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Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V. Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V. S.1 E. Waffenschmidt Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V. Aachen, 13.Nov.2010 Langzeitspeicher für Erneuerbare Energien

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Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.

S.1

E. Waffenschmidt

Solarenergie -Förderverein Deutschland e.V.

Aachen, 13.Nov.2010

Langzeitspeicher für Erneuerbare

Energien

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Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.

100% Erneuerbare Energien sind möglich

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Inhalt

� Wie viel Speicher brauchen wir eigentlich?

� Welche technischen Möglichkeiten gibt es für Speicher?

� Was kostet das?� Wie schaffen wir Anreize für den

Ausbau?

S.4

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Zeitrahmen

� Sekunden Primär- und Sekundär-Regelung� Minuten Last-Änderungen (Minuten-Reserve)� Stunden Unbestimmte Erzeugung � ½ bis ganze Tage Tag-Nacht-Ausgleich� Woche Groß-Wetterlage

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Die Bausteine

� Anpassung an Verbrauch� Lastverschiebung� Ergänzung der Energieformen� Ausgleich über große Distanzen� Im- und Export� Regelbare Erzeugung� Speicherung

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Anpassung an Verbrauch: Kombikraftwerk

http://www.kombikraftwerk.de/fileadmin/flash/kk_jahresstatistik_06.swf

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Wie groß ist die „Stromlücke“?

Differenz / GW

Zeit / hSpeicherzustand / GWh

Zeit / h

Speichergröße = 20TWh

Deutschland, 4. Quartal des Jahres 1991Erzeugung / GW

Zeit / h

Jahressummen:Solar = 150 TWhWind = 400 TWhHydro = 25 TWhBio = 0 TWh

Eigene Berechnungen nach Daten aus [5]

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Ausgleich über große Distanzen

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1. Sept. 2009, 16:00 UTC1. Sept. 2009, 16:00 UTC

http://www.sat24.com/history.aspx?country=euhttp://www.sat24.com/history.aspx?country=eu

Wetter ist nicht berechenbar.

Aber:� Wenn die Sonne hier nicht

scheint, scheint sie vielleicht wo anders

„Glätten“ der Erzeugung

� Einzelner Standort: Sekunden

� Verbund: Sekunden bis Minute

� Region: Einige Minuten� Deutschland: Minuten bis Stunde

Standortwahl:

� Großräumige Verteilung besser als Konzentration in einer Region

� Nicht allein Quantität sondern auch „Qualität“ beachten

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Potentialnutzung

Graphiken: DLR[12]

Regenerative Energiepotentiale in Europa / Mittlerer-Osten / Nord-Afrika (EUMENA)

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Vision eines HGÜ-NetzesTRANS-CSP Studie für DESERTEC

■ Europäisches Backbone:„Strom-Autobahnen“

■ Nur 10% Verluste über 3000km

■ in 2050:20 x 5GW HGÜ von Afrika

■ bis zu 15% des europäischen Bedarfs aus Nord-Afrika

Bild: DLR[12]

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Fazit

�Bedarf von vielen Faktoren abhängig z.B: � Größe des Netz-Gebietes� Räumliche Verteilung der einzelnen Erzeuger� Vernetzung� Nutzungsgrad (Abschalten / Kappen bei extremen Wetterlagen)

� „Trade-Off“ zwischen Netzausbau und Speichern

* nach Kombikraftwerk, 2008 [10]

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Speichertechniken

� Redox-Flow Batterien� Pumpspeicherkraftwerk� Druckluftspeicher� Wasserstoff� Methanol

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Redox-Flow Batterien

Beispiel: King Island, Tasmanien, 200kW / 4h

Funktionsweise:

� Speichern: Flüssigkeit wird elektrochemisch „aufgeladen“

� Erzeugen: Flüssigkeit wird elektrochemisch „entladen“

� Speichermedium:z.B. Vanadium-Salz-Lösung

Typ. technische Daten:

� Leistung: einige 100 kW

� Energiemenge: für einige Std.� Wirkungsgrad: >75%

� Speicherdauer: Grundsätzlich unbegrenzt, typ. Tage bis Wochen

Weitere Info:http://en.wikipedia.org/wiki/Vanadium_redox_batteryhttp://www.isea.rwth-aachen.de/isea2/forschung/batterien/technologie.php?site=tec_redox.php

