14. Fachkongress Zukunftsenergien Forum E: Photovoltaik ... · zElektrolyt und Separator ......
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Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 109.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
14. Fachkongress ZukunftsenergienForum E: Photovoltaik und Netzintegration
Essen, 09.02.2010
Professur für Elektrochem. Energiewandlung & Speichersystemtechnik
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA)Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (RWTH Aachen)
Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dirk Uwe Saueremail: [email protected]
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 209.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Load consumptionWind power generation
Wind power prognosis
200803/02 10/02 17/02 24/02 02/030
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000Lastverlauf und Windleistung im Vattenfall Hochspannungsnetz (01.02.-06.03.2008)
LastverlaufWindleistung
Windleistung (Prognose)
IfR, TU Braunschweig
5347 MW
Source: IfR / TU Braunschweig
Leis
tung
[MW
]
Leistung MW
Wie viel Speicher wäre notwendig, um Windkraft grundlastfähig zu machen?
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 309.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Wie viel Speicher wäre notwendig, um Windkraft grundlastfähig zu machen?
Wind p
03/020
2000
4000
6000
8000Windleistu
Leis
tung
Leistung MW
Wind p
03/020
2000
4000
6000
8000Windleistu
Leis
tung
Leistung MW
02/03IfR, TU Braunschweig
5347 MW
02/03IfR, TU Braunschweig
5347 MW
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 409.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Load consumptionWind power generation
Wind power prognosis
200803/02 10/02 17/02 24/02 02/030
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000Lastverlauf und Windleistung im Vattenfall Hochspannungsnetz (01.02.-06.03.2008)
LastverlaufWindleistung
Windleistung (Prognose)
IfR, TU Braunschweig
5347 MW
Source: IfR / TU Braunschweig
Leis
tung
[MW
]
Leistung MW
Wie viel Speicher wäre notwendig, um Windkraft grundlastfähig zu machen?
~540 GWh
Notwendige Speicherkapazität zur kontinuierlichen Lieferung der mittleren Leistung
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Nr. 509.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
PumpspeicherSupraleitende SpulenSchwungradDruckluftDoppelschicht-kondensatoren
Redox-Flow BatterienWasserstoffBatterien - Blei, Lithium, NaNiCl, ...
Technologien für elektrische Energiespeicher
Pumpspeicher
Supraleitende Spulen Schwungrad
Druckluft
Supercapacitors
Doppelschicht-kondensatoren
Redox-Flow Batterien
Batterien - Blei, Lithium, NaNiCl, ...
Wasserstoff
spec
ific
pow
er [k
W/k
Wh]
installed storage capacity
typi
cal
disc
harg
e tim
e
1 kW 100 kW 10 MW10 W
1
0.01
100
installed power
1 GW
100 GW
kWh MWh GWh TWh
10 ms
1 s
1 min
1 hour
½ day
1 week1 month
1 year
II - SuperCaps, SchwungradIII - BatterienIV - Redox-flow BatterienV - DruckluftspeicherVI - Pumpspeicher
I - Kondensator, Spule
VII - Speicherkraftwerke (Wasser)VIII - Wasserstoffspeicher
I
IIIIII
IVIV
VIIVII
IIII
V VIV VI
VIIIVIII
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Nr. 609.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Vergleich von EnergiedichtenMechanische Speicher (sehr geringe Energiedichte)
Potentielle Energie (z.B. Pumpspeichersee): 1 kWh/m3 (bei 360 m Höhe)Kinetische Energie (z.B. Schwungrad): ~10 kWh/m3
Elektrische Speicher (geringe Energiedichte)Elektrostatisches Feld: ~10 kWh/m3
Elektromagnetisches Feld: ~10 kWh/m3
Wärmespeicher (mittlere Energiedichte)Wasser @ ΔT = 100K: 116 kWh/m3 (sensible Wärme) Phasenwechselnde Materialien z.B. Wasser / Dampf: 626 kWh/m3 (latente Wärme)
Chemische Speicher (mittlere bis hohe Energiedichte)Lithium-Ionen-Batterie: 200 kWh/m3
Flüssiger Wasserstoff: 2.400 kWh/m3
(Benzin: 12.000 kWh/m3)
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Nr. 709.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Übersicht
„Leistungsspeicher“BatteriespeichertechnologienGroßspeichertechnologienKostenberechnungAlternative Konzepte zur Energiespeicherung Technologieszenario
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Nr. 809.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Arten elektrischer Energiespeicherungelektrisch
Supraleitende Spulen
Kondensatoren (diverse Technologien)
mechanisch
Pumpspeicherwerke
Schwungrad
Druckluftspeicher
elektrochemisch
Akkumulatoren mit internem Speicher (z. B. Pb, NiCd, Li-Ion)Akkumulatoren mit externem Speicher
Gasspeicher (Elektrolyseur & Brennstoffzelle / Turbine)Speicher mit flüssigen Aktivmassen (z. B. Vanadium-Redox-System)Primärbatterien mit externer Regeneration (z. B. Zn-Luft)
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Nr. 909.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
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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Nr. 1009.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Blei-Säure-BatterieGroße Zahl Installationen weltweit, erprobte Technologien von zahllosen Herstellern kommerziell angebotenWirkungsgrad 80 – 90%+ Erfahrene und sichere Technologie– Lebensdauer, Gewicht
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Nr. 1109.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Daten zu BleibatterienHauptmaterialien: Blei, Schwefelsäure, Kunststoffgehäuse
Energiedichte: 25 Wh/kg oder 40 kg/kWh
Energiedichte: 50 Wh/l oder 20 l/kWh(äquivalent zu 1 m3 Wasser mit 360 m Höhendifferenz)(Vergleich: Diesel ca. 10 kWh/l)
Wirkungsgrad: 80 - 90 %
Lebensdauer: 6 - 12 Jahre
Zyklenlebensdauer: 2000 (7000) Zyklen
typ. Temperaturbereich Laden: -20 bis +50oC
typ. Temperaturbereich Entladen: -25 bis +60oC
Kosten: ca. 200 Euro/kWh
sehr hohe Recyclingquoten
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Nr. 1209.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Großbatterie zur NetzstützungBatterieanlage der BEWAG (Berlin), Baujahr 1986, zur Frequenzregelung im Inselnetz Berlin
17 MW14 MWh
7080 Zellen mit jeweils 2V und 1000 Ah (2 kWh/Zelle)
Quelle: Hagen / BEWAG
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Nr. 1309.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Quelle: NGK Insulators Ltd.
