – virtueller Stromspeicher
Wärme Gas
Strom
EHeizer,
WP
KWK
Elektrolyse
+ Sabatier
Speicher Speicher
Speicher
Druckluft Kälte Produktion
Speicher Speicher Speicher
Industr
ie/G
ew
erb
e
Vers
org
ungsnetz
e
unvollständige Darstellung
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Ausnutzen vorhandener Strukturen, wie KWK, Laststeuerung1, industrielle
Kältespeicher, industrielle Druckluftspeicher2, elektrische Wärmeerzeuger wie
Wärmepumpe, Elektroheizer mit Speicher
Win-Win-Situation zwischen Verteilnetzbetreiber und ansässiger Industrie /
Gewerbe Symbiose zwischen Versorger und Industrie zum optimierten
Netzmanagement
Stromspeicher 4 – virtueller Stromspeicher
1: kommt aus dem Energiemanagementsystem, das z. Z. in vielen Firmen eingeführt wird
2: z. Z. werden Druckluftspeicher, Druckluftnetze während der Produktion genutzt. Warum
sollten nicht während Phasen des Stromüberschusses nutzbar sein? Gleiches gilt für
Kältespeicher
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Schmid J.: Benötigte Speicherleistung in 2050 im Bereich 50 GW Leistung1
Klobasa M.: Potential im Sektor Industrie 2,8 GW
Potential im Sektor Gewerbe/Handel 10,3 GW
Potential im Sektor Haushalt 20,6 GW 2
1 Schmid J.: Dezentrale Energieversorgung und Speichertechnologien, Beirat WIE
Okt. 2011 2 Klobasa M.: Dynamische Simulation eines Lastmanagements … Dissertation ETH
Zürich, 2007
Zur Einordnung: Potential in der Industrie entspricht dem kompletten
Bedarf an Regelenergie im Bereich der Minuten-
reserve
Stromspeicher 4 – virtueller Stromspeicher
Ziel: Realisieren der umfangreichen Effizienzverbesserungspotenziale in
der Industrie
• Ab 2013 werden Steuerermäßigungen im
Bereich der Energie- und Stromsteuern mit
einem nachweisbaren Beitrag zur Energie-
einsparung gekoppelt.
• Effizienzpotenziale sollen sichtbar gemacht
werden.
DIN EN ISO 50001
Gesetzliche Rahmenbedinungen
Einführung von Energiemanagementsystemen
Energiekonzept der Bundesregierung, verabschiedet im
Bundestag und Bundesrat am 28.09.2010
weitere Informationen unter: www.iso-50001.de
Ziel: Realisieren der umfangreichen Effizienzverbesserungspotenziale in
der Industrie
• Ab 2013 werden Steuerermäßigungen im
Bereich der Energie- und Stromsteuern mit
einem nachweisbaren Beitrag zur Energie-
einsparung gekoppelt.
• Effizienzpotenziale sollen sichtbar gemacht
werden.
