15.02.2017

Projekt HD-StoreTechnologiestudie und Einsatzgebiete

eines dezentralen Hydraulik-Druckgas-

Speichers

IEWT 2017

Hermann Edtmayer

Wien, 15.02.2017

15.02.2017

Pariser Klimakonferenz 2015

Reduktion globale Erwärmung auf < 2 Grad Celsius

Energie aus erneuerbaren Quellen notwendig

HD-Store

Einleitung

Folie 2

Bildquelle: AAR14

15.02.2017

Stromproduktion aus volatilen Quellen

Fluktuation der Erzeugung

Offset von Erzeugung und Verbrauch

Einsatz Stromspeichern notwendig

Dezentrale Stromspeicher als Teil der Lösung

HD-Store

Einleitung

Folie 3

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

00:00 06:00 12:00 18:00

Last

/ E

rzeu

gun

g [k

W]

Photovoltaik [kW]

Last [kW]

15.02.2017

Dezentrale mechanische Stromspeicher

Z.B.: Druckgasspeicher, Schwungradspeicher

Vorteile

Lebensdauer, Zyklenzahl

Speicherleistung

Problemlose Tiefenentladung

Genaue Speicherstandsbestimmung

Verfügbare Materialien

Recycling

Nachteile

Entwicklungsstand

Kosten

Energiedichte

Wirkungsgrad

HD-Store

Einleitung

Folie 4

Quelle: Roth Hydraulics GmbH

DC

DC

DC

AC

PV Panel

Verbraucher

Netz

Frequenz-umrichter

Controller

Solar-Wechselrichter

MMP-Tracker

Wechsel-richter

Energiespeicher

15.02.2017

HD-Store

Luftspeichersysteme

Folie 5

komprimierte LuftCAES

verflüssigte LuftLAES

diabatD-CAES

adiabatA-CAESU-CAES

isothermI-CAES

LuftspeicherAES

Quelle: eigene Darstellung nach Sterner & Stadler, 2014 Diabate Druckluftspeicher

Vollständige Rückkühlung der Kompressionswärme

und Zusatzfeuerung bei der Expansion

Adiabate DruckluftspeicherZwischenspeichern der Kompressionswärme

in regenerativen, thermischen Speichern

Isotherme DruckluftspeicherVerdichtung und Expansion bei

konstanter Temperatur

Luftspeicher (Air Energy Storage - AES)

Komprimierte Luft (Compressed AES)

Verflüssigte Luft (Liquid AES)

15.02.2017

Idee:

Isothermer Druckgasspeicher

Verdichtung und Expansion über hydraulische Maschine

Anwendungsgebiete:

Dezentraler Speicher für erneuerbare Energien

Spitzenlastmanagement

Erhöhung Eigenverbrauchsanteil & Autarkiegrad

Ziele:

(1) Technologische und ökonomische Machbarkeitsstudie

(2) Low-tech & low-cost Zugang

(3) Entwicklung eines dynamischen Speichereinsatzmodells

(4) Gegenüberstellung von Technologielösungen für Einsatzszenarien

- Start: 06/2015 - Laufzeit: 18 Monate - Sondierung, Energieforschung 2015

HD-Store

Projekt HD-Store

Folie 6

15.02.2017

HD-Store

Simulationsmodell

Folie 7

Simulationsmodell in Matlab-Simulink Erzeuger - Verbraucher = Residualleistung

Regelung: Residualleistung in Speicher oder Netz

E-Maschine + Frequenzumrichter

Hydraulikmaschine

Druckgasspeicher: isotherme Verdichtungsarbeit 𝑊12,𝑖𝑠𝑜𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚 = 𝑝1𝑉1 ln𝑝2

𝑝1

Erzeuger

Verbraucher

Regelung

Netz

+-

E-Maschine H-Maschine

Druckgasspeicher

Elektrische LeistungMechanische LeistungHydraulische Leistung

HDS-SystemErzeuger

Verbraucher

Regelung

Netz

+-

E-Maschine H-Maschine

Druckgasspeicher

Elektrische LeistungMechanische LeistungHydraulische Leistung

HDS-System

15.02.2017

HD-Store

Speichervorauslegung

Folie 8

Messdaten in ¼-Stundenwerten PV-Erzeugung und Last

Einfaches Speichermodell ohne Wirkungsgradkette

Parametervariation von Kapazität und Leistung

Auswertung nach Autarkiegrad und Eigenverbrauchsanteil

0,63@10 kW & 50kWh

0,65@10 kW & 50 kWh

Leistung [kW]

Kapazität [kWh]

Autarkiegrad Eigenverbrauchsanteil

Leistung [kW]

Kapazität [kWh]

15.02.2017

HD-Store

Konzeptentwurf

Folie 9

Hydrauliköl Reservoir

Frequenzumrichter Regel- und

Leistungselektronik

Quellen (PV, Wind, ...)Senken

(Haushalt, ...)