Natrium-Schwefel – Zell- und Batterieaufbau
Anode:Natrium (flüssig im Betrieb)
KathodeSchwefel (flüssig im Betrieb)
Elektrolyt und Separatorkeramisches ß“-Aluminiumoxid (ß“-Al2O3)Gefäß für Anode
Zellgehäuse: Beschichteter Stahl
Batteriegehäuse:thermische Isolation
Anschluss
elektrischeIsolation
Natrium-Kammer
Metall-“Docht”
Natrium-ElektrodeFestkörper-ElektrolytSchwefel-ElektrodeZell-Gehäuse
thermischeIsolation
thermischeIsolationelektrische
Anschlüsse
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Nr. 1409.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Eigenschaften der Natrium-Schwefel-BatterieHohe Energiedichte
ca. dreimal höher als bei BleibatterienGuter Wirkungsgrad
87% (elektrochemisch), 75% inkl. Heizung und Lüfter, keine Selbstentladung
Lange Lebensdaueretwa 15 Jahre
Hohe Zyklenlebensdauerwenigsten 2.000 Zyklen, aber auch bis zu 10.000 Zyklen möglich
Keine teuren MaterialienPotential für KostensenkungKosten derzeit 300 - 500 €/kWh im System
Betriebstemperaturca. 300°C im Betrieb notwendig, thermische Verluste für ein 25 kWh-Modul bei etwa 100 WAbkühlung sollte vermieden werden, da es zu thermischen Stress kommt
NaNiClSource: NGK, MES-DEA
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Nr. 1509.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Natrium-Schwefel – AnwendungsbeispielNaS-Batteriesystem für “Load Levelling” in TokyoKostenersparnis durch geringere Stromabnahme zu SpitzenlastzeitenLeistungsdaten
2 MW 1165 V DC40 Module (12 800 Zellen)> 136 T Gewicht
Anlagen bis 50 MWh sind in Betriebgünstigerer 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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Nr. 1609.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
NiCd-BatterieKommerzielles Produkt, Großanlage (Alaska)Verschiedene Hersteller am MarktIn der Kritik wg. Umweltverträglichkeit des Cadmiums Wirkungsgrad 60 – 70%
Resümee: + Gute Lebensdauer, robust– Toxizität des Cadmiums
Source: Saft, Hoppecke
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Nr. 1709.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Das Lithium-Ionen System („Rocking Chair“)
Entladunge-
Li+Li+
R
Li+ LiC6
Metall-Ion
Graphit
Sauerstoff
Separator
POSITIVE
LiMO2
NEGATIVE
Graphit
Elektrolyt &Separator
e-
Graphik: Saft
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Nr. 1809.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Aktuelle Hauptentwicklungslinien bei Lithium-Ionen-Batterien
Li-Ionen-flüssig
Kathodenmaterial Anodenmaterial
Hard CarbonLiC6
“3,7 V Material”, geringe Vollzyklenzahl
GraphitLiC6
“3,7 V Material”, teuer,hohe Vollzyklenzahl (EV)
TitanatLi4Ti5O12
“2,2 V Material”, sicher,geringere Energiedichte
SiliziumLi22Si6
“3,7 V Material”, hoheEnergiedichte, in der Forschung
LiMn2O4LiMn2O4schlechtere Lebensdauer,Sicherheit besser als Co & Ni
LiNiO2höchstes Sicherheitsrisiko,gute Performance
LiCoO2gute Lebensdauer,Sicherheitsrisiko
LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2populäres Mischmaterial mit Optimierung der Eigenschaften
LiCoxNiyMnzO2große Variabilität in Mischmaterialien
LiFePO4“3,3 V Material”, günstiges & sicheres Ausgangsmaterial
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Nr. 1909.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Entladecharakteristik von Li-Ionen „High Power“Batterien
2 ,5
2 ,6
2 ,7
2 ,8
2 ,9
3 ,0
3 ,1
3 ,2
3 ,3
3 ,4
3 ,5
3 ,6
3 ,7
3 ,8
3 ,9
4 ,0
4 ,1
0 4 8 1 2 16 20
C ap a cit y (Ah )
Vol
tage
(V)
D /3 D /2 1 D = 15 A 2 D 50 A 150 A 285A
Saft high power cellSaft high power cell
1C=15A 2C 3.33C 10C 19C½C1/3 C
0 4 8 12 16 20Kapazität (Ah)
2,5
3,0
3,5
4,0
Zells
pann
ung
(V)
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 2009.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Elektrische Leistungsfähigkeit (Zellen)Hochenergie Hochleistung
Leistungsdichte 200 – 400 W/kg 2000 – 4000 W/kgEnergiedichte 120 – 160 Wh/kg 80 – 100 Wh/kgWirkungsgrad ~ 95% ~ 90%Selbstentladung < 5%/Monat (25°C) < 5%/Monat (25°C)Lebensdauer bis 5000 Vollzyklen 106 (3,3% DOD)
050
100150
0 1 2 3 4 5 6 7Storage duration (Years)
Ener
gy(W
h)
Calendar life assessment at 40°C 100 % SOC
0
50
100
150
0 1000 2000 3000 4000 5000Cycle number
Ener
gy (W
h)
Cycle life assessment at 20°C with at 80 % DOD cycle
150
100
50
0Ene
rgy
(Wh) 150
100
50
0Ene
rgy
(Wh)
Quelle: Saft Quelle: Saft
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Nr. 2109.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
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
KokamCoffee Bag
GS YuasaLEV 50
A123
Saft VL M
E- One Moli
GAIA LiFePO4
GAIA HE 60 Ah
LiTeCHP 6 Ah
Saft VHP 6 Ah
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Nr. 2209.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Definition eines Speichersystems für elekt. Energie
Aufladen des Speichers Entladung des Speichers
Wandler I.
elektrische Energie
definiertLadeleistung
Energie-speicher
definiertEnergiekapazität
Wandler II
definiertEntladeleistung
elektrischeEnergie
integrierte EinheitBatterien / Supercaps:
Redox-flow Stack Tanks mit gelösten Redox-Paaren Stack
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 2309.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Vanadium Redox Batterie (VRB) - Grundprinzip
NetzanschlussLagertank mit
Vanadium (V) und (IV) in Schwefelsäure
Pumpe 1 Pumpe 2
Kationselektive Membran
Anode Kathode
Vanadium (V)
Vanadium (IV)
Vanadium (II)
Vanadium (III)
Funktionsweise einer „Vanadium Redox-Flow Batterie“ beim Aufladen
Potential V(IV) V(V): +1,00 V
Potential V(II) V(III): -0,26 V
Lagertank mit Vanadium (III) und (II)
in Schwefelsäure
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Nr. 2409.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Vanadium Redox Batterie (VRB) - Grundprinzip
NetzanschlussLagertank mit
Vanadium (V) und (IV) in Schwefelsäure
Pumpe 1 Pumpe 2
Kationselektive Membran
Anode Kathode
Vanadium (V)
Vanadium (IV)
Vanadium (II)
Vanadium (III)
Funktionsweise einer „Vanadium Redox-Flow Batterie“ beim Aufladen
Potential V(IV) V(V): +1,00 V
Potential V(II) V(III): -0,26 V
Lagertank mit Vanadium (III) und (II)
in Schwefelsäure
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 2509.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Redoxpaarlösungen
Vanadium(V) Vanadium(IV) Vanadium(III)
Vanadium(II)
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Nr. 2609.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
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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Nr. 2709.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Redox-flow Batterien als stationäre GroßsspeicherEnergie
speichern
Energiebedarf decken
Quelle: http://www.science.org.au/nova/newscientist/ns_diagrams/037ns_001image2.jpgQuelle: http://www.vrbpower.com/technology/gallery.html
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 2809.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Zink-Brom-BatterieDemonstrationsprojekte,nicht kommerziell beziehbar bisherNur zwei AnbieterWirkungsgrad 70 – 80%Nur eingeschränkt USV-fähig
Resümee: + Energie und Leistung sind
separat auslegbar,gute Zyklenlebensdauer
– Noch nicht kommerziell
-
Zn
Anolyte Catholyte
Zn++
2e- 2e-
Br-¯
Br-¯
Br2
Anode CathodeSeparator
+-
Zn
Anolyte Catholyte
Zn++
2e- 2e-
Br-¯
Br-¯
Br2
Anode CathodeSeparator
+
Bild: ZBB Energy Corporation
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 2909.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Technologien für zentrale Großspeicher
Pumpspeicher
Druckluft (mit und ohne Wärmespeicher)
Wasserstoff mit Kavernenspeichern
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 3009.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Pumpspeicherkraftwerke
erprobte Technologieüber 90 GW installierte Leistung weltweit
10 - 40 €/kWhKosten Spei-chermedium
kaum neue Stand-orte in Europa
größter Nachteil
10 MW bis 1 GWLeistung
Stunden bis TageEntladedauer65-80 %Wirkungsgrad
Bild: http://www.goldisthal.de
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 3109.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
„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 ?