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Pumpspeicherkraftwerke

Funktionsweise:� Speichern:

Wasser hoch pumpen� Erzeugen:

Turbine mit Wasser antreibenTyp. technische Daten:� Leistung: bis zu 1GW� Energiemenge: für mehrere Std.� Wirkungsgrad: >80%� Speicherdauer: UnbegrenztInsgesamt in Deutschland� Leistung: 6.6 GW � Speichergröße: ca. 30..60 GWh

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iche

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Spe

iche

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Erz

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Beispiel: Pumpspeicherwerk Koepchenwerk an der Ruhr

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Ringwallspeicher

12 km12 km

Bild der Wissenschaft 10/2010Bild der Wissenschaft 10/2010www.ringwallspeicher.dewww.ringwallspeicher.de

215m215m

3000 GWh3.2 GWpk

3000 GWh3.2 GWpk

ca. 7..30x in Deutschlandfür 1/2 bis 1 Monat

ca. 7..30x in Deutschlandfür 1/2 bis 1 Monat

50m50m

20m20m

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Druckluft-Speicher

Beispiel: Hundorf, Deutschland, 290MW / 2h

Funktionsweise:� Speichern:

Hohlraum „aufpumpen“� Erzeugen:

Turbine mit Druckluft antreiben� Hohlraum

Salzkavernen oder andere unterirdische Hohlräume

Typ. technische Daten:� Leistung: einige 100 MW� Energiemenge:

für ein bis zwei Std.� Wirkungsgrad: um 60%� Speicherdauer: Stunden bis Tage

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S.18

Druckluft-SpeicherBesonderheit� Wärmeentwicklung bei

Kompression� „Kälteentwicklung“ bei

Dekompression

� Nachheizen mit Gasoder

� Wärmespeicherung (adiabatischer Betrieb)

Motor Kompressor

Druckluft-Kaverne

Turbine Generator Strom-Netz

StromausErneuerbaren

Wärmespeicher

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Wasserstoff-SpeicherFunktionsweise:� Speichern:

Wasserstoff erzeugen (Elektrolyse)

� Erzeugen: Brennstoffzelle oder Turbine

� HohlraumSalzkavernen oder andere unterirdische Hohlräume

Typ. technische Daten:

� Leistung: einige 100 MW bis GW

� Energiemenge: für Tage bis Wochen

� Wirkungsgrad: 20 bis 40%

� Speicherdauer: Wochen bis MonatePotential

� Vergleichbar mit Erdgas-Speicher

� Gasbedarf für mehrere Monate

Bild: ebi

Bild: Wasserstoff-Brennstoffzelle

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Wasserstoff-Speicher

Gasförmig

Flüssig

Wec

hsel

stro

m (

AC

)

Gle

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(D

C)

Was

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toff

Gas

Kom

prim

iert

Tra

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rt

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erei

tet

gesp

eich

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DC

AC

Ele

ktro

lyse

Fue

l-Cel

l 25%

20%

100%

Strom-Erzeugung Verbraucher

Transport und Speicherung von Wasserstoff

Graphik nach Ulf Bossel [13]

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Gas-Speicher

CO2

Luft

Wasser

Strom

Wärme

Gas-Netz

H2O

Methan (Erdgas)

Luft

Wasser

StromMethan

CO2

H2O

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Methanol (flüssig)

Nach Specht [14]

� Flüssiger Treibstoff

� Unbegrenztlagerbar

� Verwendbar in �Verbrennungs-

motoren�Brennstoffzellen

zur Stromerzeugung

Herstellprozess

Luft

Wasser

Energie

Absorber

NaOH H2SO4Elektro-dialyse

Stripper

Na2CO3

Na2SO4

MethanolCu/CuO

Katalysator

H2

CO2

(CO2)

Elektrolyse

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Methanol

Nach Specht [15]

