Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie ...

Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe

Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie unter

Berücksichtigung des Mobilitätssektors bei hohem Anteil erneuerbarer Energien

Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer

Juniorprofessur Elektrochemische Energiewandlung & Speichersystemtechnik

Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA)

RWTH Aachen

SES-Fachtagung „Mythos Stromlücke“

Zürich, 31.08.2007


Folie 231.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie

Globale Herausforderung

Daraus folgen aus Klimamodellrechnungen nach Dr. Wolfram Krewitt(DLR) folgende Konsequenzen:

Stabilisation der globalen CO2-Konzentration unter 450 ppm

Reduzierung der durch Energieversorgung verursachten CO2 –Emissionen von heute 27 Gt/Jahr auf 10 Gt/Jahr in 2050

Mittlere Emissionsrechte pro Kopf in 2050: ~ 1 t CO2/a

Reduktion heutigen CO2-Emission in Deutschland auf ein ZehntelWolfram Krewitt, Scenarios of a future decentralised energy supply,

Symposium Decentralised Energy Systems, Oldenburg, 15./16.02.2007

The European Council and the European Parliament have both confirmed the EU’s objective to limit average global temperature

increase to a maximum of 2°C compared to pre-industrial level.Commission of the European Communities, January 2007



Wie verträgt sich das mit den „ernsthaften Erwägungen“von Heiligendamm (G8-Gipfel)?

Aber

die Bevölkerung wird laut Prognosen bis 2050 von 6 auf 10 Milliarden wachsen und

wodurch soll 2050 noch gerechtfertigt sein, dass die heutigen Industrie-länder 5x mehr CO2 /Kopf ausstoßen dürfen als der Rest der Welt ?

Angepeilt wird eine Halbierung der CO2-Emission bis 2050.

Das würde fast reichen, wenn

weltweit die Bevölkerung nicht wachsen würde und

alle Länder der Welt den Absolutausstoß um 50% reduzieren.

CO2 / Kopf und Jahr



Unternehmerische und volkswirtschaftliche Herausforderungen

Wie sehen Energieversorgung und Kraftwerkspark 2050 aus?

In welcher Form wird Energie genutzt werden und welche Konsequenzen ergeben sich daraus für die Versorgungsinfrastruktur?

Wird es Technologiesprüngen kommen, die den Aufbau neuer, paralleler Infrastrukturen notwendig macht?

Können die vorhandenen Infrastrukturen auf lange Sicht evolutionär weiterentwickelt werden?

Welche langfristigen Investitionsentscheidungen in die Versorgungs-infrastruktur müssen getroffen werden?



Vorbemerkungen

Nachstehende Technologieszenarien beziehen sich auf das zu erreichende CO2-Senkungsziel in 2050.

Auf dem Weg dahin wird es noch Übergangstechnologien geben, die hier u.U. nicht auftauchen.

Ein weit reichender Umbau der Energieversorgung wird nicht durch den Markt alleine kommen (die Ressourcen fossiler und nuklearer Energie-träger gehen bis 2050 noch nicht zu Ende).

Nachfolgende Betrachtungen konzentrieren sich auf urbane Energiever-sorgung. Gütertransport (Land, Wasser) und Flugverkehr werden nicht betrachtet.

Energie wird nie wieder so günstig sein wie heute. Durch Effizienzstei-gerung müssen aber die individuellen Ausgaben für Energie nicht steigen.



Wie sehen Energieversorgung und Kraftwerkspark 2050 aus?

Energieeinsparung

CO2-freie StromerzeugungErneuerbare Energien (Wind, Photovoltaik, Solarthermie, Wellen- und Strömungsenergie, Geothermie, Wasserkraft, Biomasse, …)

Kohle und Gas mit CO2-Sequestrierung (Clean Coal) (?)

Kernspaltung, Kernfusion (??)

Europäische Vernetzung für große Leistungstransfers auch aus Nordafrika

GasversorgungMigration von Erdgas zu Erdgas- / Biogas- / Wasserstoffgemisch mit dezentraler Einspeisung und steigendem Anteil Biogas und H2

Wasserstoff aus Überschüssen erneuerbare Energien, ansonsten direkte elektrische Nutzung bevorzugt

KraftstoffDruckgas (Gemisch wie oben)

Synthetische Biokraftstoffe (BTL), weltweiter Handel



Quelle: Powerlight Corporation

Wichtigste Technologien erneuerbarer EnergienStrom

Wind

Solarthermische Kraftwerke (Südeuropa, Nordafrika)

Photovoltaik

Biogas

Tiefengeothermie

Wasserkraft

WärmeOberflächennahe Erdwärme

Solarthermie (nicht-konzentrierend)

Biomasse

TreibstoffeBiofuels (BTL)

Wasserstoff aus thermochemischen Prozessen und Elektrolyse (?)