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 3209.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Druckluftspeichersystem (adiabatisches CAES)
Entwicklungsgegenstand
größter Nachteil
Kosten Spei-chermedium
Leistung
Entladedauer
Wirkungsgrad
10 - 20 €/kWh
Geeignete geolo-gische Formation
100 MW bis 1 GW
Stunden bis Tage
max. 70%
Bild: AlstomPicture: KBB
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 3309.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Wasserstoffspeicher im Druckkaverne
Einzig realistische Technologiefür Speichersysteme im 100 GWhBereich
größter Nachteil
Kosten Spei-chermedium
Leistung
Entladedauer
Wirkungsgrad
0,2 – 0,5 €/kWh
Geringer Wirkungsgrad
10 kW bis 1 GW
Stunden - Wochen
~ 40 %
Bild: http://www.greencarcongress.com
Auch diskutierte Energiespeicherung in Form von Methan (CH4) oder Methanol läuft prozesstechnisch über die Herstellung von Wasserstoff. Wirkungsgrad dementsprechend noch geringer.
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 3409.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Übersicht
„Leistungsspeicher“BatteriespeichertechnologienGroßspeichertechnologienKostenberechnungAlternative Konzepte zur Energiespeicherung Technologieszenario
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 3509.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Überblick zu Batterietechnologien
Hybridfahrzeuge, Elektroautos, stationäreAnwendungen (load-levelling) (Prototypen)
+270 to +300+270 to +300
~100080–90~50~100AlO2NaNiCl
Für Anwendungen mit Entladezeiten vontypischerweise weniger als 10 Sekunden
Konsumerprodukte, Spielzeuge
Laptops, Handys, Camcorder, Smart Cards
Laptops, Handys, Camcorder, Elektroautos,Hybridfahrzeuge, Spielzeuge
Werkzeuge, Modellautos,Konsumerprodukte, Traktion,Tieftemperaturanwendungen, Elekroautos
Stationäre Anwendungen (USV, AutonomeStromversorgung), Traktion, Starter
(Beispiele)
Typische Anwendungen
100..200
0.5
4...6
3...5
2...3
1
Kosten(relativpro kWh)
-25 to +75-25 to +75
-10 to +60-20 to +50
0 to +40-20 to +60
0 to +45-20 to +60
-20 to +50-45 to +50
-10 to +40-15 to +50
[°C]
TemperaturBereich Laden& Entladen
500.000
20–50
500–1000
300–600
500–2000
250–500[Zyklen]
Zyklen-lebens-dauer
~10
2–5
3–25
3–20[a]
Lebens-dauer
90–952–151– 10SuperCaps
75–90200–300
70– 100RAM
90–95230–330
90–150Organic,polymers
Li-Ion Li-Polymer
80–90150–320
40–90KOHNiMH
60–70100–150
30–50KOHNiCd
80–9050–12020–40H2SO4Bleisäure[%][Wh/l]Wh/kg
Wirkungs-grad(Energie)
Energie-dichte
Energie-dcihte
ElektrolytBatterie-technologie
RAM - Rechargeable alkali manganes
De facto sind derartige Übersichten wenig hilfreich für die Auswahl
einer Technologie für eine spezifische Anwendung !
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 3609.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Parameter zur Definition eines Referenzfalls
Energie [kWh]
Leistung [kW] Zyklen [#/Tag]
Systemlebensdauer[Jahre]
Kapitalkosten[%]
Stromkosten[€ct/kWh]
Definition derBedingungen für ein
Speichersystem
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 3709.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Parameter zu Definition einer Speichertechnologie
Kosten pro installierte Kapazität [€/kWh]
Kosten Umrichter[€/kW]
Wirkungsgrad [%]Selbstentladung [%/d]
maximale Entadetiefe (DOD)
[%]
Zyklenlebensdauerbei DOD [#]
Wartung &Reparatur [%/Jahr]
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Nr. 3809.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Lebensdauer als Funktion der Entladetiefe (DOD)(Beispiel: NiMH)
Quelle: Varta / Johnson Control
100% DOD
80% DOD
12% DOD
5% DOD
3% DOD
20°C, 20,000 nominal cycles @ 5% DOD, equivalent to 400,000 cycles
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 3909.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Stromkosten[€ct/kWh]
Kapitalkosten[%]
Energie [kWh]
Systemlebensdaue[Jahre]
Zyklen [#/Tag]
Leistung [kW]
Kostenberechnung
Kosten pro installierteKapazität [€/kWh]
Kosten Umrichter[€/kW]
Wirkungsgrad [%]Selbstentladung [%/d]
maximale Entladetiefe (DOD)
[%]
Zyklenlebensdauer bei DOD [#]
Wartung &Reparatur [%/Jahr]
Speicherkostenfür Energiedurchsatz
[€ct/kWh]Annuitätenmeth.
