Speichersysteme welcher Speicher für welches Einsatzgebiet · Aufgrund steigender Strompreise werden dezentrale PV-Speicher- Systeme in Privathaushalten aus betriebswirtschaftlicher

Speichersysteme – welcher Speicher

für welches Einsatzgebiet?

DI (FH) Sterrer Roland, MSc

Amstetten, am 27. November 2013

Energiezukunft Mostviertel - Klima- und Energiemodellregion Amstetten

2

FH Technikum Wien – Institut für Erneuerbare Energie:

Speichersysteme – welcher Speicher für welches Einsatzgebiet? – Roland Sterrer

Was machen wir?

• Bachelor-Studium "Urbane Erneuerbare

Energietechnologien" und Master-Studium

„Erneuerbare Urbane Energiesysteme"

• Angewandte F&E auf dem Gebiet der

Erneuerbaren Energie (nationale und EU-

Forschungsprojekte)

• Aktive Mitarbeit in Arbeitsgruppen der

Internationalen Energie Agentur (IEA)

sowie diversen Technologieplattformen

Unsere Themengebiete?

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Wichtige Technologiethemen -

Zukunftsmarkt Energiespeicher:

1. Mobile Internet

2. Automation of knowlege work

3. The internet of things

4. Cloud technology

5. Advanced robotics

6. Autonomous and near-autonomous vehicles

7. Next-generation genomics

8. Energy storage

9. 3D printing

10.Advanced materials

11.Advanced oil and gas exploration and recovery

12.Renewable energy Quelle: McKinsey Global Institute: “Disruptive technologies: Advances that will transform

life, business, and the global economy “, May 2013


4

Frequenzhaltung im Drehstromsystem:

Quelle: Gawlik, Wolfgang: „Systemübergreifende dezentrale Energiespeicher im

Universal Grid“, Konferenz Erneuerbare Energie Kärnten, Velden, November2013.


5

Fazit:

Das elektrische Energiesystem verfügt über

praktisch keine eigene Speichermöglichkeit.

Erzeugung und Verbrauch elektrischer Energie

müssen zu jedem Zeitpunkt genau übereinstimmen.

Die Bedeutung von Energiespeichern steigt mit

zunehmender Volatilität auf der Erzeugungsseite

(Wind- und Solarenergie).


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Elektrische Speicher

im Energiesystem der Zukunft:

Unumstritten ist, dass je höher der Anteil fluktuierender erneuerbarer

Energiequellen ist, umso mehr Speicherkapazitäten im E-Netz

integriert werden müssen. Der wissenschaftliche Diskurs über die

erforderlichen Speicherkapazitäten ist derzeit voll im Gange. (VDE-

Studie, Juni 2012)

Eine Versorgung mit elektrischer Energie aus überwiegend

erneuerbarer Energiequellen ohne Speicher wird weder wirtschaftlich

sinnvoll noch technisch möglich sein.

Energiespeicher nehmen im Energieversorgungs-

system der Zukunft somit eine Schlüsselstellung ein.


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Elektrische Speicher

im Energiesystem der Zukunft:

Die Integration von erneuerbaren Energie muss zukünftig durch

folgende Optimierung und Anpassungen des bestehenden Strom-

versorgungssystem unterstützt werden:

Erzeugung: Flexible konventionelle

Kraftwerke

Systemverantwortung

für Erneuerbare

Verbraucher: Lastmanagement

(z.B. DSM)

Netz: Netzoptimierung

Netzausbau

Speicher: Kurz- & Langzeitspeicher

zentrale & dezentrale

Speicher

stationäre & mobile

Speicher

Smart Grid


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Dienstleistungen von Speichersystemen:

Netzsicherheit (Stabilität, Bereitstellung

von Regelleistung,…)

Versorgungs-

sicherheit (Spannungsqualität)

Last- und Erzeugungs-

Management (Spitzenreduktion, Vermeidung von

Engpässen und Überbelastungen)

Energie-

Speicher


9

Einsatzort und Nutzen von Energiespeichern:

Energiemanagement

Versorgungsqualität

Netz Kunde

Bilanzkreis Regelzone Prozess Kunde

Prozessoptimierung,

Prozessstörung

Energieoptimierung,

Bezugsleistung,

Netzanschluss

Prognose-

Abweichungen

Regelleistung,

Reserveleistung,

Erzeugungs-

Ausgleich


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Spektrum des Speichereinsatzes:

große Leistung große Kapazität

Versorgungsqualität Energiemanagement

Sekunden:

•Spannungsregelung

•Blindleistungsregelung

•Primär- &

Sekundärregelenergie

Minuten: Stunden

•Sekundär- &

Tertiärregelenergie

•Unterbrechungsfreie

Stromversorgung

•Blackstart

•Load shifting

•Peak shaving

•Energiehandel

•Integration von

erneuerbare Energie

•Inselbetrieb


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Möglichkeiten zur Stabilisierung des

Übertragungs- und Verteilernetzes:

380 kV

110 kV/220 kV

Übertragungs-

netz

10 - 30 kV

400 V

Verteilungs-

netz Speicher

Netzausbau DSM

Vehicle-to-Grid


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Dezentrale Speicher in Verteilnetzen:

Prioritär ist grundsätzlich die Erhöhung der Energieeffizienz, erst

danach sollen Maßnahmen zur Erhöhung des Eigenverbrauches

durch Lastverschiebung und Speicherung umgesetzt werden (z.B.

Energiemanagementsystem).

Eine dezentrale, also erzeugungs- bzw. und verbrauchernahe

Speicherung hat den wesentlichen Vorteil von niedrigen Transport-

Verlusten sowie Vermeidung/Reduzierung des Netzausbaus.

Aufgrund steigender Strompreise werden dezentrale PV-Speicher-

Systeme in Privathaushalten aus betriebswirtschaftlicher Sicht des

Einzelnen zunehmend interessanter.

Jedoch ist der volkswirtschaftliche Nutzen von dezentralen

Speichern zur Erhöhung des Eigenverbrauches umstritten; gezielte

Regelungen sind erforderlich, um damit auch eine Entlastung in

Verteilnetzen zu erreichen (Systemdienstleistungen).


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Konventioneller Speichereinsatz:

Quelle: Energie-Forschungszentrum Niedersachsen :”Studie Eignung von

Speichertechnologien zum Erhalt der Systemsicherheit“, März 2013


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Netzoptimierter Speichereinsatz:

Quelle: Energie-Forschungszentrum Niedersachsen :”Studie Eignung von

Speichertechnologien zum Erhalt der Systemsicherheit“, März 2013


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Machbarkeit

Wir

tschaftlic

hkeit


Wirtschaftlichkeit von Energiespeichern:

Spannungsstabilisierung Vermeidung

Netzausbau

Off-Grid (Insel-

Anwendungen)

Einfamilienhaus

Anwendungen

Preis-Abitrage zentral

dezentral

zentral & dezentral

Regelenergie

Industrielles

Peak-Shaving

Marktvolumen:

Erzeugungs-

Stabilisierung

Black-Start

Anwendungen

>50

Mrd €

25- 50

Mrd €

<25

Mrd €

Quelle: The Boston Consulting Group: “Revisiting Energy Storage – There is a Business Case”, Februar 2011

schwierig leicht

ge

rin

g

ho

ch

Schwungmassen-

speicher

16

Einsatzbereiche elektrischer Energiespeicher:

1 kW 10 kW 1 MW 10 MW 100 MW 100 kW 1000 MW

Kondensatoren Supra-

leitende

Spulen

Flow-Batterien

Batterien

Wasserstoff / Methan

(Power-to-Gas)

Druckluft-

speicher

Pump-

speicher

mechanische Speicher

elektrochemische Speicher

elektrische Speicher

Sekunden

M

inute

n

Stu

nden

Tag /

Monate

Quelle: Neubarth, Jürgen: Integration erneuerbarer Energien in das

Stromversorgungssystem, in Energiewirtschaftliche Tagesfragen 8/2011


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Weltweit installierte Speicherkapazitäten (Stand 2012):

Quelle: Fraunhofer Institut, EPRI, , Pr. Nat. Sci. 19 (Chen et.al), ABB


18

Bedeutung von Pumpspeicherkraftwerken

in Österreich (Stand 2012):

Quelle: Gruber, Heinz: „Österreichs Wasserkraft in der Speicherwelt von morgen“, Konferenz Erneuerbare Energie Kärnten, Velden, 2013.


19

Speichertechnologien:

Quelle: Kloess, Maximilian: „Wirtschaftliche Bewertung von Stromspeichertechnologien”; 12. Symposium Energieinnovation, Graz, 2012

Adiabater

Druckluftspeicher:

(Advanced Adiabatic-

Compressed Air Energy

Storage – AA-CAES)

Diabater

Druckluftspeicher :

(Compressed Air Energy

Storage – CAES)


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Power-to-Gas:

Quelle: Kloess, Maximilian: „Wirtschaftliche Bewertung von Stromspeichertechnologien”; 12. Symposium Energieinnovation, Graz, 2012

Wasserstoffspeicher:

Methanspeicher:


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Technologien – elektrochemische Speicher:

1. Blei-Säure Batterie (Pb-Säure Batterie)

2. Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ionen):

• Nano-Phosphat-Lithium-Ionen (LiFePO4)

• Lithium-Ion-Polymer

• Lithium-Titanat

3. Redox-Flow Batterien:

• Eisen-Chrom

• Vanadium Redox Flow

• Vanadium-Brom Redox Flow

• Natrium-Polysulfid-Bromid

4. Hybrid Flow Batterien:

• Zink-Brom

• Cer-Zink

5. Metall-Luft Batterien: Zink, Aluminium, Magnesium-Luft

6. Nickelbasierte Batterien: z.B. Ni-Cd, Ni-MH, Ni-Zn

7. Flüssigmetall-Batterien (Hochtemperaturbatterien)

• Natrium-Schwefel (NaS)

• Natrium-Nickel-Chlorid (Na-NiCl - ZEBRA-Batterie)

Quellen:

Oertel, Dagmar :”Energiespeicher –Stand

und Perspektiven”, Sachstandsbericht zum

Monitoring »Nachhaltige

Energieversorgung«, 2008

Felberbauer, K.P.. et al.:

“ENERGIESPEICHER DER ZUKUNFT

Energiespeicher für erneuerbare Energie

als Schlüssel-Technologie für zukünftige

Energiesysteme”, Endbericht FFG-Projekt

Nr.: 821935, 2012


22

Topologie von Batteriespeichersystemen:

Futamata 51 MW

Windanlage mit 34 MW

Natrium-Schwefel-

Batterien,

am Netz seit 2008,

Japan Wind

Development Co.


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Vanadium-Redox-Flow-Batterie:

Die elektrochemischen Reaktionen (Redox-Reaktion):

1

2

Reduktion

Oxidation

1 2 2

Größe: 4,5 x 2,2 x 2,4 m (L x B x H)

Gewicht: 10.300 kg

Tankvolumen: 2 x 2.500 l

1

Quelle: Cellstrom


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Multifunktionales Batteriespeichersystem:

Das netzgekoppelte elektrische Energiespeichersystem besteht aus:

Vanadium-Redox-Flow Batterie (VRF-Batterie): Cellstrom FB10/100

(Nennspeicherkapazität von 100 kWh)

PV-Anlage mit insgesamt 15 kWPeak

Kleinwindkraftanlage (KWKA) mit 1,5 kW Nennleistung


Sterrer, R. et al.(2013): Multifunktionales Batteriespeichersystem – MBS; Endbericht, Industrielle Forschung im

Rahmen der österreichischen Programmlinie Neue Energie 2020, 3. Ausschreibung

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Kenngrößen Batteriespeichersystemen (1):


Parameter Einheit Erläuterung

Speicherkapazität [J] oder [Wh] Gibt die nutzbare Energie eines Energiespeichers in

Joule [J] oder Wattstunden [Wh] an.

Speicherleistung [W] Gibt die maximale abrufbare Energie eines Energie-

speichers pro Zeiteinheit an. Ihre Einheit ist das Watt [W].

Wirkungsgrad [%] Gibt das Verhältnis von abgegebener zu zugeführter

Leistung für einen stationären Zustand eines Energie-

speichers an. Er ist ein Maß für die Energieeffizienz und

den notwendigen Ressourceneinsatz. Er wird häufig in

Prozent angegeben.

Nutzungsgrad [%] Gibt das Verhältnis von abgegebener zu zugeführter

Energie über einen bestimmten Zeitraum an und wird

auch in Prozent angegeben.

Be- und

Entladezeit

Sekunden, Stunden,

Wochen , Monate

Gibt die Zeit an, die benötigt wird, um eine bestimmte

Energiemenge zuzuführen oder zu entnehmen.

Speicherzyklus Sekunden, Stunden,

Wochen, Monate

Die Dauer eines Speicherzyklus ergibt sich aus der

Summe von Lade-, Halte- und Entladezeit.

Entladetiefe [%] Gibt die maximal entnommene Energiemenge eines

Zyklus bezogen auf die Speicherkapazität in Prozent an.

Quelle: : Felberbauer, K.P. et al. “ENERGIESPEICHER DER ZUKUNFT Energiespeicher für erneuerbare Energie als Schlüssel-

Technologie für zukünftige Energiesysteme”, Endbericht FFG-Projekt Nr.: 821935, 2012

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Kenngrößen Batteriespeichersystemen (2):

Quelle: Felberbauer, K.P. et al.: “ENERGIESPEICHER DER ZUKUNFT Energiespeicher für erneuerbare Energie als Schlüssel-



Parameter Einheit Erläuterung

Verluste [%/Tag] Verluste können bei der Ladung und Entladung auftreten und treten

meist zeitabhängig als Selbstentladeverluste auf. Sie werden oft in

Prozent pro Zeitintervall angegeben.

