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Stromspeicherung und Lastverschiebung

im Smart Grid

Prof. Dr. R. Simon

Juni 2012

+ ca. 20 Studierende Aushilfen

WIR STELLEN UNS VOR…

Das Team:

Wissenschaftliche Leitung:

Transferstelle für Rationelle und

Regenerative Energienutzung Bingen

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Wissenschaftlicher Leiter der Transferstelle für rationelle u. regenerative Energienutzung

Prof. Dr. Ralf Simon

Hochschullehrer der Fachhochschule Bingen

Energiebeirat des Landes Rheinland – Pfalz zur Beratung der Landesregierung in energie- politischen Fragen

simon@tsb-energie.de

Wissenschaftlicher Leiter des Institut für geo- thermisches Ressourcenmanagement

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Überregionale Lieferung von Regelenergie durch

virtuelle Kraftwerke

Virtuelles Kraftwerk made in Rheinland-Pfalz Betrieb und Weiterentwicklung von diversen virtuellen Kraftwerken in Deutschland Systembereitsteller

gefördert vom

Ministerium für Umwelt, Forsten u.

Verbraucherschutz (MUFV), Rheinland-Pfalz

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Randbedingungen einer zukünftigen Energiewirtschaft

Methoden der Stromspeicherung

Bedeutung des Smart Grid / Virtuellen Kraftwerks und

Entwicklung von Geschäftsmodellen

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Bruttostromerzeugung aus erneuerbaren Energien

und Strombedarf in Deutschland bis 2050

Quelle: Schmid J., IWES Kassel Jun. 2010

8 Quelle: Schmid J., IWES Kassel Jun. 2010

Nutzenergiebereitstellung für Wärme aus

erneuerbaren Energien in Deutschland bis 2050

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Herausforderung: Regelfähigkeit und Stromspeicherung

Bildquelle: BMU Leitstudie 2050; EE – Anteil 78%

Abweichungen zwischen Windstrom-

prognose und tatsächlicher Windstrom-

erzeugung

u. U. hohe Gradienten der Laständerung

unterschiedlich lange Phasen des

Überschusses bzw. des Mangels

Residuale Last = Last minus ungesteuerte EE- Einspeisung

minus ungesteuerte KWK - Einspeisung

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Herausforderung: Regelfähigkeit und Stromspeicherung

Bildquelle: BMU Leitstudie 2050; EE – Anteil 78%

Zukünftige residuale Last verlangt Strom-

speicher verschiedenster Art

Speicher notwendig, um

o Frequenz im Übertragungsnetz zu

stabilisieren

o Spannung im Verteilnetz zu

garantieren

Dezentrale Speicher brauchen eine Ein-

bindung in ein smart Grid / virtuelles

Kraftwerk

Residuale Last = Last minus ungesteuerte EE- Einspeisung

minus ungesteuerte KWK - Einspeisung

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Quelle: neue energie, November 2011

Flächendeckende Abschaltungen

von Windkraftanlagen finden heute

schon statt.

Abschaltungen in 2010

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Randbedingungen einer zukünftigen Energiewirtschaft

Methoden der Stromspeicherung

Bedeutung des Smart Grid / Virtuellen Kraftwerks und

Entwicklung von Geschäftsmodellen

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Stromspeicher 1 – Batterie bzw. Akkumulator

Batterie als Stromspeicher z. Z. teuer

Zukunftsthema

bei der Geschwindigkeit des Ausbaus

der fluktuierenden EE muss die Ge-

schwindigkeit der Batterieentwicklung

deutlich erhöht werden

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Stromspeicher 1 – Batterie bzw. Akkumulator

Viele verschiedene Möglichkeiten vorhanden:

Nickel-Cadmium, Nickel-Metallhydrid, Lithium-Ionen,

Polysulfid-Bromid, Vanadium Redox Flow, Zink-Bromid,

Natrium-Schwefel

zu beachtende Kriterien:

Energiedichte, Zyklenlebensdauer, Ressourcenverfügbarkeit,

Umweltverträglichkeit, Kosten

großer Vorteil: können in der Spannungshaltung (kleinere Anlagen) und

in der Frequenzstabilisierung (größere Anlagen) und

in der Elektromobilität eingesetzt werden

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Stromspeicher 1 – Batterie bzw. Akkumulator

LESSy (Lithium-Elektrizitäts-

Speicher-System)

+/- 1 MW; 700 kWh

10 - 15 kW; 100 kWh

200 kW; 400 kWh

Gildemeister

6 MW; 46 MWh NGK

Opel Deis, 2012

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200

400

100

Wh/l

Wh/kg

100

300

0 50 150

Li-Metall Li-Ion

Ni-MH

NAS Ni-Cd

Pb

Energiedichte von Batterien

Stromspeicher 1 – Batterie bzw. Akkumulator

H. Pütter, 2007

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Quelle: VDE-Studie „Energiespeicher in Stromversorgungssystemen

mit hohem Anteil erneuerbarer Energieträger

Stromspeicher 1 – Batterie bzw. Akkumulator

reine Speicherkosten

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Stromspeicher 2 - Pumpspeicherkraftwerk

Pumpspeicherkraftwerke bewährte Technik

der zentral versorgten Stromwelt.

keine dezentrale Lösung, nur im Sinne

der Frequenzhaltung einsetzbar. Keine

Spannungssteuerung im Verteilnetz

möglich

lange Bauzeiten, hohe Startinvestitionen

wenig geeignete Möglichkeiten

kurzzeitiger Speicher

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Stromspeicher 2 - Pumpspeicherkraftwerk

Pumpspeicher in Deutschland

vorhandene Leistung: ~7 GW

in Planung bzw. in Bau: 2,4 GW

Zusatzpotential: 3,5 GW

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Stromspeicher 2 - Pumpspeicherkraftwerk auch mit dezentralem Charakter möglich

Ausnutzen von Höhenunterschieden, die sehr oft vorkommen

Wettbewerb kreativer Ideen notwendig

Pumpen-Turbinen Technik der KSB, Frankenthal

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Stromspeicher 2 - Pumpspeicherkraftwerk auch mit dezentralem Charakter möglich

Nutzung vorhandener, nicht mehr benötigter Strukturen

mit geringer Veränderung des Landschaftsbildes

Nutzung von Gruben

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Stromspeicher 2 - Pumpspeicherkraftwerk auch mit dezentralem Charakter möglich

Projekt Gaildorf

Windleistung: 18 MW

Turbinenleistung: 12 MW

Speicherkapazität: 70 MWh

Quelle: Naturstromspeicher Gaildorf GmbH & Co. KG

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Stromspeicher 3 – Wasserstoff und Methanisierung

Hohes Potential, Im MegaWatt –

Bereich als Prototyp im Aufbau, als

Langzeitspeicher geeignet.

Erhöhung des Wirkungsgrads

notwendig

Bildquelle, JUWI bzw. Specht, ZSW 2009

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Stromspeicher 3 – Wasserstoff

Quelle: T. Smolinka, FH ISE, 2012

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Stromspeicher 3 – Wasserstoff

Grenzen der H2 – Zumischung nach DVGW Regelwerken

Quelle: F. Graf, KIT, 2012

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Stromspeicher 3 – Wasserstoff

Quelle: F. Graf, KIT, 2012

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Stromspeicher 3 – Wasserstoff

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Stromspeicher 4 – virtueller Stromspeicher

Wärme Gas

Strom

EHeizer,

WP

KWK

Elektrolyse

+ Sabatier

Speicher Speicher

Speicher

Druckluft Kälte Produktion

Speicher Speicher Speicher

Industr

ie/G

ew

erb

e

Vers

org

ungsnetz

e

unvollständige Darstellung

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Ausnutzen vorhandener Strukturen, wie KWK, Laststeuerung1, industrielle