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 4009.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Kosten für Energie aus Großspeichern („monatlich“)(500 MW, 100 GWh, ~1,5 Zyklen pro Monat, Zins 8%, Stromkosten 4ct)
Quelle: ENERGY STORAGE FOR IMPROVED OPERATION OF FUTURE ENERGY SUPPLY SYSTEMS , M. Kleimaier, et.al., CIGRE 2008
heute> 10 Jahre
abhängig vom Standort
heute> 10 Jahre
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 4109.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Kosten für Energie aus Großspeichern („täglich“)(1 GW, 8 GWh, 1 Zyklus pro Tag, Zins 8%, Stromkosten 4ct)
Quelle: ENERGY STORAGE FOR IMPROVED OPERATION OF FUTURE ENERGY SUPPLY SYSTEMS , M. Kleimaier, et.al., CIGRE 2008
heute
> 10 Jahre
abhängig vom Standort
heute> 10 Jahre
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 4209.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Load-leveling Hochspannungsnetz (“Pumpspeicher”)1 GW, 8 GWh, 1 Zyklus / Tag, Stromkosten 4 €ct, Kapitalkosten 8%
heute5 bis 10 Jahre
Quelle: ENERGY STORAGE FOR IMPROVED OPERATION OF FUTURE ENERGY SUPPLY SYSTEMS , M. Kleimaier, et.al., CIGRE 2008
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 4309.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Kosten für Energie aus Speichern im MS-Netz(10 MW, 40 MWh, 2 Zyklen pro Tag, Zins 8%, Stromkosten 4ct)
Quelle: ENERGY STORAGE FOR IMPROVED OPERATION OF FUTURE ENERGY SUPPLY SYSTEMS , M. Kleimaier, et.al., CIGRE 2008
heute5 bis 10 Jahre
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 4409.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Load-leveling Niederspannungsnetz100 kW, 250 kWh, 2 Zyklen / Tag, Stromkosten 6 €ct, Kapitalkosten 8%
heute5 bis 10 Jahre
Quelle: ENERGY STORAGE FOR IMPROVED OPERATION OF FUTURE ENERGY SUPPLY SYSTEMS , M. Kleimaier, et.al., CIGRE 2008
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 4509.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Ref.-Fall „load levelling MV“ – Blei-Säure-BatterieVariation der Speicherkosten und der täglichen Zyklenzahl
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
50 70 90 110 130 150 170 190 210Costs per kWh installed capacity, €/kWh
Tota
l cos
t per
kW
h th
roug
hput
, re
late
d to
refe
renc
e ca
se0,5 cycle per day2 cycles per day5 cycles per day
Referenz
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 4609.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
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
hput
, re
late
d to
refe
renc
e ca
se
Ref.-Fall „load levelling MV“ – Blei-Säure-BatterieVariation der Kapitalkosten (Zinssatz)
Referenz
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 4709.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
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“ – PumpspeicherVariation der Kapitalkosten (Zinssatz)
Referenz
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 4809.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
74 76 78 80 82 84 86 88 90 92Average efficiency, %
Tota
l cos
t per
kW
h th
roug
hput
, re
late
d to
refe
renc
e ca
seElectricity costs, 2ctElectricity costs, 4ctElectricity costs, 6ct
Ref.-Fall „load levelling MV“ – Blei-Säure-BatterieVariation des Wirkungsgrades und der Stromkosten
Referenz
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 4909.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Variation des Wirkungsgrades und der Stromkosten
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
40 50 60 70 80 90 100
Average efficiency, %
Tota
l cos
t per
kW
h th
roug
hput
, re
late
d to
bes
t cas
eElectricity costs,1ctElectricity costs, 3ctElectricity costs, 5ct
Ref.-Fall „Langzeitspeicher“ – Pumpspeicher
Referenz
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 5009.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Zusammenfassung zur KostenberechnungKostenberechnungen sind komplex und hängen von vielen Parametern ab. Viele Studien verwenden falsche oder ungeeignete Daten.Ein Vergleich von Kosten verschiedener Speichertechnologien kannnur auf Basis von klar definierten Referenzfällen erfolgen. Kosten für Speicher pro durchgesetzter kWh hängen sehr stark von Finanzparametern wie Kapitalkosten und Stromkosten ab. Kosten unter 5 €ct/kWh sind sehr schwer zu erreichen, Kosten über 10 €ct/kWh müssen aber nicht sein.
Hochtemperaturbatterien sind sehr wettbewerbsfähig, insgesamt sind aber viele Technologien in einem vergleichbaren Kostenrahmen. Umfangreiche F&E&D ist für alle Technologien gerechtfertigt und dringend notwendig, um die avisierten Kostenziele zu erreichen.
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 5109.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Übersicht
„Leistungsspeicher“BatteriespeichertechnologienGroßspeichertechnologienKostenberechnungAlternative Konzepte zur Energiespeicherung Technologieszenario
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 5209.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
FragestellungGibt es Alternativen zum Einsatz von Speichern für elektrische Energie?
Unter welchen Randbedingungen können diese wirtschaftliche sein?
Welche Technologien ergänzen sich, welche stehen im Wettbewerb?
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 5309.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Randbedingungen der folgenden BetrachtungenBetrachtet wird hier nur der Energiehandel mit Speichern und nicht deren Funktionalität für Reserveleistung oder andere Netzdienstleistungen.
Für die Speicher werden jeweils ideale Bedingungen in Bezug auf die Regelmäßigkeit und Dauer der Nutzung angenommen.
Der Kostenrechnung für die Speicher liegen die Zahlen und die Systematik der VDE Studie zu Speichersystemen zu Grunde
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 5409.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Überblick über betrachtete SzenarienAnschluss eines 10 MW Windparks – Speicher zur Vermeidung des Ausbaus der Netzanbindung
Langreichweitige Stromübertragung mit HVDC-Leitungen
Kosten für Speicher zur Aufnahme von Energie bei drohender Abschaltung der WKA
USV-Funktionalität von Speichern in kritischen Industrieanwendungen
Einsatz von Gaskraftwerken als Spitzenlastkraftwerk
Thermische Speicher
Solarthermische Kraftwerke
Kraft-Wärme-Kopplung
Speicher in Fahrzeugen
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 5509.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Überblick über betrachtete SzenarienAnschluss eines 10 MW Windparks – Speicher zur Vermeidung des Ausbaus der Netzanbindung
Langreichweitige Stromübertragung mit HVDC-Leitungen
Kosten für Speicher zur Aufnahme von Energie bei drohender Abschaltung der WKA
USV-Funktionalität von Speichern in kritischen Industrieanwendungen
Einsatz von Gaskraftwerken als Spitzenlastkraftwerk
Thermische Speicher
Solarthermische Kraftwerke
Kraft-Wärme-Kopplung
Speicher in Fahrzeugen
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 5609.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Windpark 10 MW - Szenario
Windpark mit 10 MW Leistung
Distanz zum nächsten Hochspannungsknoten 10 oder 50 km
Vorhandene Anschlussleitung hat 2 MW Kapazität
Frage:
Netzausbau oder
Installation eines Speichers
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 5709.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Windpark 10 MW – Anschluss mit Speicher
Annahmen:10 MW Windpark, 2000 Volllaststunden, 2 MW AnschlussleitungSpeicher für 10 MW und 80 MWh (8 Stunden Volllast) zur Entlastung der Leitung (an windreichen Tagen mit mehr als ca. 10 Volllaststunden kann nicht alle Energie im Speicher aufgenommen werden und geht verloren, was hier nicht mit in Rechnung gestellt wird)
Resultierende Kosten pro kWh (Annahme NaS-Batterie)5.4 – 19.1 €ct/kWh
Keine Regelenergie möglich, da Leitung dauerhaft vollständig ausgelastet ist und daher nur Grundlast liefern kann
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 5809.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Windpark 10 MW – konventioneller Anschluss
Annahmen:
10 MW Windpark, 2000 Volllaststunden, 10 MW Anschlussleitung
Kosten für Anschluss: 50.000 €/km, Schaltfeld im UW 100.000 €, 1.200.000 € Trafotausch, 900.000 € anteiliger Ausbau HS-Netz
8% Kapitalkosten, 40 (20) Jahre Lebensdauer
Resultierende Kosten pro kWh
bei 10 km Netzanbindung: 1,05 €ct/kWh (1,27 €ct/kWh)
bei 50 km Netzanbindung: 1,82 €ct/kWh (2,22 €ct/kWh)
Speicher stellen keine wirtschaftliche Alternative für den Netzausbau da.
