Elektrische Energiespeicher – Bedarf – Stand der Technik ...files.messe.de/cmsdb/GB/001/23213.pdf · Dr. Christian Doetsch, Fraunhofer UMSICHT, Oberhausen Folie 2 Warum brauchen

Dr. Christian Doetsch,Fraunhofer UMSICHT, OberhausenFolie 1

Dr. Christian Doetsch

Fraunhofer Institut UMSICHT

Fraunhofer Netzwerk »Energiespeichersysteme und Netze«

Elektrische Energiespeicher – Bedarf – Stand der Technik – Ausblick


Warum brauchen wir Stromspeicher ?

Einspeisung fluktuierender Energien erzeugen starke Schwankungen im Netz

► Netzüberlastung

► Unterversorgung

Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch ist jederzeit notwendig

► Regel-/Reserveleistung (positiv/negativ) notwendig(bis zu 20 % Regel-/Reserveleistung der installierten Windkraft)*

► massiver Netzausbau / -verstärkung erforderlich (Höchstspannungsnetz in 2015Verstärkung von 392 km, Neubau 850 km)*

* (dena Netzstudie I, 2005)

© Fraunhofer

© EON


Was ändert sich in Zukunft ?

(Grafik: Fraunhofer, Daten: BMU Leitstudie 2007)

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Photovoltaik

Wind an Land

Wind Offshore

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Biomasse, Biogase

Geothermie

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Kernenergie

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Warum brauchen wir in Zukunft vermehrt Stromspeicher ?

Massiver Ausbau erneuerbarer Energien

► bis 2030Wind bis 50 GWSolar bis 12 GW

► bis 2050Fluktuierende über 90 GW

► Leistungsbedarf bei ca. 80-90 GW

Verhältnis fluktuierender zu regelbarer Leistung

► heute: 1 zu 6

► 2030: 1 zu 1,3

► 2050 1 zu 0,5

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(Grafik: Fraunhofer, Daten: BMU Leitstudie 2007)


Gleichen sich nicht die ganzen Erneuerbaren Energien aus ?

Kurzfristige Schwankungen im Netz

► Windböen, Wolkendurchgang gleichen sich aus.

Regionaler Energieausgleich

► eher gering, da die regionalen Wetterverhältnisse ähnlich sind.

Großräumiger/internationaler Energieausgleich

► nur sehr begrenzt möglich, da - Hochlastzeiten europaweit ähnlich,- Netzkapazitäten begrenzt - internationale Koppelstellen häufig

ausgelastet sind© dena Netzstudie I


Können vorhandene Speicherseen genutzt oder ausgebaut werden ?

Nutzung von Speicherseen

► werden in Deutschland schon intensiv genutzt

Ausbau der Speichersee-Kapazität

► massiver Eingriff in die Landschaft ► in Deutschland nur in sehr geringem Umfang

noch möglich

Anschluss weiterer Speicherseen im Ausland

► Nutzung der Speicherseen durch das Übertragungsnetz/Koppelstellen (bisher) begrenzt

► Evtl. Einbindung der Speicherseen in Norwegen

© Fraunhofer


Wie funktionieren Energiespeicher?

Funktionsweise realer Energiespeicher

© Fraunhofer


Welche Technologien für Energiespeicher werden eingesetzt ?

Pumpspeicherkraftwerke (PH)- effizient- topologische Anforderungen- problematischer Ausbau

Druckluftspeicherkraftwerk (CAES) - bisher (noch) wenig effizient- Kompressorentwicklung

notwendig- besondere geologische Anforderungen

Vision Micro-CAES- bisher nur Konzept

© RWE.

© EON.

© Fraunhofer.


Welche Technologien für Energiespeicher werden eingesetzt ?

Natrium-Schwefel-Batterie (NaS)- Einsatz kritischer Materialien- hohe Temperaturen- Stand-by Verluste

Bleibatterie (LA)- Stand der Technik- kostengünstig- geringe Lebensdauer

Redoxflow-Batterien (Redox)- günstiges Scale-up- hoher Entwicklungsbedarf / hohes Entwicklungspotenzial

© NGK Insulators Ltd.

© Fraunhofer (Batteriespeicher Mont Cenis)

© Fraunhofer Fraunhofer Stack


Wie unterscheiden sich die Technologien für Energiespeicher?

Mittel-/Langfrist

► Pumpspeicherkraftwerke

► Druckluftspeicherkraftwerke

► Redox-Flow Batterien► Bleibatterien

Kurzfrist

► Bleibatterien

► Schwungradspeicher

► Kondensatoren

► Supraleitende Spulen0,0001

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Doublelayercapacitor

Realisierte Anlagen

Entladezeit [h]

Elektrische Leistung [MW]


Nickel-Cadmium Battery

Compressed Air Energy Storage

Lead-Acid Battery

Redox-Flow Battery

► Druckluftspeicher 477 MWel

► NaS-Batterie >200 MWel

► Bleibatterie 125 MWel

► Redox-Flow 11 (38*) MWel

► NiCd-Batterie 26 MWel

Sodium-Sulphur Battery

* inklusive zweier abgebrochener Regenesys Projekte

Weltweite Leistung von Energiespeichern


über 99% derEnergiespeicherleistung

Compressed Air Energy Storage

Sodium-Sulphur Battery

Lead-Acid Battery

Redox-Flow Battery

Nickel-Cadmium Battery

Wasserkraftwerke (PH)

110 000 MWel

Weltweite Leistung von großen Energiespeichern


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Entwicklung der Anlagenzahl von großen Energiespeichern weltweit

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© Fraunhofer


Ist der Speicherbedarf eine rein deutsche Problematik (EEG) ?

