Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern für elektrische Energie Dirk Uwe Sauer email: [email protected]Professur für Elektrochemische Energiewandlung & Speichersystemtechnik Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) RWTH Aachen Tagung der Europäischen Akademie Bad Neuenahr-Ahrweiler Sichere Stromversorgung und Erneuerbare Energien Bonn, 25.03.2010
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Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern für elektrische Energie
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Folie 1125.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
SchwungradspeicherSpeicherung der Energie in rotierender Masse 2
21 wME ⋅⋅=
Rotationskörper aus sehr zugfestem MaterialBegrenzung der Rotationsgeschwindigkeit durch MaterialeigenschaftenKlassen von Schwungrädern ~ 5.000 min-1, ~ 25.000 min-1, ~ 100.000 min-1
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Batterietechnologien
NaS / NaNiCl
NiCd Bleisäure
-
Zn
Anolyte Catholyte
Zn++
2e- 2e-
Br-¯
Br-¯
Br2
Anode CathodeSeparator
+-
Zn
Anolyte Catholyte
Zn++
2e- 2e-
Br-¯
Br-¯
Br2
Anode CathodeSeparator
+Zink-Brom
electrolyte I electrolyte II
pump pump
elec
troly
te ta
nk
membrane
electrode
+
charge / discharge
elec
troly
te ta
nk
electrolyte Ielectrolyte I electrolyte IIelectrolyte II
pump pump
elec
troly
te ta
nk
membrane
electrode
+
charge / discharge
elec
troly
te ta
nk
Redox-flowLithium-Ionen
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Folie 1325.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Blei-Säure-Batterie
Große Zahl Installationen weltweit,erprobte Technologien von zahllosen Herstellern kommerziell angebotenWirkungsgrad 80 – 90%
Resümee: + Erfahrene und sichere
Technologie– Lebensdauer, Gewicht
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Hochtemperatur-Batterien
NaS: in Japan kommerziell für stationäre Anlagen genutztNaNiCl: überwiegend im mobilen Bereich Jeweils nur ein Anbieter pro TechnologieWirkungsgrad 70 – 85%Kosten derzeit 300 - 500 €/kWh im SystemBetriebstemperatur 300°C, thermische Verluste einer ZEBRA-Batterieca. 100 W
Resümee: + Gute Zyklenlebensdauer– Jeweils nur ein Anbieter, thermisches
Management aufwändig
NaS
NaNiClSource: NGK, MES-DEA
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Natrium-Schwefel – Anwendungsbeispiel
NaS-Batteriesystem für “Load Levelling” in TokyoKostenersparnis durch geringere Stromabnahme zu SpitzenlastzeitenLeistungsdaten
2 MW 1165 V DC40 Module (12 800 Zellen)> 136 T Gewicht
günstigerer Nachtstrom
nachts (laden)
nachts(laden)
tagsüber(entladen)
nach Installation der NaS-Batterie
vor Installation der NaS-Batterie
Reduzierung des Spitzenbedarfs (NGK / TEPCO)
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Lithium-Ionen-Batterie
Neue TechnologieStark im Bereich mobiler EndgeräteGroße Zahl von Materialvariantenund HerstellernWirkungsgrad 90 – 95%
Resümee: + Gute Zyklenlebensdauern,
hoher Wirkungsgrad, hohe Leistungsdichte, viele Anwendungsbereiche
– Kosten, Sicherheit
Charge
Oxygen anionMetal cationLithium cation
GraphitePassive layer
Graphite
ElectrolyteSeparator
Charge
Oxygen anionMetal cationLithium cation
GraphitePassive layer
Graphite
ElectrolyteSeparator
Discharge
Oxygen anionMetal cationLithium cation
GraphitePassive layer
Graphite
ElectrolyteSeparator
Discharge
Oxygen anionMetal cationLithium cation
GraphitePassive layer
Graphite
ElectrolyteSeparator
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Gravimetrische Leistungsdichte vs. Energiedichte(Leistungs- und Energiedichten spezifischer Produkte aus Datenblättern und eigenen Messungen)
Spezifische Energie in Wh/kg (Zellebene)
Spe
zifis
che
Leis
tung
in W
/kg
(Zel
lebe
ne)
1
10
100
1,000
10,000
100,000
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Blei
Blei „spiralwound“
NiCd
NiMH
LiM-Polymer
SuperCap
NaNiCl2“Zebra”
Li-IonHigh
Energy
Li-IonHigh Power
Li-IonVery High Power
Quelle Ragone Plot: Saft
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Redox-flow-Batterien (Vanadium)
Demonstrationsanlagen im Feld, auf dem Weg in die Kommerzialisierungzwei bis drei kommerzielle AnbieterWirkungsgrad 60 – 75%Nur eingeschränkt USV-fähig
Resümee: + Energie und Leistung sind
separat auslegbar,gute Zyklenlebensdauer
– Vanadium ist teuer, andere Materialien müssen zur Kommerzialisierung gebracht werden
electrolyte I electrolyte II
pump pump
elec
troly
te ta
nk
membraneelectrode
+
charge / discharge
elec
troly
te ta
nk
electrolyte Ielectrolyte I electrolyte IIelectrolyte II
pump pump
elec
troly
te ta
nk
membraneelectrode
+
charge / discharge
elec
troly
te ta
nk
Bild: www.vrbpower.com
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Folie 1925.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Übersicht
„Leistungsspeicher“BatteriespeichertechnologienGroßspeichertechnologienKostenberechnungAlternative Konzepte zur Energiespeicherung Technologieszenario
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Folie 2025.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Technologien für zentrale Großspeicher
Pumpspeicher
Druckluft (mit und ohne Wärmespeicher)
Wasserstoff mit Kavernenspeichern
1.)