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 5909.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Überblick über betrachtete SzenarienAnschluss eines 10 MW Windparks – Speicher zur Vermeidung des Ausbaus der Netzanbindung
Langreichweitige Stromübertragung mit HVDC-Leitungen
Kosten für Speicher zur Aufnahme von Energie bei drohender Abschaltung der WKA
USV-Funktionalität von Speichern in kritischen Industrieanwendungen
Einsatz von Gaskraftwerken als Spitzenlastkraftwerk
Thermische Speicher
Solarthermische Kraftwerke
Kraft-Wärme-Kopplung
Speicher in Fahrzeugen
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 6009.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Alternativen zu speziellen Speichern im Netz (Auswahl)
Langreichweitige Stromübertragung mit HVDC-Leitungen
Einsatz von Gaskraftwerken als Spitzenlastkraftwerk
Thermische Speicher
Solarthermische Kraftwerke
Kraft-Wärme-Kopplung
Speicher in Fahrzeugen
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 6109.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Energietransport über große Entfernung in GleichspannungstechnikAlternativen:
FreileitungenKabeltechnik
Bilder: ABB
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 6209.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Netzausbau Höchstspannungsnetz als HVDC für langreichweitigen Transport in Lastzentren
Weitreichender Energietransport in Lastzentren als Alternative zur ZwischenspeicherungAnnahmen:
Hochspannungsgleichstromübertragung (HVDC)FreileitungenLeitung 2 GW370.000 €/km Leitung (Freileitung)75 €/kW für Konverter (2 x notwendig)8% Kapitalzins40 Jahre LebensdauerMittlere Auslastung der Leitung 15%, 25% und 35%
25% Auslastung entspricht etwa dem vollständigen Abtransport der Leistung eines Windparks
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 6309.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Netzausbau Höchstspannungsnetz als HVDC
Quelle: Studie Speicher, ETG/VDE, 2008/2009
0
1
2
3
4
5
6
7
0 1000 2000 3000 4000 5000Übertragungsdistanz [km]
Kos
ten
[€ct
/kW
h]
15% mittlere Auslastung25% mittlere Auslastung35% mittlere Auslastung
HVDC, 2 GW, 370 k€/km, 2 x 75 €/kW Konverter, 8% Zins, 40 Jahre Lebensdauer
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 6409.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Netzausbau Höchstspannungsnetz als HVDC
Kosten für Speicherung (8 Stunden Speicher, täglicher Zyklus) bestenfalls 3 €ct/kWh
Bei Auslastung der Leitung von 15% kann eine Übertragung über knapp 2000 km zu gleichen Kosten wie mit einem Speicher erfolgen, bei 25% Auslastung rund 3800 km
Dabei nicht berücksichtigt sind die folgenden Aspekte, die alle weiter zu Lastender Speichervariante gehen:
Ein Netz ist auch für die mittlere Leistung (ca. 20 bis 25% der Nennleistung des Windparks) notwendig
An windreichen Tagen kann ein Speicher den Strom nicht vollständig aufnehmen und die Windräder müssen abgeregelt werden
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 6509.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Überblick über betrachtete SzenarienAnschluss eines 10 MW Windparks – Speicher zur Vermeidung des Ausbaus der Netzanbindung
Langreichweitige Stromübertragung mit HVDC-Leitungen
Kosten für Speicher zur Aufnahme von Energie bei drohender Abschaltung der WKA
USV-Funktionalität von Speichern in kritischen Industrieanwendungen
Einsatz von Gaskraftwerken als Spitzenlastkraftwerk
Thermische Speicher
Solarthermische Kraftwerke
Kraft-Wärme-Kopplung
Speicher in Fahrzeugen
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 6609.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Energiespeicher zur Vermeidung der Abschaltung von WKA bei Netzüberlastung Problem:
Bei Überlastung der Netze kann der Netzbetreiber die WKAs abschalten.
Unabhängig von der Frage, wer dafür die Kosten trägt, entsteht dabei ein Schaden in der Höhe der Einspeisevergütung für den Strom oder die in Bezug auf eine 100%ige Abgabe kalkulierten Stromgestehungskosten (je nach Standort on-shore 6 – 9 €ct/kWh)
Frage:
Kann ein Speicher zur Vermeidung dieser Verluste wirtschaftlich betrieben werden? Wirtschaftlich heißt, günstiger als die Kosten für die nicht eingespeisten kWh.
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 6709.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Vermeidung der Abschaltung von 3% der Jahresenergie von WKA bei Netzüberlastung
Annahmen:
2 Abschaltungen pro Monat
Abschaltdauer 5 Stunden
Leistung bei Abschaltung: 50% der Spitzenlast
Spitzenlast 20 GW
Entspricht einer Abschaltung von 60 Volllaststunden / Jahr oder rund 3% der Jahresenergie
Speicher:
10 GW Ladeleistung / 2 GW Entladeleistung
50 GWh Speichergröße
24 Zyklen / Jahr
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 6809.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Vermeidung der Abschaltung von WKA bei Netzüberlastung
Resultierende Kosten bei 3% Abschaltung im Jahr:
Mindestens 40,7 €ct/kWh für elektrische Energie, die über den adiabatischen CAES Speicher geht
Mindestens 58,6 €ct/kWh für elektrische Energie, die über einen Wasserstoffspeicher geht
Problem:
seltene Nutzung
keine Reserveleistung möglich, da Speicher leer stehen muss
wenn Überlastphase länger als 5 Stunden, wird trotzdem abgeregelt
Alternative: Abschalten der Anlagen
Resultierende Kosten entsprechen der Einspeisevergütung für Windstrom (6 – 9 €ct/kWh)
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 6909.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Vermeidung der Abschaltung von 15% der Jahresenergie von WKA bei Netzüberlastung
Annahmen:
1 Abschaltung alle 3 Tage
Abschaltdauer 5 Stunden
Leistung bei Abschaltung: 50% der Spitzenlast
Spitzenlast 20 GW
Entspricht einer Abschaltung von 304 Volllaststunden / Jahr oder rund 15% der Jahresenergie
Speicher:
10 GW Ladeleistung / 2 GW Entladeleistung
50 GWh Speichergröße
121 Zyklen / Jahr
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 7009.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Vermeidung der Abschaltung von WKA bei Netzüberlastung
Resultierende Kosten bei 15% Abschaltung im Jahr:
Mindestens 9,0 €ct/kWh für elektrische Energie, die über den adiabatischen CAES Speicher geht
Mindestens 16,2 €ct/kWh für elektrische Energie, die über einen Wasserstoffspeicher geht
Alternative: Abschalten der Anlagen
Resultierende Kosten entsprechen der Einspeisevergütung für Windstrom (6 – 9 €ct/kWh)
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 7109.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Vermeidung der Abschaltung von WKA bei Netzüberlastung
Speicher lohnen sich bestenfalls ab einer Abschaltung von 15% der Jahresenergie
De facto liegt der Wert noch deutlich höher:
Berechnungen gehen von einer regelmäßigen und jeweils nur 5 Stunden dauernden Abschaltung aus
Längere Abschaltungen können durch die Speicher nicht mehr aufgenommen werden.
