Vor- und Nachteile verschiedener Prinzipien der ...crm.saena.de/.../2012-11_Energiespeicher_Schegner.pdf · Erzeugung und Eigenverbrauch mit Speicher Motivation 22.11.2012 Folie 4

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl für Elektroenergieversorgung

Vor- und Nachteile verschiedener Prinzipien der Speicherung elektrischer Energie

Sächsisches Fachsymposium ENERGIE

Prof. Dr.-Ing. Peter SchegnerDipl.-Ing. Max Domagk

• Motivation

• Einteilung von Speichersystemen

• Vergleich der Speichertechnologien

− Elektrisch

− Mechanisch

− Chemisch

• Zusammenfassung & Ausblick

Gliederung

22.11.2012 Folie 2

Erzeugung und Eigenverbrauch ohne Speicher

Motivation

22.11.2012 Folie 3

Verbrauch

PV-Erzeugung

Natürlicher Eigenverbrauch

Differenz zwischen Erzeugung und Eigenverbrauch

Erzeugung und Eigenverbrauch mit Speicher

Motivation

22.11.2012 Folie 4

Verbrauch

PV-Erzeugung

Natürlicher Eigenverbrauch

Speicherung

Eigenverbrauch aus Speicher

Einspeicherung überschüssiger Energie

Ausspeicherung bei vorhandenem Eigenbedarf

Technische und wirtschaftliche Systemoptimierung

• Betrieb von Inselnetzen und autarken Verbrauchern

• Ausgleich von Energieangebot und Energiebedarf

− Einspeicherung bei Schwachlastzeiten & Einspeisespitzen

− Spitzenlastregelung („Peak Shaving“)

Einteilung von Speichersystemen

22.11.2012 Folie 5

Einsatzmöglichkeiten

Gewährleistung der Versorgungssicherheit

• Frequenz- und Spannungshaltung in elektrischen Versorgungsnetzen

• Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)

Integration dargebotsabhängiger Energien und Elektromobilität

• Einbindung regenerativer Energieträger in bestehenden Versorgungsstrukturen

• Integration zukünftiger Mobilitätskonzepte


22.11.2012 Folie 6

Physikalisches Wirkungsprinzip

[1]


22.11.2012 Folie 7

Physikalisches Wirkungsprinzip

[1]

Anforderungen


22.11.2012 Folie 8

Vergleich der Speichertechnologien

22.11.2012 Folie 9


22.11.2012 Folie 10

Elektrische Speicher - Doppelschichtkondensatoren

• Auch Electric Double-Layer Capacitors, Superkondensatoren oder Supercaps

• Energiespeicherung im elektrostatischen Feld zwischen zwei Elektroden

• Hohe zyklische Lebensdauer

• Breiter Arbeitstemperaturbereich

• Kein Memoryeffekt

• Selbstentladung: bis zu 25 % in den ersten 48 h, danach sehr gering

Doppelschichtkondensatoren

22.11.2012 Folie 11

Vorteile Hohe Zykluszahlen, hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit, Schnellladefähigkeit, Tiefentladungsfestigkeit

Nachteile Hohe Selbstentladung, niedrige Energiedichte, hohe Kosten pro installierter Energie

Hauptanwendungen Frequenzregelung, Spannungsregelung, Spitzenlastregelung, unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), Hybridfahrzeuge

[4]

Doppelschichtkondensatoren

22.11.2012 Folie 12Richtwerte aus [1]


22.11.2012 Folie 13

Elektrische Speicher – Supraleitende Energiespeicher

Supraleitende Energiespeicher

22.11.2012 Folie 14

Vorteile Kurze Zugriffszeit auf hohe Leistungen, keine beweglichen Teile, Zuverlässigkeit

Nachteile Teure Rohstoffe für Supraleiter, hohe Selbstentladung, Kühlungsleistung benötigt: Kühlung, Schaltsystem und Umrichter