2.)station
cavern storage
salt dome
Abbildung: KBB
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
„Nachrüstung“ von bestehenden Speicherseen mit Pumpoption
Nutzung der großen Kapazitäten in bestehenden SpeicherseenNachrüstung von PumpsätzenEvaluation des Potentials notwendig – kritischer Punkt ist die Erreichbarkeit eines geeigneten Unterwassers
Stausee mit natürlichem Zulauf
FlussoderSeeDistanz & Kosten ?
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Folie 2325.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Druckluftspeichersystem (adiabatisches CAES)
Entwicklungsgegenstand
größter Nachteil
Invest.-KostenSpeichermedium
Leistung
Entladedauer
Wirkungsgrad
10 - 20 €/kWh
Geeignete geolo-gische Formation
100 MW bis 1 GW
Stunden bis Tage
max. 70%
Bild: AlstomPicture: KBB
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Wasserstoffspeicher im Druckkaverne
Einzig realistische Technologiefür Speichersysteme im 100 GWhBereich
größter Nachteil
Invest.-KostenSpeichermedium
Leistung
Entladedauer
Wirkungsgrad
0,2 – 0,5 €/kWh
Geringer Wirkungsgrad
10 kW bis 1 GW
Stunden - Wochen
~ 40 %
Bild: http://www.greencarcongress.com
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Warum ist Wasserstoff die einzige Alternative als Langzeitspeicher?
Typische Investitionskosten bei Batterien zwischen 100 und 500 €/kWh
Komprimierter Wasserstoff in Salzkavernen liegt im Bereich von 0,25 € / kWh
(∆p = 100 bar, η = 50%)
Wasserstoff ist für Kurzzeitspeicherungwg. des geringen Wirkungsgrad uninteressant
1.)
2.)station
cavern storage
salt dome
LüftungsanlageAnlagensteuerung
Batteriestrangtrenner
Batteriestrang
Entlüftung
Belüftung30 kV-Anbindung
TransformatorGlättungsdrosseln
SchaltgeräteDatenerfassung
BatteriestrangsteuerungStromrichter
Baujahr 1986 im Inselnetz Berlin17 MW, 14 MWh7080 Zellen mit 2V / 1000 Ah
Wirtschaftlicher Betrieb nur bei häufigem Energiedurchsatz oder sehr geringen Investitionskosten
Langzeitspeicherung bedeutet weniger als einen Zyklus pro Woche
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Übersicht
„Leistungsspeicher“BatteriespeichertechnologienGroßspeichertechnologienKostenberechnungAlternative Konzepte zur Energiespeicherung Technologieszenario
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Folie 2725.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Überblick zu unterschiedlichen Batterietechnologien
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Folie 4025.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
2 4 6 8 10 12 14Capital costs, %
Tota
l cos
t per
kW
h th
roug
htpu
t, re
late
d to
bes
t cas
e
Ref.-Fall „Langzeitspeicher“ – Pumpspeicher
Variation der Kapitalkosten (Zinssatz)
Referenz
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Übersicht
„Leistungsspeicher“BatteriespeichertechnologienGroßspeichertechnologienKostenberechnungAlternative Konzepte zur Energiespeicherung Technologieszenario
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Folie 4225.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Thermische Speicher in KWK-Anlagen und Wärmepumpensystemen
Quelle:DEFU, H. Weldingh
Quelle:Buderus
Wärme-speicher
Konsequente Umstellung auf strom-geführte KWK-AnlagenThermische Speicher als kostengünstige Alternative zu StromspeichernTagesspeicher und saisonale Speicher (Erdreichspeicher) für thermische EnergieEinsatz der KWK-Anlagen als virtuelles, verteiltes Spitzenlast-kraftwerk zum Ausgleich fluktuierender Stromerzeugung und Lasten
Aber KWK-Anlagen in Einzelhäusern mit guter thermischer Isolierung machen keinen Sinn.