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 7209.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Überblick über betrachtete SzenarienAnschluss eines 10 MW Windparks – Speicher zur Vermeidung des Ausbaus der Netzanbindung
Langreichweitige Stromübertragung mit HVDC-Leitungen
Kosten für Speicher zur Aufnahme von Energie bei drohender Abschaltung der WKA
Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)-Funktionalität von Speichern in kritischen Industrieanwendungen
Einsatz von Gaskraftwerken als Spitzenlastkraftwerk
Thermische Speicher
Solarthermische Kraftwerke
Kraft-Wärme-Kopplung
Speicher in Fahrzeugen
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 7309.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
USV-Funktionalität – Beispiel PapierfabrikAnnahmen:
Jährliche Schadenssumme durch Spannungseinbrüche: 400.000 €/JahrÜberbrückungsdauer bis 1 minLeistung 10 MW, Nutzenergie ~ 167 kWh
Akzeptable Kosten pro installiertem kW-Leistung (Annuität): 40 €/kWKosten verschiedener Speichertechnologien
Lithium-Ionen-Batterien: 32 €/kW (Annuität), davon 10 €/kW für den UmrichterAnnahmen: 2.000 €/kWh Li-Ionen-Batterie, Entladewirkungsgrad 80%, 20% DOD, Lebensdauer aller Komponenten 20 Jahre, Kosten Umrichter: 100 €/kW
SuperCaps: 41 €/kW (Annuität)Annahmen: 15.000 €/kWh Li-Ionen-Batterie, Entladewirkungsgrad 85%, 75% DOD, Lebensdauer aller Komponenten 20 Jahre, Kosten Umrichter: 100 €/kW
Betriebswirtschaftlich sehr interessantSuperCap wird umso interessanter, je kürzer die Überbrückungsdauer
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 7409.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Überblick über betrachtete SzenarienAnschluss eines 10 MW Windparks – Speicher zur Vermeidung des Ausbaus der Netzanbindung
Langreichweitige Stromübertragung mit HVDC-Leitungen
Kosten für Speicher zur Aufnahme von Energie bei drohender Abschaltung der WKA
USV-Funktionalität von Speichern in kritischen Industrieanwendungen
Einsatz von Gaskraftwerken als Spitzenlastkraftwerk
Thermische Speicher
Solarthermische Kraftwerke
Kraft-Wärme-Kopplung
Speicher in Fahrzeugen
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 7509.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Alternativen zu speziellen Speichern im Netz (Auswahl)
Langreichweitige Stromübertragung mit HVDC-Leitungen
Einsatz von Gaskraftwerken als Spitzenlastkraftwerk
Thermische Speicher
Solarthermische Kraftwerke
Kraft-Wärme-Kopplung
Speicher in Fahrzeugen
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 7609.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Einsatz von Gaskraftwerken
Betrieb der Anlagen in Zeiten ausgedehnter Flauten bzw. Dunkelperioden
Probleme: hohe Brennstoff- und CO2-Kosten starke Abhängigkeit von Preisentwicklungengeringe Volllaststundenzahlnur positive Regelleistung
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 7709.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
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
0
5
10
15
20
25
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000Volllaststunden [h/a]
Stro
mge
steh
ungs
kost
en [€
ct/k
Wh] SCPP 5 €/GJ, 20 €/t CO2
SCPP 10 €/GJ, 20 €/t CO2CCPP 5 €/GJ, 20 €/t CO2CCPP 10 €/GJ, 20 €/t CO2
Quelle: Studie Speicher, ETG/VDE, 2008/2009
SCPP CCPPefficiency 39.5% 58.0% Interest rate 6%capital cost (€/kW) 320 680 Return on equity 12%O&M fixed cost (€/kW) 20 20 Discount rate 9%O&M variable cost (€ct/kWh) 2.5 2.0 Debt/equity ratio 70/30Economic plant life time (years) 25 25 Debt repayment period (years) 15
Vergleich mit Pumpspeicherkraftwerk:3 ct/kWh Speicher + 5 ct/kWh Strom
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 7809.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Überblick über betrachtete SzenarienAnschluss eines 10 MW Windparks – Speicher zur Vermeidung des Ausbaus der Netzanbindung
Langreichweitige Stromübertragung mit HVDC-Leitungen
Kosten für Speicher zur Aufnahme von Energie bei drohender Abschaltung der WKA
USV-Funktionalität von Speichern in kritischen Industrieanwendungen
Einsatz von Gaskraftwerken als Spitzenlastkraftwerk
Thermische Speicher
Solarthermische Kraftwerke
Kraft-Wärme-Kopplung
Speicher in Fahrzeugen
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 7909.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Alternativen zu speziellen Speichern im Netz (Auswahl)
Langreichweitige Stromübertragung mit HVDC-Leitungen
Einsatz von Gaskraftwerken als Spitzenlastkraftwerk
Thermische Speicher
Solarthermische Kraftwerke
Kraft-Wärme-Kopplung
Speicher in Fahrzeugen
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 8009.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Speicher im Verteilnetz – 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.