Hauptanwendungen Frequenzregelung, Spannungsregelung, Spitzenlastregelung

• Energiespeicherung im elektromagnetischenFeld einer supraleitenden Spule

• Supraleitung durch Kühlung unterhalbder Sprungtemperatur (z.B. 9 K für Niob-Titan) Verlust des elektr. Widerstandes

• Verlustlose Stromleitung ohne externe Energiezufuhr

• Selbstentladung: 10 %/Tag bis 15%/Tag[5]

Supraleitende Energiespeicher



22.11.2012 Folie 16

Mechanische Speicher - Schwungradspeicher

• Speicherung in Form kinetischer Energierotierender Körper

• Ladevorgang über Elektromotor

• Entladevorgang über Generatorbetriebdes Elektromotors

• Verwendung von mechanische oder magnetischen Lagernin Vakuumkammer

• Selbstentladung: 5 %/h bis 15 %/h

Schwungradspeicher

22.11.2012 Folie 17

Vorteile Kurzzeitspeicherung, geringe Betriebskosten und Wartungsanforderungen, Tiefentladungfestigkeit

Nachteile Hohe Lagerverluste bzw. benötigte Vakuumkammer, sehr hohe Selbstentladung, Betriebssicherheit

Hauptanwendungen Frequenzregelung, Spannungsregelung, Spitzenlastregelung, unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV),Nutzung von Bremsenergie in Elektrofahrzeugen

[6]

Schwungradspeicher



22.11.2012 Folie 19

Mechanische Speicher - Pumpspeicher

[7]

Pumpspeicherkraftwerke

22.11.2012 Folie 20

Vorteile Etablierte Technologie, geringe Selbstentladung, sehr lange Lebensdauer, Tiefenentladung, Anfahren von Kraftwerken möglich

Nachteile Lokale Voraussetzungen: benötigt 2 Speicherbecken mit deutlichem Höhenunterschied, geringe Energiedichte, hohe Investitionskosten

Hauptanwendungen Frequenzregelung, Spannungsregelung, Spitzenlastregelung, Lastausgleich, Schwarzstart

• Speicherung in Form potentieller Energie des Wassers

• Einspeicherung durch Pumpen des Wassers in das höher liegende Becken

• Ausspeicherung durch das Durchströmen einer Turbine, die einen Generator antreibt

• Fallhöhen deutscher Anlagen: 70 m bis 600 m

• Selbstentladung: 0,005 %/Tag bis 0,02 %/Tag

Pumpspeicherkraftwerke



22.11.2012 Folie 22

Mechanische Speicher - Druckluftspeicher

Druckluftspeicher

22.11.2012 Folie 23

Vorteile Volle Leistung schnell abrufbar, geringe Leckverluste, Anfahren von Kraftwerken möglich, lange Lebensdauer (ca. 25 Jahre)

Nachteile Geringer Wirkungsgrad, benötigt nutzbare Kavernen z.B. Salzkavernen, zusätzlicher Brennstoff (Erdgas)

Hauptanwendungen Frequenzregelung, Spannungsregelung, Spitzenlastregelung, Lastausgleich, Schwarzstart

• Speicherung durch Komprimieren von Umgebungsluft

• Einspeicherung der komprimiertenLuft in Kavernen (50 bar – 70 bar)

• Ausspeicherung durch Verbrennen derkomprimierten Luft zusammen mit Erdgasin Gasturbine Generator

• Verbrennung von Erdgas um Abkühlungseffektbei Druckabfall entgegenzuwirken

• Selbstentladung: 0,5 %/Tag bis 1 %/Tagadiabatischer Druckluftspeicher [1]

Druckluftspeicher



22.11.2012 Folie 25

Chemische Speicher - Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien

22.11.2012 Folie 26

Vorteile Hohe Energiedichte, lange Lebensdauer, Hohe Entladetiefe

Nachteile Keine hohen Lade- und Entladeströme, entflammbar, Packagingund Kühlung aufwendig, Einzelspannungsüberwachung

Hauptanwendungen Frequenzregelung, Spannungsregelung, Spitzenlastregelung, Lastausgleich, Elektromobilität, PV-Speichersysteme,Mobile Geräte mit hohen Energiebedarf