Zugriffszeiten Millisekunden,

Sekunden Minuten

Beschreiben die Zeitspanne, in der das System in der Lage ist, 50

% seiner Leistung abzugeben.

Volumetrische &

gravimetrische

Energiedichte

[Wh/l], [Wh/kg] Gibt das Verhältnis des nutzbaren Energieinhalts zu seiner Masse

oder seinem Volumen an. Dementsprechend spricht man von der

spezifischen gravimetrischen [Wh/kg] bzw. von der volumetrischen

Energiedichte [Wh/l].

Leistungsdichte [W/l], [W/kg]

Gibt das Verhältnis der maximalen Entladeleistung bezogen auf die

Masse [W/kg] oder das Volumen [W/l] des Speichermediums an.

Lebensdauer Zyklenzahl, Tage,

Monate, Jahre

Die Zyklenlebensdauer wird angegeben, wenn bei den Lade- und

Entladeprozessen Verschleißerscheinungen auftreten. Die

kalendarische Lebensdauer wird verwendet, wenn bei einem

System auch ohne Nutzung Verschleiß auftritt bzw. die typische

Zyklenzahl nicht der begrenzende Faktor für die Lebensdauer ist.

Leistungsgradient [W/s] Gibt an wie schnell ein System seine Leistungsabgabe variieren

kann. Er wird in der Einheit [W/s] angegeben.

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Vergleich von Batteriespeichern:

Quelle: : Felberbauer, K.P. et al. “ENERGIESPEICHER DER ZUKUNFT Energiespeicher für erneuerbare Energie als Schlüssel-



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Vergleich Investitionskosten von Batteriespeichern:

Quelle: : Felberbauer, K.P. et al.: “ENERGIESPEICHER DER ZUKUNFT Energiespeicher für erneuerbare Energie als

Schlüssel-Technologie für zukünftige Energiesysteme”, Endbericht FFG-Projekt Nr.: 821935, 2012


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Vergleich Speicherwirkungsgrad von Batteriespeichern:

Quelle: Felberbauer, K.P. et al: “ENERGIESPEICHER DER ZUKUNFT Energiespeicher für erneuerbare Energie als

Schlüssel-Technologie für zukünftige Energiesysteme”, Endbericht FFG-Projekt Nr.: 821935, 2012


30 Speichersysteme – welcher Speicher für welches Einsatzgebiet? – Roland Sterrer

Vergleich der spezifischen Speicherkosten

von Speichertechnologien:

Quelle:

http://www.electricitystorage.org

31 Speichersysteme – welcher Speicher für welches Einsatzgebiet? – Roland Sterrer

Vergleich der Energiedichte von

Speichertechnologien:

Quelle:

http://www.electricitystorage.org

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• Pumpspeicher:

Im großen Leistungsbereich ökonomisch attraktivste Option (hoher

Wirkungsgrad, geringe kapazitätsabhängige Investitionskosten), in Osterreich

noch Potentiale vorhanden; Projekte jedoch hart an der

Wirtschaftlichkeitsgrenze (sinkende Ertrage 2007-2011).

• Adiabate Druckluftspeicher (AA-CAES):

Neue Technologie, Investitionskosten werden für die Wirtschaftlichkeit

entscheidend sein (Standort, Entwicklung der Technologie).

• Elektrochemische Speicher (NaS, Redox Flow, Li-Ionen):

hohe kapazitätsabhängige Investitionskosten, für Preisarbitrage nicht

geeignet, bei Regelenergie in Österreich starke Konkurrenz durch

Pumpspeicher, derzeit in Österreich nur wenige Anwendungen (z.B.

Energiemanagement) wirtschaftlich.

• Wasserstoff- und Methanspeicher (power-to-gas):

geringer Wirkungsgrad; als Tages- & Wochenspeicher ungeeignet evtl. als

Jahres-/Saisonspeicher geeignet, Investitionskosten und Großhandelspreis-

Verlauf werden entscheidend sein.

Zusammenfassung Technologievergleich:


Quelle: Felberbauer, K.P. et al.: “ENERGIESPEICHER DER ZUKUNFT Energiespeicher für erneuerbare Energie als Schlüssel-


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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

DI (FH) Roland Sterrer, MSc. Fachhochschule Technikum Wien

Institut für Erneuerbare Energie

Giefinggasse 6

A-1210 Wien

Tel.: +43-(1)333-40-77-577

Mobil: +43-(0)680-1340063

E-mail: [email protected]

mailto:[email protected]



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