Quelle: GtV e.V.Quelle: GtV e.V.

Quelle: K. Puchas, LEA Oststeiermark Quelle: K. Puchas, LEA Oststeiermark



Innerstädtisch nur noch mit elektrischem Antrieb – mit (Ober-)Leitungen, Batterien, Brennstoffzellen-Hybride (SOFC)

InfrastrukturbedarfBatterieladestationen an Bushöfen(typ. 100 kW pro gleichzeitiger Busladung)

(Ober-)Leitungen

Gasversorgung und flüssige Biokraftstoffe für HT-Brennstoffzellen

Öffentlicher Personennahverkehr



Innerstädtisch nur noch mit elektrischem Antrieb – mit (Ober-)Leitungen, Batterien, Brennstoffzellen-Hybride (SOFC)

InfrastrukturbedarfBatterieladestationen an Bushöfen(typ. 100 kW pro gleichzeitiger Busladung)

(Ober-)Leitungen

Gasversorgung und flüssige Biokraftstoffe für HT-Brennstoffzellen

Öffentlicher Personennahverkehr



Innerstädtisch nur noch elektrisch mit Batterien (bis 60 – 100 km/Tag)

Überland & Autobahn mit Plug-inHybriden mit Verbrennungsmotor oder Brennstoffzelle (Biokraftstoff, Druckgas)

InfrastrukturbedarfBidirektionale Leistungsfluss in allen Netzsegmenten (5 kW pro Haushalt)

Starke Anschlüsse für Parkplätze und Parkhäuser

Energiemanagement und Kommunikation

Tankstellen für synth. Biokraftstoffe und Druckgas für Motor oder Brennstoffzelle

Individualverkehr



Innerstädtisch nur noch elektrisch mit Batterien (bis 60 – 100 km/Tag)

Überland & Autobahn mit Plug-inHybriden mit Verbrennungsmotor oder Brennstoffzelle (Biokraftstoff, Druckgas)

InfrastrukturbedarfBidirektionale Leistungsfluss in allen Netzsegmenten (5 kW pro Haushalt)

Starke Anschlüsse für Parkplätze und Parkhäuser

Energiemanagement und Kommunikation

Tankstellen für synth. Biokraftstoffe und Druckgas für Motor oder Brennstoffzelle

Individualverkehr



Thermische Isolation wird Heizbedarf auf weniger als 20 kWh / m2 / Jahr senken

Heizenergie aus Wärmepumpen (~ 600 kWh/Jahr für 120 m2).

Warmwasser aus thermischen Kollektoren

Zusätzlicher Strombedarf für Individual-verkehr (ca. 3000 kWh / 18.000 km/Jahr)

„Normaler“ Strombedarf weniger als 50% verglichen mit heute (< 2000 kWh/Jahr)

Infrastrukturbedarf:Bestehende Stromnetze ausreichend, aber voller bidirektionaler Leistungsfluss

Installation von Wärmepumpensystemen

Energiebedarf in Einzelhäusern



Thermische Isolation wird Heizbedarf auf weniger als 20 kWh / m2 / Jahr senken

Heizenergie aus Wärmepumpen (~ 600 kWh/Jahr für 120 m2).

Warmwasser aus thermischen Kollektoren

Zusätzlicher Strombedarf für Individual-verkehr (ca. 3000 kWh / 18.000 km/Jahr)

„Normaler“ Strombedarf weniger als 50% verglichen mit heute (< 2000 kWh/Jahr)

Infrastrukturbedarf:Bestehende Stromnetze ausreichend, aber voller bidirektionaler Leistungsfluss

Installation von Wärmepumpensystemen

Energiebedarf in Einzelhäusern



Wärme- und Kältebedarf aus KWK-Anlagen mit Absorptionskältemaschinen und Wärmespeichern