• Speicherung in Form von chemischer Energie

• AufbauPos. Elektrode: Li-Metalloxid

(z.B. LiMeO2)

Neg. Elektrode: Graphit

Elektrolyt: Li-Salze in organischenLösungsmitteln

Laden Entladen

• Selbstentladung: 5 %/Monat

[1]

Lithium-Ionen-Batterien



22.11.2012 Folie 28

Chemische Speicher - Blei-Säure-Batterien


• Klassischer Aufbau: 2 Blei-Elektroden und Schwefelsäure als Elektrolyt

Laden Entladen

• Pb + PbO2 + 2 H2SO4 2 PbSO4 + 2 H2O + elektrische Energie

• Selbstentladung: 0,1 %/Tag bis 0,4 %/Tag

Blei-Säure-Batterien

22.11.2012 Folie 29

Vorteile Geringe Selbstentladung, kein Memoryeffekt, technisch erprobt

Nachteile Ventilation aufgrund von Gasbildung, keine Schnell- und Tiefenentladung, Unfallgefahr (Auslaufen der Säure) Blei-Gel

Hauptanwendungen Frequenzregelung, Spitzenlastregelung, Inselnetze, PV-Speichersysteme, unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV),Elektroautos, Starterbatterien für Kraftfahrzeuge

[1]

Blei-Säure-Batterien



22.11.2012 Folie 31

Chemische Speicher – Hochtemperatur-Batterien

Hochtemperatur-Batterien

22.11.2012 Folie 32

Vorteile Hohe Energiedichte und Wirkungsgrad, kein Memoryeffekt, vernachlässigbare elektrochemische Alterung, Günstige Rohstoffe (NaS)

Nachteile Benötigt hohe Arbeitstemperatur zum Be- und Entladen, anfällig gegenüber Temperaturschwankungen, hohe Verluste

Hauptanwendungen Frequenzregelung, Spannungsregelung, Lastausgleich, Inselnetze, Elektromobilität, Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)


• Flüssige Elektroden und Festkörper-Elektrolyt

• Arbeitstemperatur bei 300 - 350°Czur Verflüssigung der Elektroden

• Heizung auch im ruhenden Betriebnotwendig

• Nur ein Anbieter weltweit (Japan)

• Selbstentladung: 10 %/Tag (kleine in Bereitschaft stehende Systeme)

Natrium-Schwefel-Batterien (NaS) [8]

Hochtemperatur-Batterien



22.11.2012 Folie 34

Chemische Speicher - Gasspeicher („power to gas“)

Gasspeicher - Wasserstoff

22.11.2012 Folie 35

Vorteile Speicherung großer Energiemengen, Wasser zur Herstellung frei verfügbar, Wasserstoffnutzung für andere Energiesektoren

Nachteile Benötigt Unterirdische Kaverne, Speicherung in Tanks kostspielig,geringer Wirkungsgrad, hohe Elektrolysekosten

Hauptanwendungen Saisonspeicher, Inselnetz

• Erzeugung von Wasserstoff mittels Stromdurch Elektrolyse

• Speicherung des verdichtetenWasserstoffs in z.B. Kavernen

• Entladevorgang durch Verbrennungs-turbinen oder Brennstoffzellenzur Verstromung

• Nutzung außerhalb des Stromsektorsmöglich z.B. zur Wärmeerzeugung

• Selbstentladung: 0,003%/Tag bis 0,03%/Tag

[1]

Gasspeicher - Wasserstoff


Gasspeicher - Methan

22.11.2012 Folie 37

Vorteile Hohe Speicherkapazität für Langzeitspeicherung, Mitnutzung des Erdgasnetzes, hohe Energiedichte

Nachteile Unterirdische Kaverne, oder Gasnetz-Anschluss, externe CO2-Quelle, geringer Wirkungsgrad, teurer als Wasserstoffspeicherung

