Energiespeicher für die Energiewende Ringvorlesung ...€¦ · Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 54 Zusammenfassung n Energiewende möglich– technisch, ökonomisch, ökolog. n Wind &

Energiespeicher für die Energiewende Zusatzkosten vs. Zusatznutzen? Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner et al. FENES, OTH Regensburg

Ringvorlesung Kraftakt Energiewende II 05.11.13 Universität Leipzig, IIRM Akademischer Energieverein Leipzig e.V. Deutsch-Russisches Institut für Energie-politik und Energie-wirtschaft e.V.

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 2

Inhalt

1)  Speicher im Kontext Energiewende

2)  Speicherbedarf – Ergebnisse VDE Studie

3)  Speichertechnologien – Fokus Verteilnetz

4)  Ausblick Verkehr – Strombasierte Kraftstoffe - Segelenergie

5)  Zusammenfassung


Energiebedingte Emissionen zw. 1750 und 2006

Quelle: Sterner, 2009


Die Energieversorgung wird wieder oberirdisch Das fossile Zeitalter: Ein infinitesimal kleines Zeitfenster der Erdgeschichte

Erneuerbar Oberirdisch

2000

Fossil Unterirdisch

0 1000 3000

Verbrauch

Zeit

Wind

Solar

WasserBiomasse

Wasser

Biomasse

Wind Solar

Erneuerbar Oberirdisch

Energie-effizienzVereinfachte Darstellung aller fossiler Quellen

Energiewende = Erneuerbare Energien und Energieeffizienz


Technisches Potential erneuerbarer Energien global


Beispiel Strom Größte Herausforderung von Wind und Solar: Meteorologische Abhängigkeit


Installierte EE-Leistung übersteigt bald Lastbänder System rotierender Massen à Inverterbasiertes System

Quelle: Trost, 2013 nach BMU Langfristszenarien A, 2012

Ausbau erneuerbarer Stromerzeugung bis 2050


Wind und Photovoltaik werden zur leitenden Größe à Technologie und Markt danach ausrichten

Nationaler Aktionsplan erneuerbare Energien: 2020 – 39% EE-Anteil


Wir brauchen Flexibilitäten

1.  Hoch flexible Kraftwerke

2.  Flexible Verbraucher

3.  Stromnetze

4.  Speicher

Kurzzeit (Pumpsp., Batterien, Druckluft) Langzeit (Pumpsp., Gasnetz & -speicher)

Wind & Solar schaffen Energiewende nicht alleine

à Power-to-Gas à Gasspeicher Wind Solar


Ersatz von AKW in Süddeutschland große Herausforderung Kostengünstigste Lösung: Windenergie + Gastechnologien

à Wind fördern, nicht bremsen (Mythen: „Umzingelung“, Rentabilität, Lärm) à Gaskraftwerke / Gasturbinen vorausschauend planen à Kein n-1 Versorgungssicherheitsproblem, wenn Thüringer Brücke nicht kommt

Quelle: ITE, 2012 (Gorshkov, Müller-Kirchenbauer)


Inhalt







Überschüsse vorwiegend durch Netz-Engpässe Stromüberschüsse in Deutschland 2010 – 2050


§  Bilanzierung von Verbrauch & Erzeugung §  Kurzzeitspeicher §  Langzeitspeicher §  Flexible Kraftwerke & KWK §  Flexible EE-Erzeugung

(Abregeln, Biogas)

VDE ETG Studie: Energiespeicher für die Energiewende (2012) Fragestellung

Quelle: VDE ETG, 2012


Annahmen in der Studie Zwei Speicherklassen

Quelle: VDE ETG, 2012; IAEW, 2013

Kurzzeitspeicher z.B. Pumpspeicher, CAES, Batteriespeicher hoher Zykluswirkungsgrad (>75%) geringe Energiedichte

Wirkungsgrad: 80% Energie/Leistung: 5 Wh/W

Langzeitspeicher z.B. Power-to-Gas niedriger Zykluswirkungsgrad (<50%) praktisch unbegrenzter Energieinhalt