012345678

Ene

rgie

beda

rf /

kWh/

l

CCSCO2

Trans

port

CO2 Abs

orpt

ion

H2 Elek

trolys

e un

d

Met

hano

l Syn

thes

eTra

nspo

rtVer

teilu

ng

Methanolherstellung

CCS: 9.5 kWh/l

Luft: 11.4 kWh/l

1.4

0.3

3.6

7.6

0.2 0.01

� Energie-Gehalt: 4.4 kWh/l

Laborversuch:� Energie-Effizienz bis

zur Flüssigkeit:η = 38%

� Schon 1998 gezeigt:

� Kostenabschätzung1.10 DM/l(=2.30 DM/l Benzin-Äquivalent)

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Kostenberechnung von Speichern

Leistung [kWh]

Zyklen [Anz./Tag]

Systemlebensdauer[Jahre]

Kapitalkosten[%/Jahr]

Stromkosten[€Ct/kWh]

Energie[kWh]

Wirkungsgrad [%]Selbstentladung [%/Tag]

max. Entladetiefe [%]

Zyklenlebensdauer[Anz.]Wartung & Reparatur

[%/Jahr]

Kosten pro installierter Kapazität [€/kWh]

Kosten Umrichter[€/kWh]

Speicherkostenfür Energiedurchsatz

[€Ct/kWh]

Definition Referenzfall Definition Speichertechnologie

Nach D.U.Sauer, RWTH Aachen, 15.11.2009,

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Kostenberechnung von Speichern

Initiale KostenSpezifische

KostenSpezifische

KostenSpezifische

Kosten

Initiale Kosten Spezifische Kosten

Wenige Zyklen:Initiale Kosten dominieren

Viele Zyklen:Spezifische Kosten dominieren

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Betriebskosten von Speicher und HGÜ

5 10 20 30 40 50 60Kosten / [€ct/kWh]

Wasserstoff MonatlichTäglich

Druckluft(adiabatisch)

MonatlichTäglich

Pumpspeicher

Zink-Brom

Redox-Flow(Vanadium)

NaNiCl(Hochtemp.)NaS (Hochtemp.)

Li-Ion

NiCd

Blei

Täglich (abh. vom Standort)Monatlich (abh. vom Standort)

10Jahre heute

TageszeitlichTäglich

TageszeitlichTäglich

TageszeitlichTäglich

TageszeitlichTäglich

Tageszeitlich

Monatlich:500MW, 100GWh, 1.5 Zyklen/Monat

Täglich:1GW, 8GWh, 1 Zyklus/Tag

Tageszeitlich:10MW, 40MWh, 2 Zyklen/Tag

Stromkosten 4€CtZins 8%

TageszeitlichTäglich

TageszeitlichTäglich

Speicherdaten nach D.U.Sauer [16]

HGÜ[17]

Täglich

0km 5000km2GW, 25% Auslastung

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Variable Strompreise

� Viel Strom: Strom ist billig • Speicher aufladen, • Energie gebrauchen

� Wenig Strom: Strom ist teuer• Speicher entladen, • Energieverbrauch verschieben

Siehe auch W. Schittek, 2008 [11]

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Börsenpreis

Gewinn-Optimierung

EEX-Börsenpreis Spotmarkt Day Ahead

28.Sep.2009 11.Okt.2009

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S.29

Vorschlag SFV

Gesetzliche Regelung beinhaltet:� Strompreis abhängig von

Angebot und Nachfrage� Einspeisung von „steuerbarem“ Strom

wird vergütet wie Regelenergie� Netzgebühr wird bei Einspeisung von

Speicherenergie rückerstattet� Zusätzlich Speicherbonus

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Speicher für Erneuerbare Energien...

� Sind notwendig� Sind machbar� Sind bezahlbar

Wir m üssen es angehen!

Photo: ebi

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Literatur[1] Pumpspeicherwerk Niederwartha, http://de.wikipedia.org/wiki/Pumpspeicherwerk_Niederwartha

[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Vanadium_redox_battery

[3] http://www.isea.rwth-aachen.de/isea2/forschung/batterien/technologie.php?site=tec_redox.php[4] Ralf Simon, Christian Pohl, Kerstin Kriebs,

„Einsatzmöglichkeit einer NaS-Batterie für die Regenerativstromversorgung am Beispiel der Gemeinde Bruchmühlbach“Institut für Innovation, Transfer und Beratung GmbH, Transferstelle Bingen, im Auftrag des Ministerium für Umwelt und Forsten Rheinland-Pfalz, 10.03.2006, www.tsb-energie.de.