KWK-Anlagen mit Gas

Strom für alle anderen Verbraucher

Infrastrukturbedarf:Gasversorgung

Stromanschluss

Energiemanagementsysteme

Nahwärme- und Kältesysteme

Thermische Speicher (Tagesspeicher und saisonale Speicher)

Energiebedarf in Mehrfamilienhäusern und Funktionsgebäuden



Wärme- und Kältebedarf aus KWK-Anlagen mit Absorptionskältemaschinen und Wärmespeichern

KWK-Anlagen mit Gas

Strom für alle anderen Verbraucher

Infrastrukturbedarf:Gasversorgung

Stromanschluss

Energiemanagementsysteme

Nahwärme- und Kältesysteme

Thermische Speicher (Tagesspeicher und saisonale Speicher)

Energiebedarf in Mehrfamilienhäusern und Funktionsgebäuden



stromgeführte Kraft-Wärme-Kopplung

Doppelnutzung von Speichern für Stromversorgung und Mobilität

Ausweitung der transnationalen Stromtransportkapazitäten

Energie- und Leistungsbereiche von elektrischen Speichertechnologien

Maßnahmen zur Stabilisierung des Stromnetz bei hohem Anteil erneuerbarer, fluktuierender Stromerzeuger



Konsequente Umstellung auf stromgeführte KWK-Anlagen

Thermische Speicher als kostengünstige Alternative zu Stromspeichern

Tagesspeicher und saisonale Speicher (Erdreichspeicher) für thermische Energie

Einsatz der KWK-Anlagen als virtuelles, verteiltes Spitzenlastkraftwerk zum Ausgleich fluktuierender Stromerzeugung und Lasten

Einsatz thermischer Speicher in KWK-Anlagen



Neben Strom wird Gas zentraler Energieträger sein (KWK-Anlagen, industrielle Wärme, Transportsektor, Spitzenlastkraftwerke)

Erdgasinfrastruktur kann durch kontinuierliche Erhöhung von Beimischungen weiter genutzt werden.

Dezentrale Einspeisung von Biogas aus landwirtschaftlichen Betrieben und zentral durch Importe

Wasserstoff aus Überschüssen aus CO2-freien Quellen (nur wenn Strom über starke transeuropäische Netze nicht abgenommen werden kann)

Gasleitungen und Endverbraucher müssen für steigenden Wasserstoffgehalt ertüchtigt werden.

Migration der Gasversorgung



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=

~5 kW

400 V

Pro Fahrzeug:

20 h/Tag verfügbar10 kWh Speicher5 kW Leistung



Derzeit in Deutschland ca. 46 Mill. Kraftfahrzeuge

4 Millionen Fahrzeuge (< 10%) als bidirektionale Plug-in Hybride ergeben 20 GW Anschlussleistung für 2 Stunden

oder 8 Stunden mit 5 GW Leistung (entspricht in etwa der Leistung der Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland)

35% der Fahrzeuge decken die mittlere elektrische Last in Deutschland gut drei Stunden zu 100%

Chancen der Doppelnutzung von Infrastruktur

Nutzungsdauer< 4 Stunden / Tag

Pro Fahrzeug:

20 h/Tag verfügbar10 kWh Speicher5 kW Leistung

10 kWh10 kWh=

~

5 kW=

~

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

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~

5 kW

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~

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10 kWh=

~

5 kW

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10 kWh=

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5 kW

400 V

10 kWh=

~

5 kW

400 V



Elektrofahrzeuge und Plug-in Hybridfahrzeuge als Netzspeicher

10 kWh Batteriespeicher für etwa 60 km Reichweite (Mittelklasse-Pkw)

Bidirektionale Netzladegeräte mit 5 kW installierte Leistung (zugelassen für alle Haushalte ohne Genehmigung)

Nutzungsdauer für Laden und Fahrzeugbetrieb < 4 Stunden pro Tag

Speicher mit 10 kWh Kapazität stehen 20 Stunden am Tag bei 5 kW Anschlussleistung pro Fahrzeug zur Verfügung

Derzeit in Deutschland ca. 40 Mill. Fahrzeuge

10% der Fahrzeuge als bidirektionale Plug-in Hybride ergeben 20 GW Anschlussleistung für 2 Stunden

oder 8 Stunden mit 5 GW Leistung (entspricht in etwa der Leistung der Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland)

40% der Fahrzeuge decken die mittlere elektrische Last in Deutschland für 4 Stunden zu 100%