Wirkungsgrad: 40% Energie/Leistung: ∞

Modell


40% EE Speichernutzung Auslastung 600 – 900 h Zyklen 150

Auslastung 100 – 400 h Zyklen 1

Kurzzeitspeicher - Zyklen

Langzeitspeicher - Zyklen

Kurzzeitspeicher

Langzeitspeicher

Entladen

Entladen

Laden

Laden

EE-Abregelung ohne Speicher: 0,11% mit Speicher: 0,01%

Quelle: VDE ETG, 2012


§  Speicher erhöhen Braunkohleanteil §  Speicher verdrängen Gas-KW §  Minimaler Nutzen für EE

Veränderung der Stromerzeugung durch Speicherzubau

EE-Anteil: 40 % EE-Anteil: 80 %

-9

-6

-3

0

3

6

9

D-A E-A

nichtabgeregelteEEBiomasse

KWK

Erdgas, Erdöl -45

-30

-15

0

15

30

45

D-A E-A

nichtabgeregelte EEBiomasse

KWK

Erdgas, Erdöl

Steinkohle

TWh TWh

§  Speicher vorwiegend für EE §  Speicher ersetzen Gas-KW

Quelle: VDE ETG, 2012; IAEW, 2013

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 16 Quelle: VDE, 2012

Energiewende: Stromgestehungskosten steigen selbst mit Speichereinsatz nur um ca. 10%.

0

20

40

60

80

100

120

2010 40%-‐A 80%-‐E 100%-‐D

Variable Stromgestehungskosten

Investitionskosten Speicher

Investitionskosten Kraftwerke

78€/MWh

79€/MWh

84€/MWh

100 €/MWh

€/MWh


Gestehungskosten Strom Wind & Sonne gleichauf / am Günstigsten

0

2

4

6

8

10

12

Wind PV Gas & Dampf Steinkohle Kernkraft

Gestehungskosten für neue Kraftwerke in €-ct. / kWh 2013

Source: Agora 2013, EWI 2011 - 2013


Inhalt







Speichertechnologien im Vergleich: Kapazität und Reichweite

Quelle: TH Regensburg FENES, 2013

Ausbau- und Innovationsbedarf der elektrischen Verteilnetze für die Energiewende Prof. Dr.-Ing. Christian Rehtanz

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 21 Quelle: A123; NGK Insulators, 2013; TU Dortmund

Netzstabilität

Hausspeicher

  Bewährt bei USV   Unverzichtbar für die

Elektromobilität   Hausspeicher für PV

nur im netzkonformen Betrieb sinnvoll

  Als Systemspeicher für Netzstabilität sinnvoll

Speicher je nach Einsatz sinnvoll oder nicht

2030 Varianten für Szenario ‘NEP B 2012‘ für NS-, MS- und HS-Ebene


Netzstützung durch Primärregelleistung Berlin: Erstmals kommerzieller Einsatz eines BKW in PRL

Quelle: Younicos


-  Größe 5 MW / 5 MWh Batteriepark -  Technik Li-Ionen – 20 Jahre Garantie von Samsung -  Betreiber Stadtwerk Wemag -  Standort Schwerin

-  Rendite (IRR) 6,5% -  Eigenkapital IRR 17% -  Inbetriebnahme Mitte 2014

Primärregelleistung mit Batteriekraftwerk Beispiel Stadtwerke WEMAG & Younicos AG

Quelle: Younicos


Pumpspeicher Riedl u. a. Etablierte Technologie – Akzeptanz durch Verbindung mit EE

Quelle: RegioWiki

PSW können gute Speicher für erneuerbaren Strom aus der Region für die Region sein Voraussetzung: Betrieb im Takt von Wind und Sonne


Betriebsweise von Pumpspeichern: Optimierung des Kraftwerksparks (PSW aus)


Einsatz von Pumpspeichern: Optimierung des Kraftwerksparks (PSW an)