Kältespeicher, industrielle Druckluftspeicher2, elektrische Wärmeerzeuger wie

Wärmepumpe, Elektroheizer mit Speicher

Win-Win-Situation zwischen Verteilnetzbetreiber und ansässiger Industrie /

Gewerbe Symbiose zwischen Versorger und Industrie zum optimierten

Netzmanagement

Stromspeicher 4 – virtueller Stromspeicher

1: kommt aus dem Energiemanagementsystem, das z. Z. in vielen Firmen eingeführt wird

2: z. Z. werden Druckluftspeicher, Druckluftnetze während der Produktion genutzt. Warum

sollten nicht während Phasen des Stromüberschusses nutzbar sein? Gleiches gilt für

Kältespeicher

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Schmid J.: Benötigte Speicherleistung in 2050 im Bereich 50 GW Leistung1

Klobasa M.: Potential im Sektor Industrie 2,8 GW

Potential im Sektor Gewerbe/Handel 10,3 GW

Potential im Sektor Haushalt 20,6 GW 2

1 Schmid J.: Dezentrale Energieversorgung und Speichertechnologien, Beirat WIE

Okt. 2011 2 Klobasa M.: Dynamische Simulation eines Lastmanagements … Dissertation ETH

Zürich, 2007

Zur Einordnung: Potential in der Industrie entspricht dem kompletten

Bedarf an Regelenergie im Bereich der Minuten-

reserve

Stromspeicher 4 – virtueller Stromspeicher

Ziel: Realisieren der umfangreichen Effizienzverbesserungspotenziale in

der Industrie

• Ab 2013 werden Steuerermäßigungen im

Bereich der Energie- und Stromsteuern mit

einem nachweisbaren Beitrag zur Energie-

einsparung gekoppelt.

• Effizienzpotenziale sollen sichtbar gemacht

werden.

DIN EN ISO 50001

Gesetzliche Rahmenbedinungen

Einführung von Energiemanagementsystemen

Energiekonzept der Bundesregierung, verabschiedet im

Bundestag und Bundesrat am 28.09.2010

weitere Informationen unter: www.iso-50001.de

Ziel: Realisieren der umfangreichen Effizienzverbesserungspotenziale in

der Industrie

• Ab 2013 werden Steuerermäßigungen im

Bereich der Energie- und Stromsteuern mit

einem nachweisbaren Beitrag zur Energie-

einsparung gekoppelt.

• Effizienzpotenziale sollen sichtbar gemacht

werden.

DIN EN 16001 bzw. ISO 50001

Gesetzliche Rahmenbedinungen

Einführung von Energiemanagementsystemen

Energiekonzept der Bundesregierung, verabschiedet im

Bundestag und Bundesrat am 28.09.2010

1. Referentenentwurf des BMF zu den energiesteuer-

lichen Entlastungen vorgestellt am 2. Energiesteuer-

tag vom 25.11.2011

Eckpunkte:

Stufe 1 ab 2013: Start der Einführung von EnMS

als Voraussetzung für Entlastungen. Abschluss bis

spätestens Ende 2014

Stufe 2 ab 2015: Erreichen von konkreten Einspar-

zielen der Unternehmen (0,9 % bei Energieerzeug-

nissen, 1,3% bei Strom)

z. Z. in Ressortabstimmung. Abschluss des Gesetz-

gebungsverfahrens vor parlamentarischer Sommer-

pause 2012

weitere Informationen unter: www.iso-50001.de

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Randbedingungen einer zukünftigen Energiewirtschaft

Methoden der Stromspeicherung

Bedeutung des Smart Grid / Virtuellen Kraftwerks und

Entwicklung von Geschäftsmodellen

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Definition des virtuellen Kraftwerkes

zentrale Ansteuerung

dezentrale Energiestationen +

virtuelles Kraftwerk =

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dargestellt: Mittelwert der Preise für jede Stunde des Tages in 2011