[5] Volker Quaschning, "Systemtechnik einer klimaverträglichen Elektrizitätsversorgung in Deutschland für das 21. Jahrhundert", Fortschritt-Berichte VDI, Energietechnik, Reihe 6, Nr. 437, Düsseldorf: VDI Verlag 2000, ISBN 3-18-343706-6, auch im Internet unter: http://www.quaschning.de/volker/publis/klima2000/index.html

[6] Ralf Bischof, Geschäftsführer Bundesverband WindEnergie (BWE), „ Windenergie Netz- und Systemintegration“, Fachtagung „Windenergie in Deutschland – Beitrag zu Klimaschutz und Versorgungssicherheit“ 11. Sept. 2007.(NNetz- und Systemintegration.pdf)

[7] Ingo Stadler, „400 GWh of existing energy storage is waiting to be integrated into electricity supplies to balance fluctuating renewable energies“, 2nd International Renewable Energy Storage (IRES) Conference, Bonn, Nov. 2007.

[8] Ingo Stadler, „Demand Response – Nichtelektrische Speicher für Elektrizitätsversorgungssysteme mit hohem Anteil erneuerbarer Energien“, Habilitation, Fachbereich Elektrotechnik Universität Kassel, Okt. 2005.

[9] Tomi Engel, „Das Elektrofahrzeug als Regelenergiekraftwerk des Solarzeitalters“, Solarzeitalter 3/2005, S. 11. Siehe auch: http://www.unendlich-viel-energie.de/de/verkehr/detailansicht/browse/3/article/185/das-elektrofahrzeug-als-regelenergiekraftwerk-des-solarzeitalters.html

[10] R. Mackensen, K. Rohrig, H. Emanue, „Das regenerative Kombikraftwerk – Abschlussbericht“, 31. April 2008, http://www.kombikraftwerk.de/fileadmin/downloads/2008_03_31_Ma__KombiKW_Abschlussbericht.pdf

[11] Walter Schittek, „Strom – fit für die Zukunft? Dynamischer Strompreis und virtuelle Sekundärregelung“, Verlag Görich & Weiershäuser, Marburg, Nov. 2008, ISBN 978-3-89703-706-9http://www.staff.uni-marburg.de/~schittek/buch_strom.html

[12] Franz Trieb (DLR) et al., „Trans-Mediterranean Interconnection for Concentrating Solar Power“, Final Report, Studie im Auftrag des Bundesministeriums für Umwelt und Reaktorschutz, Juni 2006. http://www.dlr.de/tt/trans-csp

[13] Ulf Bossel, On the Way to a Sustainable Energy Future, International Conference "Intelec '05" Berlin, September 18 -22, 2005, http://www.folkecenter.net/mediafiles/folkecenter/pdf/Presentation_Bossel.pdf, zitiert von [12]

[14] M. Specht, F. Staiss, A. Bandi, T. Weimer, „Comparison of the renewable transportation fuels, liquid Hydrogen and Methanol, with Gasoline -energetic and economic aspects", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 23, No. 5, 1998, pp. 387-396.

[15] M. Specht, A. Bandi, M.Elser, F. Staiss, „Comparison of CO2 sources for the sysnthesis of renewable methanol“, Advances in Chemical Conversions for Mitigating Carbon Dioxide, Studies in Surface Scienece and Catalysis, Vol. 114, 1998.

[16] D.U.Sauer, RWTH Aachen, 15.11.2009, dort nach folgender Quelle: M. Kleimaier, et.al., „Energy storage for improved operation of future energy supply systems“, CIGRE 2008

[17] Studie Speicher, ETG/VDE, 2008/2009, Zitiert durch D.U. Sauer, „Elektrizitätsspeichersysteme für die Grundlastfähigkeit erneuerbarer Energien“, Vortrag Aachen, Nov. 2009.