Power-to-Heat

Für Wind: günstigster Speicher heute & technisch einfach umsetzbar Für Solar: Erhöhung des Eigenverbrauchs, günstige Integration im Haus Nicht gelöst: Rückverstromung & Mobilität à p2g

Quelle: SW Münster, Linz AG, DREWAG


Entwicklungsschritte Integration EE bis Power-to-Gas

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14.1 15.1 16.1 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1

Day

Pow

er [M

W]

OnlineForecast D+1Forecast 4HForecast 2H

Numerisches Wettermodell Windleistungsprognose für eine Regelzone

Quelle: Lange / Rohrig, 2008

Wind Power Cluster Management Kombikraftwerk


Wie speichert die Natur Energie über lange Zeiträume?

Chem. Energie (fossil, bio)

Effizienz: ca. 1%

© IWES, 2010

Energiespeicherung

Kernprozess: 1) Spalten von Wasser 2) H2 reagiert mit CO2



Quelle: Sterner, 2009 Specht et al, 2010

Power-to-Gas Das Original Energiespeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz à Technische Nachbildung der Photosynthese

Quelle: Sterner, 2009 Specht et al, 2010

Sterner, M. (2009): Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable energy systems. Limiting global warming by transforming energy systems. Kassel University, Dissertation. http://www.upress.uni-kassel.de/publi/abstract.php?978-3-89958-798-2


Pilot- & Demoanlagen: Entwicklung in Stuttgart & Kassel

Quelle: Solarfuel, ZSW, IWES 2009 – 2012

2012 250 kW 2009 25 kW


E-ON Power-to-Gas Falkenhagen 2013 2 MW

Quelle: E-On, 2013

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 33 Source: Enertrag, 2012

Methangas: Audi g-tron Projekt 2013 6,3 MW


Wind- und Solarkraftstoffe entschärfen Tank-Teller-Konflikt Hektarertrag für regenerativen Kraftstoff in t Benzin-Äquivalente

Quelle: IWES 2011, FNR 2011, DESTATIS 2011

Größter Vorteil von Windkraftstoff: kombinierte Energie- und Landwirtschaft


Sichere, stabile Energieversorgung möglich durch Koppelung der Energienetze



Inhalt







Stromwende

Erneuerbare Anteile 2011

Wärmewende

Verkehrswende

?Herausforderungen “Energiewende”

Quelle: BMU, BMWi Statistiken, 2012


Herausforderung nachhaltige Mobilität / Kraftstoffe

Biomasse -  Flächenpotential -  Akzeptanz / Nachhaltigkeit

(Tank-Teller)

Elektromobilität -  Reichweite -  Kosten

Strombasierte Kraftstoffe die Lösung? -  Power-to-Gas -  Power-to-Liquids


Herausforderung nachhaltige Mobilität / Kraftstoffe

Biomasse -  Flächenpotential -  Akzeptanz / Nachhaltigkeit

(Tank-Teller)

Elektromobilität -  Reichweite -  Kosten

Strombasierte Kraftstoffe die Lösung? -  Power-to-Gas -  Power-to-Liquids

Gesamtpotential Stromüberschüsse bei 100%: ca. 50 TWh 25 TWh Kraftstoff von heute ca. 700 TWh Bedarf


Weiterer Ausbau von Wind & Solar: Kernprobleme Fluktuationen & Akzeptanz

Landnutzung begrenzt -  Flächenpotential -  Akzeptanz -  Nachhaltigkeit Meer: größtes Flächenpotential für Erneuerbare -  Offshore-Windkraft -  Meeresströmungsturbinen

Fluktuationen, Anbindung, Potential }

Follow the wind Grundidee des neuen Konzepts:


Wie können wir

„dem Wind folgen“?