Markt: EPEX – Stundenkontrakte

37

Markt: EPEX – Stundenkontrakte

38

Markt: EPEX – Stundenkontrakte

40

Positive Minutenreserve – Ausschreibungsergebnisse 2011

Leistungspreis:

mittleres Ergebnis: für die Bereitstellung von

Leistung wird im Jahresmittel ein Betrag von

2.751 €/MW a gezahlt

Arbeitspreis:

mittleres Ergebnis: für erzeugten Strom wird

im Jahresmittel ein Betrag von 365 €/MWh

gezahlt

www.energycontrol24.de

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Negative Minutenreserve – Ausschreibungsergebnisse 2011

www.energycontrol24.de

Leistungspreis:

mittleres Ergebnis: für die Bereitstellung von

Leistung wird im Jahresmittel ein Betrag von

37.034 €/MW a gezahlt

Arbeitspreis:

mittleres Ergebnis: für aufgenommenen bzw.

nicht erzeugten Strom wird im Jahresmittel ein

Betrag von 75,3 €/MWh gezahlt

42

Positive Minutenreserve – Optimierung der Handelsstrategie

www.energycontrol24.de

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Negative Minutenreserve – Optimierung der Handelsstrategie

www.energycontrol24.de

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Stromnebenkosten

Nebenkosten €/MWh Windpark direkt ange-

bunden an Speicher

Stromlieferung über

Netz an Speicher

EEG- Umlage 35,92 keine (1) keine (1)

Stromsteuer 20,50 keine keine

Netznutzung ca. 15,00 keine keine (2)

Konzession 1,10 keine keine

KWK 0,30 keine keine

(1) geplante Änderung des EEG, Clearingstelle EEG, April 2012

(2) Befreiung für 20 Jahre; ENWG Juli 2011 §118 Abs. 6, Nr 1

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Aufbau (Normalbetrieb)

BHKW

Wärme

Puffer-

speicher

Wärme-

verbraucher Wärme

Elektro-Erhitzer

Stromnetz

Erdgas

Schaltvariante BHKW mit beheiztem Speicher:

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Aufbau (Abruf Regelleistung)

BHKW

Wärme

Puffer-

speicher

Wärme-

verbraucher Wärme

Elektro-Erhitzer

Stromnetz

Erdgas

Schaltvariante BHKW mit beheiztem Speicher:

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Wärmepumpe in Gewerbe / Verwaltung / Krankenhaus, usw.

Simulationsergebnisse

Betriebskosten in €/a

Kosten Strombezug 35.369

Einnahmen virtuelles Kraftwerk -20.023

Betriebskosten 15.346

Aufschlüsselung der Einnahmen

Einnahmen MR Leistungspreis -15.991

eingesparte Stromkosten -428

MR Arbeitspreis -3.604

Gesamt -20.023

Marktstrategie des Händlers:

Arbeitspreis nach Gebotsoptimierung wählen, um hohe Jahreseinnahmen zu erzielen

Leistungspreis so wählen, dass Pool in Vorhaltung

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im zukünftigen Energiemix wächst die Bedeutung für das Thema Strom-

speicherung

Zunahme des Bedarfs an Regelenergie

Volkswirtschaftlich ist es sinnvoll, die kostenarme Produktion von über-

schüssigem Windstrom zu reduzieren

Aufbau von elektrischen Stromspeichern bzw. Möglichkeiten der

Lastverschiebung notwendig.

Erst die Integration in ein virtuelles Kraftwerk bewirkt einen Beitrag zur

Netzstabilität

Zusammenfassung

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

zum Schluss noch ein Hinweis …

Kontakt Prof. Dr. Ralf Simon

Transferstelle Bingen

Am Langenstein 21

55411 Bingen

simon@tsb-energie.de