Chancen der Doppelnutzung von Infrastruktur



Weit entwickelte Technik insbesondere aus dem Bereich autonomer Stromversorgungen (Dorfstromversorgungen)

Trend auch bei Leistungen < 5 kW zu dreiphasigen Umrichternsymmetrische BelastungReduzierung der Eingangskondensatoren (typischerweise

Elektrolytkondensatoren) und damit Erhöhung der Zuverlässigkeit

Umrichter können zusätzlich Systemdienstleistungen erbringenBereitstellung von BlindleistungPhasensymmetrierungFlickerkompensationOberwellenkompensation

Netzparallel- oder Inselbetrieb möglichInselbetrieb vor allem interessant, wenn zusätzlich PV-Anlage oder

anderer Stromerzeuger im Haus ist

Bi-Direktionale Ladegeräte



Energiespeicher vs. Energietransport

Übertragungsnetz ist Rückgrat der europäischen Stromversorgung.

Übertragungsnetz

hoher Wirkungsgrad (HVDC ~ 5% Verluste / 1000km)

hohe Investitionskosten

teuer in dünn besiedelten Gebieten

Internationale Kooperation und Stabilität notwendig

Planung und Bau sehr zeitaufwändig.

Transportleistung begrenzt (~ 1 GW / )

Speichersysteme

Wirkungsgrad abhängig Technologie (30 - 85% Strom in Strom)

sehr flexibel in Bezug auf Leistung und Energiekapazität

verringert Abhängigkeit von Drittstaaten durch Erhöhung der Energieautonomie

teuer

in Inselnetzen unvermeidbar

Vor- und Nachteile von Speichern und Übertragungsnetzen:



Technologien für die Speicherung elektrischer Energie

Pumped hydro

Pumped hydro

Superconductive coils

Superconductive coils

FlywheelsFlywheels

Compressed air

Compressed air

Supercapacitors

Supercapacitors

Supercapacitor

Redox-Flow batteries

Redox-Flow batteries

HydrogenBatteries - lead-acid, lithium, NaNiCl, ...

Batteries - lead-acid, lithium, NaNiCl, ...

Hydrogen



Speichergrößen für verschiedene Anwendungen

spec

ific

po

wer

[kW

/kW

h]

installed storage capacity

typ

ical

dis

char

ge

tim

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

4 - village power supply5 - load levelling LV6 - load levelling MV7 - load levelling HV8 - stabilisation of wind t.

10 - UPS9 - single home storage

4

5 6 7

8

9

10



Betriebsbereich verschiedener Speichertechnologiensp

ecif

ic p

ow

er [

kW/k

Wh

]


typ

ical

dis

char

ge

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, flywheelsIII - batteriesIV - redox-flow batteriesV - compressed airVI - pumped hydro

I - capacitors, inductors

VII - hydro storageVIII - hydrogen storage

I

III

IV

VII

II

V VI

VIII



Schnittmenge Anwendungen & Speichertechnologien

spec

ific

po

wer

[kW

/kW

h]


typ

ical

dis

char

ge

tim

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



Leistungselektronik und Batteriespeicher

Ankopplung an das Netz grundsätzlich nur über Leistungselektronik möglich

Neben dem reinen Leistungs- und Energiefluss können Leistungselektronik und Batteriespeicher zusammen Zusatzleistungen bringen:

Extrem schnelle Leistungsbereitstellung (Volllast in < 10 ms)

Phasensymmetrierung

Oberwellenkompensation

Bereitstellung von Blindleistung

Flickerkompensation

Spannungs- und Frequenzstabilisierung (nur in nicht zu großen Netzverbünden)

Anlagen bis 50 MWh / 50 MW auf Basis von Blei- und NiCd-Batteriensind Stand der Technik - höhere Leistungen durch modulare Erweiterung



Strom bekommt relativ eine deutlich zunehmende Bedeutung Energieversorgung der Zukunft durch Verkehr und Hauswärme.

Vorhandene Infrastrukturen der Energieversorgung können evolutionär auf die Anforderungen der Zukunft weiterentwickelt werden.

Plug-in Hybride und Elektrofahrzeuge bringen enorme Regelenergie und Regelleistung in die Netze.

Intelligente Regelung und Steuerung von dezentralen KWK-Anlagen und Speichern werden auch einen sehr hohen Anteil fluktuierender Stromerzeugung bei stabilen Netzen ermöglichen.

Fazit

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