Bildquelle: Sylvia Riedl, pixelio.de


Segelenergie: Segeltechnik – ähnlich Windenergie

Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 43 Quelle: Sterner, Raith, 2013, www.segelenergie.de

Wind + Wasserkraft + Speicher = Segelenergie Zweck: Dem Wind folgen und Energie ernten


Segelenergie: Energieschiff mit Flettner-Rotoren

Quelle: Sterner, Raith, 2013, www.segelenergie.de


Segelenergie: Energieschiff der 2 – 5 MW Klasse

Konstante Ernte von Windenergie Hohe Auslastung der Anlagen


Segelenergie: Vergleich mit Windkraft an Land Jährliche Erträge 2011

5%-Anteil (34 500 GWh Biokraftstoffe) = 2,4 Mio. ha Energiepflanzen = ca. 90 000 Traktoren im Einsatz = 2 200 Energieschiffe @ 5 MW auf See (hypothetisch)

Welthandelsflotte: 100 000 Schiffe auf 36 000 Mio. Hektar à im Schnitt 1 Schiff auf gut 360 000 ha

Kraftstoff

Quelle: Berechnungen auf Basis v. Stat. des BMU, BMWi, BMELV


Segelenergie: Potentiale vorhanden

Quelle: www.segelenergie.de auf Basis von www.windatlas.dk

Routenoptimierung: 80% Auslastung (Wind Grundlast) Gestehungskosten H2: ab 16 Cent/kWh - derzeitiger Marktpreis: 33 ct./kWh


Segelenergie: Routen optimieren Beispiel 3 Monate-Fahrt – insg. 7000 h (80%) Auslastung

Quelle: www.segelenergie.de


0 1 2 3 4 50

10

20

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40

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70

80

elekt. Leistung in MW

Kos

ten

inC

ent

kWh

Optimum

Mittel

Segelenergie: Kosten nach Schiffsgröße

Auslastung: 4000-7500 h Invest: 8 – 40 M€ Abschreib.: 15 J. ROI 4%

Wasserstoff


Zusammenfassung neue Technik „Segelenergie“

Segelenergie Wind-Wasser-Speicher-System

Vorzüge Konstant Wind als Grundlast ernten Kombination bekannter Technologien

Nutzt großes ungenutztes Potential Keine Konkurrenz zu Nahrung / Futter

Kein Einfluss auf das Landschaftsbild Kein „Not in my backyard“

Impuls für den Schiffbau & Green Ships


Inhalt







Speicher im Kontext Energiewende Anteil EE 20% 35% 50% 65% 80%

Netze umbauen, Netze ausbauen, Energienetze koppeln

Power-to-Heat für Überschüsse einsetzen

Forschung, Entwicklung, Demoanlagen, Monitoring der Energiewende

Net

ze

Spe

iche

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Kraftwerke flexibilisieren

Erz

eugu

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Verb

rauc

h

Nachfrage flexibilisieren, Lastmanagement ausbauen

Pumpspeicher

Power-to-Gas


Weiterlesen


Zusammenfassung

n Energiewende möglich– technisch, ökonomisch, ökolog.

n Wind & Solar günstigste Quellen – Bedarf an Ausgleich

n Effizienz & Netzausbau vorrangig zu Speichern

n Neues Marktdesign & Rahmenbd. für Speicher notwendig (Speicher in Verantwortung der Netzbetreiber à weniger Redispatch)

n CO2 Bepreisung als Treiber für Speicher (Kauf: 100 € / t CO2 vs. Entsorgung in der Atmosphäre: 4 € / t CO2)

n Subventionen f. fossile Energie und Atomkraft beseitigen (EU: 100 Bio. €/a für fossil & nuklear vs. 30 Bio. €/a für Erneuerbare)


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Ab Anfang 2014

im Springer-Verlag

Sterner · Stadler

Energiespeicher

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Energiespeicher

Michael SternerIngo Stadler

Bedarf · Technologien · Integration


Kontakt

Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher (FENES) Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg + 49 – (0) 941 – 943 9888 michael.sterner @ hs-regensburg.de

www.segelenergie.de www.power-to-gas.de

Documents

Energiespeicher für die Energiewende Ringvorlesung ...€¦ · Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 54 Zusammenfassung n Energiewende möglich– technisch, ökonomisch, ökolog. n Wind &