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 8109.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Solarthermische Kraftwerke mit Wärmespeicher
Source:Ciemat, Plata Forma Solar, Dr. Romero
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 8209.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Initiative Desertec
Quelle Bilder & Graphiken: Spiegel Online
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 8309.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Überblick über betrachtete SzenarienAnschluss eines 10 MW Windparks – Speicher zur Vermeidung des Ausbaus der Netzanbindung
Langreichweitige Stromübertragung mit HVDC-Leitungen
Kosten für Speicher zur Aufnahme von Energie bei drohender Abschaltung der WKA
USV-Funktionalität von Speichern in kritischen Industrieanwendungen
Einsatz von Gaskraftwerken als Spitzenlastkraftwerk
Thermische Speicher
Solarthermische Kraftwerke
Kraft-Wärme-Kopplung
Speicher in Fahrzeugen
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 8409.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Alternativen zu speziellen Speichern im Netz (Auswahl)
Langreichweitige Stromübertragung mit HVDC-Leitungen
Einsatz von Gaskraftwerken als Spitzenlastkraftwerk
Thermische Speicher
Solarthermische Kraftwerke
Kraft-Wärme-Kopplung
Speicher in Fahrzeugen
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 8509.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
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,
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 8609.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
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)
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 8709.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Verbrauchs- und Wirkungsgradbetrachtungen
HybridfahrzeugIm europäischen Fahrzyklus bis zu 20%Einsparung gegenüber konv. Fahrzeug
Plug-in HybridGesamtverbrauch und Effizienz von der Auf-teilung der Antriebsleistung abhängig
ElektrofahrzeugEnergiebedarf ca. 12 – 18 kWhWirkungsgrad „nach Stromerzeugung bis Antriebsenergie im Fahrzeug“: ca. 75%CO2-Ausstoss abhängig vom Kraftwerkspark
Konventionelles FahrzeugVerbrauch real 5 – 7 l/100km Wirkungsgrad 20 - 25% im Zyklusmittel
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 8809.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Topologie von Hybrid- (HEV) und Plug-in Hybridfahrzeugen (PHEV)
Clu
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1B
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ansm
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Elec
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mot
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lect
roni
cs
Gen
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or
Tank
Parallel-Hybrid Serien-Hybrid (inkl. Range-Extender)
Graphik: Dr. Kube, Volkswagen Konzernforschung, 2007
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 8909.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Kennzahlen von Mobilität und Stromversorgung in Deutschland
46 Millionen PKW
Mittlere tägliche Fahrleistung: 37 km / Tag
Mittlere jährliche Fahrleistung: 13.500 km / Jahr
Anteil der Gesamtfahrleistung von PKW (ohne Transportsektor) auf Strecken unter 50 km: ca. 63%
Stromverbrauch in Deutschland etwa 600 TWh
Primärenergiebedarf Verkehrssektor etwa 600 TWh
100% PKW rein elektrisch würden nur rund 100 – 120 TWh benötigen
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 9009.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Verkehrsverteilung über den Tag (San Diego / USA)
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Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 9109.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Chancen der Doppelnutzung von Infrastruktur für Stromversorgung und Mobilität
Nutzungsdauer< 4 Stunden / Tag
10 kWh=
~5 kW
400 V
10 kV / 20kV
10 kWh=
~5 kW
400 V
10 kWh=
~5 kW
400 V
10 kWh=
~5 kW
400 V
10 kWh=
~3 kW
400 VPro Fahrzeug:20 h/Tag verfügbar10 kWh Speicher3 kW Leistung3 kW Anschluss ist einphasig an allem normalen
Haussicherung möglich.Für durchschnittlicher Fahrleistung von 37 km/Tag werden 2,5 Stunden pro Tag benötigt, um über einen 3 kW Anschluss nachzuladen.Pro zu fahrendem km werden 3 bis 4 Minuten zur Nachladung benötigt.
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Nr. 9209.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Derzeit in Deutschland ca. 46 Mill. Kraftfahrzeuge4 Millionen Fahrzeuge (< 10%) als bidirektionale Plug-in Hybride ergeben
12 GW Anschlussleistung für 3,3 Stundenoder 8 Stunden mit 5 GW Leistung (entspricht in etwa der Leistung der Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland)
Chancen der Doppelnutzung von Infrastruktur
Nutzungsdauer< 4 Stunden / Tag
Pro Fahrzeug:20 h/Tag verfügbar10 kWh Speicher5 kW Leistung
10 kWh10 kWh=
~5 kW
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5 kW
400 V400 V
10 kV / 20kV10 kV / 20kV
10 kWh=
~5 kW
400 V
10 kWh=
~5 kW
400 V
10 kWh=
~5 kW
400 V
10 kWh=
~5 kW
400 V
10 kWh=
~5 kW
400 V
10 kWh=
~5 kW
400 V
10 kWh=
~5 kW
400 V
10 kWh=
~5 kW
400 V
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 9309.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Optionen der Fahrzeuge als Regelelemente des Netzes
Unidirektionaler Energiefluss Positive Regelleistung und negative Regelleistung möglich
Positive Regelleistung entsteht beim Stoppen des Ladevorgangs. Aus Sicht der Netzstabilität ist eine Verringerung der Last gleichbedeutend mit einer Erhöhung der Erzeugungskapazität.
Negative Regelleistung entsteht beim Einschalten des Ladevorgangs bei entsprechender Anforderung des Netzes.Vorteile: geringer Aufwand am Ladegerät (reiner Gleichrichter), keine Zusatzbelastung der Batterie durch Teilnahme am Regelmarkt
10 kWh=
~3 kW
400 V
10 kV / 20kV
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Nr. 9409.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Optionen der Fahrzeuge als Regelelemente des Netzes
Bidirektionaler Energiefluss Positive Regelleistung und negative Regelleistung möglich
Positive Regelleistung kann durch Stoppen des Ladevorgangs oderdurch aktive Einspeisung von Energie aus der Batterie in Netz erfolgen. Dadurch kann sich die pos. Regelleistung verdoppelt, bzw. sie kann auch bereit gestellt werden, wenn die Batterie bereits vollgeladen ist.
Negative Regelleistung entsteht beim Einschalten des Ladevorgangs bei entsprechender Anforderung des Netzes.Nachteile: höherer Aufwand für Ladegerät, Zusatzbelastung der Batterie durch zusätzliche Zyklisierung
10 kWh=
~3 kW
400 V
10 kV / 20kV
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Nr. 9509.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Optionen der Fahrzeuge als Regelelemente des Netzes
Fahrzeuge wirken aus Netzsicht als statistisches Ensemble Es ist nicht von Relevanz, ob ein einzelnes Fahrzeug gerade für die Regelleistung bereitsteht oder nicht. Wie beim Verbrauch insgesamt kommt es nur auf das statistische Mittel aller Fahrzeuge an.Es ist nicht notwendig, dass das Netz über den Zustand jeden einzelnen Fahrzeugs bescheid weiß.Es werden Prognosen über die Regelfähigkeit des Fahrzeugparks in gleicher Weise erstellt werden können, wie für die Lasten heutzutage.
10 kWh=
~3 kW
400 V
10 kV / 20kV
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Nr. 9609.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Positive und negative Regelleistung bereitstellen– durch gezieltes Ein- und Ausschalten des Ladevorgangs– durch Rückspeisung von Energie in Netz
zusätzlich Systemdienstleistungen erbringen– Bereitstellung von Blindleistung– Phasensymmetrierung– Flickerkompensation– Oberwellenkompensation
Alle Speicheraufgaben im Netz auf der Zeitskala zwischen msec und einem Tag lösen.Ertrag durch Bereitstellung von Regelleistung wird auf 100 bis 300 €/Jahr abgeschätzt. (200 € entsprechen 1000 kWh oder 6666 km elektrische Reichweite)
Was können Elektrofahrzeuge für das Netz tun?