DIN EN 16001 bzw. ISO 50001
Gesetzliche Rahmenbedinungen
Einführung von Energiemanagementsystemen
Energiekonzept der Bundesregierung, verabschiedet im
Bundestag und Bundesrat am 28.09.2010
1. Referentenentwurf des BMF zu den energiesteuer-
lichen Entlastungen vorgestellt am 2. Energiesteuer-
tag vom 25.11.2011
Eckpunkte:
Stufe 1 ab 2013: Start der Einführung von EnMS
als Voraussetzung für Entlastungen. Abschluss bis
spätestens Ende 2014
Stufe 2 ab 2015: Erreichen von konkreten Einspar-
zielen der Unternehmen (0,9 % bei Energieerzeug-
nissen, 1,3% bei Strom)
z. Z. in Ressortabstimmung. Abschluss des Gesetz-
gebungsverfahrens vor parlamentarischer Sommer-
pause 2012
weitere Informationen unter: www.iso-50001.de
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Randbedingungen einer zukünftigen Energiewirtschaft
Methoden der Stromspeicherung
Bedeutung des Smart Grid / Virtuellen Kraftwerks und
Entwicklung von Geschäftsmodellen
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Definition des virtuellen Kraftwerkes
zentrale Ansteuerung
dezentrale Energiestationen +
virtuelles Kraftwerk =
36
dargestellt: Mittelwert der Preise für jede Stunde des Tages in 2011
Markt: EPEX – Stundenkontrakte
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Markt: EPEX – Stundenkontrakte
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Markt: EPEX – Stundenkontrakte
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Positive Minutenreserve – Ausschreibungsergebnisse 2011
Leistungspreis:
mittleres Ergebnis: für die Bereitstellung von
Leistung wird im Jahresmittel ein Betrag von
2.751 €/MW a gezahlt
Arbeitspreis:
mittleres Ergebnis: für erzeugten Strom wird
im Jahresmittel ein Betrag von 365 €/MWh
gezahlt
www.energycontrol24.de
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Negative Minutenreserve – Ausschreibungsergebnisse 2011
www.energycontrol24.de
Leistungspreis:
mittleres Ergebnis: für die Bereitstellung von
Leistung wird im Jahresmittel ein Betrag von
37.034 €/MW a gezahlt
Arbeitspreis:
mittleres Ergebnis: für aufgenommenen bzw.
nicht erzeugten Strom wird im Jahresmittel ein
Betrag von 75,3 €/MWh gezahlt
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Positive Minutenreserve – Optimierung der Handelsstrategie
www.energycontrol24.de
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Negative Minutenreserve – Optimierung der Handelsstrategie
www.energycontrol24.de
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Stromnebenkosten
Nebenkosten €/MWh Windpark direkt ange-
bunden an Speicher
Stromlieferung über
Netz an Speicher
EEG- Umlage 35,92 keine (1) keine (1)
Stromsteuer 20,50 keine keine
Netznutzung ca. 15,00 keine keine (2)
Konzession 1,10 keine keine
KWK 0,30 keine keine
(1) geplante Änderung des EEG, Clearingstelle EEG, April 2012
(2) Befreiung für 20 Jahre; ENWG Juli 2011 §118 Abs. 6, Nr 1
45 45
Aufbau (Normalbetrieb)
BHKW
Wärme
Puffer-
speicher
Wärme-
verbraucher Wärme
Elektro-Erhitzer
Stromnetz
Erdgas
Schaltvariante BHKW mit beheiztem Speicher:
46 46
Aufbau (Abruf Regelleistung)
BHKW
Wärme
Puffer-
speicher
Wärme-
verbraucher Wärme
Elektro-Erhitzer
Stromnetz
Erdgas
Schaltvariante BHKW mit beheiztem Speicher:
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Wärmepumpe in Gewerbe / Verwaltung / Krankenhaus, usw.
Simulationsergebnisse
Betriebskosten in €/a
Kosten Strombezug 35.369
Einnahmen virtuelles Kraftwerk -20.023
Betriebskosten 15.346
Aufschlüsselung der Einnahmen
Einnahmen MR Leistungspreis -15.991
eingesparte Stromkosten -428
MR Arbeitspreis -3.604
Gesamt -20.023
Marktstrategie des Händlers:
Arbeitspreis nach Gebotsoptimierung wählen, um hohe Jahreseinnahmen zu erzielen
Leistungspreis so wählen, dass Pool in Vorhaltung
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im zukünftigen Energiemix wächst die Bedeutung für das Thema Strom-
speicherung
Zunahme des Bedarfs an Regelenergie
Volkswirtschaftlich ist es sinnvoll, die kostenarme Produktion von über-
schüssigem Windstrom zu reduzieren
Aufbau von elektrischen Stromspeichern bzw. Möglichkeiten der
Lastverschiebung notwendig.
Erst die Integration in ein virtuelles Kraftwerk bewirkt einen Beitrag zur
Netzstabilität
Zusammenfassung
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
zum Schluss noch ein Hinweis …
Kontakt Prof. Dr. Ralf Simon
Transferstelle Bingen
Am Langenstein 21
55411 Bingen
simon@tsb-energie.de
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