Hauptanwendungen Saisonspeicher, Inselnetz

• Erzeugung von Wasserstoff mittels Stromdurch Elektrolyse

• Methanisierung von Wasserstoff und Kohlendioxid• Zusätzliche CO2-Quelle benötigt• Direkte Nutzung des Erdgasnetzes möglich• Entladevorgang durch Verbrennung

in Gasturbinen• ca. 3-fache Energiedichte

gegenüber Wasserstoff

• Selbstentladung: 0,003%/Tag bis 0,03%/Tag

[9]

Gasspeicher - Methan


Potentielle Rolle der Speichertechnologien

Zusammenfassung

22.11.2012 Folie 39

Kurzzeitspeicheranwendungen I („Sekunden bis Minuten“)• z.B. Doppelschichtkondensatoren, supraleitende Energiespeicher, Schwungräder• Anwendungen mit hoher Zyklusbelastung und Leistungsanforderungen Frequenz- und Spannungshaltung in elektrischen Versorgungsnetzen

Kurzzeitspeicheranwendungen II („Tagesspeicherung“)• z.B. große Vielfalt an Batterietechnologien, Pumpspeicher, Druckluftspeicher• Optimierung des Netzbetriebes, PV-Speichersysteme, E-Mobilität, USV Ausgleich von Energieangebot und Energiebedarf

(z.B. Last-, Einspeisespitzen, PV-Selbstversorgung)

Langzeitspeicheranwendungen („Wochen bis Monate“)• z.B. Pumpspeicher im Großmaßstab, Elektrolyse von Wasser bzw. Gasspeicher• Betrieb von Inselnetzen, bei hohem Anteil EE zur Überbrückung „dunkler Flaute“ Einbindung regenerativer Energieträger in bestehende Versorgungsstrukturen

Energiespeicher für die Energiewende

Ausblick

22.11.2012 Folie 40

• bis zu einem EE-Anteil von ca. 40% werden Speicher nur in geringem Umfang zur Einspeicherung von EE-Strom benötigt(Ausgleich durch geringe Abregelung der EE-Einspeisung)

• bei EE-Anteilen über 40% ist eine Kombination aus Kurz- und Langzeitspeicherung und Abregelung von EE-Anlagen empfehlenswert

• bei EE-Anteilen von 80%dienen Kurz- und Langzeitspeicher dem Klimaschutz

• bei Erhöhung der EE-Anteile von 80% auf 100%verdreifacht sich der Speicherbedarf

[2]

Ante

il er

neu

erbar

er E

ner

gie

n

40%

80%

100%

[1] SEFEP Studie: „Technology Overview on Electricity Storage”, ISEA RWTH Aachen, September 2012

[2] VDE Studie: „Energiespeicher für die Energiewende – Speicherbedarf und Auswirkungen für dasÜbertragungsnetz“, ETG-Task-Force Energieeinspeisung, Juni 2012

[3] TAB-Arbeitsbericht: „Energiespeicher. Sachstandsbericht zum Monitoring »NachhaltigeEnergieversorgung «“, D. Oertel, Büro für Technikfolgen-Abschätzungbeim Deutschen Bundestag (TAB), 2008

[4] http://www.maxwell.com, Maxwell Technologies

[5] http://buch.pege.org/groesenordnungen/aufbau-smes.htm

[6] http://www.beaconpower.com

[7] http://www.haustechnikdialog.de/SHKwissen/Images/Schema-Pumpspeicherwerk-VDE.jpg

[8] http://www.aktuelle-wochenschau.de/2010/w8/woche8.html

[9] http://co2speicher.co.funpic.de/images/Methan.png

Quellen

22.11.2012 Folie 41

Prof. Dr.-Ing. Peter SchegnerTU Dresden – IEEH

+49 351 463 34374

[email protected]

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

22.11.2012 Folie 42

Documents

Vor- und Nachteile verschiedener Prinzipien der ...crm.saena.de/.../2012-11_Energiespeicher_Schegner.pdf · Erzeugung und Eigenverbrauch mit Speicher Motivation 22.11.2012 Folie 4