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 9709.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
0
20
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100
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200
0 20 40 60 80 100
Anteil der Plug-in Hybride an der Gesamtzahl der Fahrzeuge [%]
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Was Plug-in Hybride für die Stabilisierung des Netzes tun können …
Annahmen: 10 kWh Kapazität und 3 kW Ladeleistung pro Fahrzeug (in Deutschland)
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Nr. 9809.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Management und Regelstrategien für V2G-Konzepte
Anforderungen und Ziele von Fahrzeugführer und NetzbetreiberFahrzeugführer
Batterie soll immer vollgeladen sein, wenn das Fahrzeug benötigt wird (auch bei spontaner Nutzung)Die Stromkosten fürs Aufladen sollen minimiert werden.Die Lebensdauer der Batterie soll trotz Zusatzdiensten die Lebens-dauer des Fahrzeugs erreichten.Die Batterie soll an jedem Ort nachladbar sein.Der Fahrzeugführer erwartet eine zentrale Abrechnung, unabhängig davon, wo geladen worden ist.
NetzbetreiberDie Batterien sollen dann aufgeladen werden, wenn aus Sicht des Netzes Überschussleistung oder kostengünstige Leistung zur Verfügung steht.Die zu vergütenden Kosten für die aktive Nutzung des Fahrzeugspeichers sollen so gering wie möglich sein.Die Fahrzeuge sollen nicht zu einer lokalen Überlastung der Netze führen, so dass möglichst ein Ausbau der Verteilnetze vermieden werden kann.
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Nr. 9909.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Gestaffeltes Energiemanagementsystem – 3-Ebenen-Modell
1. Ebene: Energiemanagement, das die Interessen des Fahrzeugführers vertritt
2. Ebene: Regelsysteme, das eine Überlastung des lokalen Verteilnetzes vermeidet
3. Ebene: Energiemanagement, das die Interessen des Übertragungsnetzes wahrnimmt (beinhaltet u.a. konventionelle Kraftwerke, Windparks und Strombörse)
Management und Regelstrategien für V2G-Konzepte
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Nr. 10009.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
3-Ebenen-Modell – 1. Ebene: Energiemanagement, das die Interessen des Fahrzeugführers vertrittManagementsystem weiß, wann die Batterie wieder vollgeladen sein muss, um für die nächste Fahrt bereit zu stehen.
1. Möglichkeit: Selbstlernende Algorithmen erkennen das typische Nutzungsprofil und arbeiten danach
2. Fahrzeugführer teilt dem Fahrzeug beim Verlassen mit, wann die nächste Fahrt ansteht und welche Distanz gefahren werden soll
Managementsystem erhält die Vorhersage der zu erwartenden Strompreise jeweils 24 Stunden im voraus und wird im zur Verfügung stehenden Zeitraum bis zur nächsten Fahrt den Speicher zu geringstmöglichen Kosten aufladenManagementsystem entscheidet bei einem spontanen Regelbedarf desNetzes, ob das Fahrzeug aktiv in die Reglung einsteigt
Management und Regelstrategien für V2G-Konzepte
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Nr. 10109.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
3-Ebenen-Modell – 2. Ebene: Regelsystem, das eine Überlastung des lokalen Verteilnetzes vermeidetRückspeisung könnte zu einer Erhöhung der Spannungslage im lokalen Verteilnetz und damit zu Störungen führen.Regelsystem des bidirektionalen Umrichters überwacht daher, das nur dann Leistung eingespeist wird, wenn die zulässigen Spannungsgrenzen nicht überschritten werden (auch wenn es eine globale Anforderung nach Leistungsbereitstellung gibt)
System kann auch zur aktiven Stabilisierung des lokalen Verteilnetzes genutzt werden, in dem die lokale Power Quality stetig überwacht wird und im Rahmen der technischen Möglichkeiten die Power Qualityverbessert wird (Spannungshaltung, Blindleistungskompensation, Phasensymmetrierung, Flickerausgleich, …)
Management und Regelstrategien für V2G-Konzepte
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Nr. 10209.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
3-Ebenen-Modell – 3. Ebene: Energiemanagement, das die Interessen des Übertragungsnetzes wahrnimmt Energiemanagement des Übertragungsnetzes erstellt Leistungsbedarfsprognose und tageszeitabhängige Preisprognose und übermittelt die der 1. Ebene des Managementsystems (Vorausplanung)Ermittelt aktuellen positiven und negativen Regelleistungsbedarf und übermittelt den dezentrale Einheiten den Bedarf1. Ebene des Managementsystems entscheidet dann über die Erfüllung der Nachfrage
Management und Regelstrategien für V2G-Konzepte
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Nr. 10309.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Wo machen Speicher betriebswirtschaftlich Sinn?
Anwendung muss im Energiehandel wenigstens einen Zyklus garantieren
Immer wenn durch Spannungseinbrüche hohe Kosten durch Produktionsausfälle auftreten (USV-Funktionalität).
Im Stromhandel, wenn regelmäßig die Differenz zwischen Nachtstrom und Spitzenpreis am Tag wenigstens 3 €ct/kWh beträgt (Speicher adiabatischesCAES oder Pumpspeicher).
Anstelle von Spitzenlastkraftwerken (nicht Mittel- oder Grundlastkraftwerke)
Ggf. im Reserveleistungsmarkt (bislang keine Beispiele gerechnet, hier wären Daten zur Vergütung und Anforderung an Primär-, Sekundär- und Minutenreserve noch wünschenswert).
Netzausbau ist in vielen Fällen eine sehr günstige Option (relativ zu Speichern)
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Nr. 10409.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
Kurzfristszenario (10 Jahre) für Speicher im Stromnetz(Betriebsbereich einzelner Speichereinheiten)
spec
ific
pow
er [k
W/k
Wh]
installed storage capacity
typi
cal
disc
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e1 kW 100 kW 10 MW10 W
1
0.01
100
installed power
1 GW
100 GW
kWh MWh GWh TWh
10 ms
1 s
1 min
1 hour
½ day
1 week1 month
1 year
II - SuperCaps, SchwungradIII - BatterienIV - Redox-flow BatterienVI - bestehende PumpspeicherVII - Speicherkraftwerke (Wasser)
III
IV
VII
II
VI
installierte Speicherkapazität
typi
sche
Ent
lade
daue
rinstallierte Leistung
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Nr. 10509.02.2010Dirk Uwe Sauer
Energiespeicher für ein stabiles Stromnetz
1 kW 100 kW 10 MW10 W
1 GW
100 GW
Mittelfristszenario (25 Jahre) für Speicher im Stromnetz(Summe der jeweiligen Speicher, abgeschriebene bestehende Speichersysteme zusätzlich, aber nicht dargestellt)
installierte Speicherkapazität
typi
sche
Ent
lade
daue
rinstallierte Leistung
kWh MWh GWh TWh
10 ms
1 s
1 min
1 hour
½ day
1 week1 month
1 year
Fahrzeugspeicher+
Speicher in PV-Systeme+
thermische Speicher+
“Smart grid”-Management
Wasserstoff