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Speicher mit Doppelnutzen: Beispiel Optimierung des Eigenverbauchs für PV-Anlagen
Bei Betrieb eigener Stromerzeuger (Photovoltaik, KWK)Differenz zwischen Bezugskosten und Verkaufspreis kann höher sein, als die Kosten für Speicher (ohne Einspeisevergütung)
Beispiel PV-Anlage nach Ende derVergütung EEG
Vergütung für Einspeisung 5 ct/kWh Kosten für Energiebezug 20 ct/kWhSpeicher interessant, wenn Kosten < 15 ct/kWh
Mit 20 Jahren Verzögerung folgen jedem GW PV bei Privathaushalten ca. 0,5 GW Speicheranschlussleistung
Bild: Wiikmedia Commons
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Solarthermische Kraftwerke mit Wärmespeicher
Source:Ciemat, Plata Forma Solar, Dr. Romero
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Elektro- und Hybridfahrzeuge auf dem Vormarsch
Quelle: Tesla Motors
Quelle: Think
Quelle: Daimler Quelle: minispace.com
Quelle: Volvo Quelle: Daimler
Strom aus CO2-freien Quellen über Batterien für Fahrzeuge ist der effizienteste Weg zur Reduktion der CO2-Emissionen im Straßenverkehr
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Flächenverbrauch Biotreibstoff vs. Elektroantrieb
Ertrag aus Biomasse der 2. Generation BTL (erwartet): 60.000 km/ha/Jahr
16x höherer Fahrleistungsertrag mit PV gegenüber Biomasse
Ertrag aus Photovoltaik inDeutschland: 1.000.000 km/ha/Jahr
Annahmen: Einstrahlung in Deutschland: 1000 kWh/m2/a, Photovoltaik mit 10% Wirkungsgrad, Flächenbelegung 1/3, Fahrzeugverbrauch 20 kWh / 100 km, Wirkungsgrad Netz & Fahrzeug 60%
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Energieeffizienz Brennstoffzellen- vs. Elektrofahrzeug
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Folie 4825.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Elektrifizierung des Individualverkehrs
HybridfahrzeugSpeicher ca. 1 kWh, Ladung nur währendFahrt, Treibstoffeinsparung max. 20%
Plug-in HybridSpeicher 5 – 10 kWh, Ladung aus dem Netz,50 – 70 km Reichweite ohne Treibstoff,volle Reichweite, volle Leistungsfähigkeit
ElektrofahrzeugSpeicher 15 – 40 kWh, Ladung aus dem Netz,100 – 300 km Reichweite ohne Treibstoff,
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Folie 4925.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Auslegung des Speichers von Plug-in Hybriden
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0 20 40 60 80 100All-electric range in km
All-
elec
tric
oper
atio
n fra
ctio
n
Recharging after every trip (GER)
Recharging over night (GER)
Recharging over night (USA)
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Folie 5025.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Virtuelle Großspeicher durch verteilte Speicher in Fahrzeugen (Plug-in Hybride)
Nutzungsdauer< 4 Stunden / Tag
10 kWh=
~3 kW
400 V
10 kV / 20kV
10 kWh=
~3 kW
400 V
10 kWh=
~3 kW
400 V
10 kWh=
~3 kW
400 V
10 kWh=
~3 kW
400 V
Mittlere Fahrstrecke eines Fahrzeugs in Deutschland: 37 kmAnteil an der PKW-Verkehrsleistung auf Strecken unter 50 km: 63%
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Folie 5125.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Verkehrsverteilung über den Tag (San Diego / USA)
0%1%2%3%4%5%6%7%8%
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23Time of day in h
Dai
ly tr
affic
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Folie 5225.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Fahrzeuge können positive und negative Regelleistung bereitstellendurch gezieltes Ein- und Ausschalten des Ladevorgangsdurch Rückspeisung von Energie in Netz
Umrichter können zusätzlich Systemdienstleistungen erbringenBereitstellung von BlindleistungPhasensymmetrierungFlickerkompensationOberwellenkompensation
Fahrzeuge können alle Speicheraufgaben im Netz auf der Zeitskala zwischen msec und einem Tag lösen.
Langfristig keine Notwendigkeit für spezielle Speicher zur Netzausregelung
Was können Elektrofahrzeuge für das Netz tun?
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Folie 5325.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Alternativen zu Speichern zur Überbrückung von Flauten länger als ein Tag
Einsatz von GaskraftwerkenBetrieb der Anlagen in Zeiten ausgedehnter Flauten bzw. DunkelperiodenProblem: hohe Brennstoff- und CO2-Kosten und starke Abhängigkeit von Preisentwicklungen, geringe Volllaststundenzahl
Bau von zusätzlichen ÜbertragungsleitungenLangreichweitige Energieübertragung über GleichspannungstechnikStand der TechnikÜberregionaler Austausch und damit Glättung von Erzeugungsunterschieden sowie Transport in Lastzentren möglich
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Folie 5425.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Spitzenlast-Gaskraftwerke
SCPP – Single Cycle Power Plant – Wirkungsgrad 39,5%CCPP – Combined Cycle Power Plant – Wirkungsgrad 58%Variation im Gaspreis: 5 €/GJ ≡ 1,8 €ct/kWh, 10 €/GJ ≡ 3,6 €ct/kWh