Stromnetz

Hydraulikpumpe/ -Motor

Kolbenspeicher

E-Maschine

Ga

sfed

er

Ga

sfed

er

Ga

sfed

er

Ga

sfed

er

Ga

sfed

er Quelle: Roth Hydraulics GmbH

Quelle: Bosch Rexroth GmbH)

Quelle: Siemens AG

Quelle: Haberkorn GmbH)

Druckgasspeicher: Kolbenspeicher + Gasflaschen

Geschlossene Ausführung

Vorspannung 130 bar

Maximaldruck 350 bar

Hydraulikeinheit: Axialkolbenmaschine

variables Schluckvolumen

Ölreservoir

E-Maschine: Asynchronmaschine

umrichteroptimiert

Frequenzumrichter: rückspeisefähig

mit Steuereinheit

Einhubsystem: Gesamte Speicherarbeit mit einem Zylinderhub

Standardkomponenten: Bauteile aus Klein- oder Großserie

15.02.2017

Einspeichern

Ausspeichern

Betriebspunkverteilung im

Wirkungsgradkennfeld

Einspeichern und Ausspeichern

Jahressimulation

¼-Stundenwerten

Wirkungsgradkette

Abbildung der Komponenten

über Kennfelder

HD-Store

Gesamtsimulation

Folie 10

Quelle: ABB

15.02.2017

HD-Store

Ergebnisse

Folie 11

Einsparungspotential Wirkungsgrad Eigenverbrauchsanteil Autarkiegrad

Haushalt klein 23,8% 56,2% 67,0% 50,6%

Mehrparteien-

wohnhaus29,6% 53,3% 81,3% 57,4%

Bürogebäude 24,7% 59,8% 76,6% 61,7%

Einsatzszenarien

Haushalt klein: 2 Erwachsene, 3.860 kWh/a; Speicher: 5,5 kW & 4,94 kWh

Mehrparteienwohnhaus: 6 Wohneinheiten, 23,7 MWh/a; Speicher: 10 kW & 50,1 kWh

Bürogebäude: 1400 m2 Bruttogebäudefläche, 46,1 MWh/a; Speicher: 15,7 kW & 59,7 kWh

Photovoltaik

Jährliche Erzeugung und Verbrauch im Verhältnis 1/1

Energiepreise

Einkauf: 20 Cent & Verkauf: 4 Cent

Einsparungspotential Wirkungsgrad Eigenverbrauchsanteil Autarkiegrad

Haushalt klein 23,8% 56,2% 67,0% 50,6%

Mehrparteien-

wohnhaus29,6% 53,3% 81,3% 57,4%

Bürogebäude 24,7% 59,8% 76,6% 61,7%

15.02.2017

Wirtschaftliche Betrachtung: Kostenfaktoren für den Konzeptentwurf des HDS-Systems mit 5 kWh und 5,5 kW

HD-Store

Ergebnisse

Folie 12

Gasflaschenregister komplett 20 €/l Preisangebot Hersteller

Kolbenspeicher 47 €/l Preisangebot Hersteller

Stahltank Öl 4 €/l Katalogpreis

Ölwanne für Stahltank 5,7 €/l Katalogpreis

Hydrauliköl 1,65 €/l Katalogpreis

Verrohrung Öl 150 € Schätzung

E-Maschine 5,5kW 1.310 € Katalogpreis

Frequenzumrichter 1.670 € Katalogpreis

Axialkolbenmaschine variabel 5.104 € Katalogpreis

Gesamtkosten (isotherm) 66.323 €

Spezifische Kosten 13.265 €/kWh

Anteil Speicherleistung 12,4%

Anteil Speicherkapazität 87,6%

Gasflaschenregister komplett 20 €/l Preisangebot Hersteller

Kolbenspeicher 47 €/l Preisangebot Hersteller

Stahltank Öl 4 €/l Katalogpreis

Ölwanne für Stahltank 5,7 €/l Katalogpreis

Hydrauliköl 1,65 €/l Katalogpreis

Verrohrung Öl 150 € Schätzung

E-Maschine 5,5kW 1.310 € Katalogpreis

Frequenzumrichter 1.670 € Katalogpreis

Axialkolbenmaschine variabel 5.104 € Katalogpreis

Gesamtkosten (isotherm) 66.323 €

Spezifische Kosten 13.265 €/kWh

Anteil Speicherleistung 12,4%

Anteil Speicherkapazität 87,6%

15.02.2017

Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)

Kompensation von Netzausfällen

Schnelle Reaktionszeit notwendig

Lange Standzeiten mit voller Ladung

HDS-System

Überbrückung der Anfahrtszeit des Dieselgenerators

Sehr geringe Standby-Verluste

Hohe Leistungsspitzen und -gradienten möglich

Lange Lebensdauer

Geringer Wartungsaufwand

HD-Store

Ergebnisse

Folie 13

Leistung 200 kW für 10 Sekunden

Energieinhalt 0,7 kWh

Summe Kosten Einzelkomponenten 16.950 €

Spezifische Kosten 85 €/kW

Wirkungsgrad 80 %

15.02.2017

Systemzusammenstellung aus Standardkomponenten wie

angedacht möglich

Für sinnvolle Speicherkapazitäten bei dezentralen

Speicheranwendungen Systemkosten sehr hoch

Speicherstation (Gasflaschen, Kolbenspeicher) die kritische

Kostenkomponente

Entwicklungspotential bei Eigenbau von Kolbenspeicher und

Gasspeicher

weiterer F&E Bedarf

HDS-System mit aktuellen Standardkomponenten für

USV-Anwendung am vielversprechendsten einsetzbar

HD-Store

Zusammenfassung & Ausblick

Folie 14

Logo

FördergeberDieses Projekt wurde aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert

und im Rahmen des Energieforschungsprogramms 2016 durchgeführt.

Weiterführende Informationen:http://www.4wardenergy.at/hd-store

Dr. Hermann Edtmayer4ward Energy Research GmbH

Reininghausstraße 13A/EG/17

A-8020 Graz

e: hermann.edtmayer@4wardenergy.at

t: +43 664 889 29 638

w: www.4wardenergy.at