DeutschlandIn Deutschland basiert der Bedarf an Energiespeichern vorrangig auf dem Ausbau der Erneuerbaren Energien und deren regionaler Verteilung.

JapanHier besteht der hohe Energiespeicherbedarf (über 200 Batteriespeicher im Megawattbereich) vor allem durch Netzrestriktionen (Netzstruktur, Topologie, Koppelstellen, Bebauungsdichte).

USA, SüdeuropaIn Ländern mit ausgeprägter sommerlicher Spitzenlast (verschärfend: hoher Anteil an Grundlaststrom-erzeugern) steigt der Speicherbedarf.

InselnSpeicher sind dort zumeist technisch notwendig.


Wie hoch ist die Effizienz der Energiespeicher überhaupt ?

Gesamtwirkungsgrad (AC-AC) beeinflusst durch Anwendung / Teillast, Effizienz der Wechselrichter, Trafos

► Lithium-Batterien(bis zu 90%)

► Pumpspeicher, Bleibatterie(bis zu 80%)

► NaS / Redoxflow-Batterie(ca. 70 - 80%)

► Druckluftspeicherkraftwerk(ca. 42 - 70%)

► Wasserstoff – BZ(ca. 30 - 50%) www.energystorage.org


Welche dieser Technologien werden in Zukunft eingesetzt und wo ?

Zentral im Netz / an großen Windparks

► Zukünftig Druckluftspeicher im 2 bis 3-stelligen MW-Bereich (adiabate CAES, Micro-CAES)

► Langfristig H2-GuD im 3-stelligen MW-Bereich

Dezentral an Netzknoten / mittelgroßen Einspeisern (Windanlage, große PV)

► Stand der Technik: Blei- / NaS-Batterien► Zukünftig Redox-Flow Batterien

Lokal bei netzfernen Endkunden bzw. Kleineinspeisern(Dach-PV)

► Stand der Technik: Bleibatterien ► Zukünftig Lithium-Batterien

Fabrik

110 kV 20 kV

Stadt

110 kV

20 kV

0,4 kV


Wie arbeiten virtuelle Energiespeicher ?

Virtuelle Energiespeicherung

»Demand Side Management«Abschaltbare Verbraucher

► Industrie: Lastmanagement

► Privathaushalte: Begrenztes Potenzial (Kühl-/Gefrierschränke)

»Demand Respone«Zentrale Regelung dezentraler Anlagen (Strom, Wärme, Kälte) ► Nutzung dezentralen

Wärme-/Kältespeicher (bspw. Wärmepumpenheizung)

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EDM, EMS- BKV2 -

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Fraunhofer Anwendungszentrum Systemtechnik Ilmenau (AST)

Netzleitsystem- VNB -

TU Ilmenau, FG Elektrische Energieversorgung

Digitale Schutztechnik

Physikalisches Netzmodell

Windpark SolardorfStandort Fraunhofer UMSICHT

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BHKW PV-Anlage Daten-konzentrator

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Daten-konzentratorPhysikalische Abnehmer

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Fraunhofer Netzwerk: Energiespeichersysteme und Netze

Zukunftsthema Energiespeicher im Netz − Strom nach Bedarf aus Sonne und Wind

Das Ziel des Fraunhofer Zukunftsthemas »Energiespeicher im Netz« ist die Entwicklung von neuen Technologien und Systemen zur dezentralen elektrischen Energiespeicherung (»Stromspeicher«).

Auf Basis des Zukunftsthemas hat sich das Fraunhofer Netzwerk »Energiespeichersysteme und Netze«gegründet.

Themen► elektrische Energiespeicher /-systeme► thermische Speicher► Netze/Leistungselektronik► Energiemanagementsysteme► dezentrale Speicher und Regelstrukturen


Fraunhofer Netzwerk: Energiespeichersysteme und Netze

Zukunftsthema Energiespeicher im Netz − Strom nach Bedarf aus Sonne und Wind

► Fraunhofer UMSICHT (Koordination) ► Fraunhofer AST► Fraunhofer ICT► Fraunhofer IFAM-DD► Fraunhofer IFF► Fraunhofer ISE ► Fraunhofer ISI► Fraunhofer ISC ► Fraunhofer ISIT ► Fraunhofer IWES

Koordinator: Dr. Christian DoetschFraunhofer UMSICHT, [email protected]


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Hannovermesse

19.-23. April 2010

Halle 13, Stand E44

Dr. Christian Doetsch

Tel.: +49 208 8598 [email protected]

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