Speichertechnologien in der Stromversorgung von heute und morgen

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Speichertechnologien in der
Stromversorgung von heute und morgen
Prof. Dr. Nicola Schulz, FHNW
nicola.schulz@fhnw.ch
http://www.fhnw.ch/technik/iast
Übersicht
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Warum brauchen (wollen) wir Speicher?
•
Welche Speicher gibt es?
•
Was bringt die Zukunft?
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Kommentare zur Nutzung von Speichern
Fachgruppe elektrische Energietechnik
03.12.2015
2
Beispiel im Kleinen: (zu) viel PV-Einspeisung kann das NS-Netz überlasten
Bildquelle:
G. Kerber, TU München
Haus-Speicher
zur Überbrückung
einer Nacht (ca. 10 kWh)
3
Beispiel im Grossen: PV- und Windenergie-Erzeugung in Deutschland
PV + Wind Peakleistung:
ca. 62 GW
(» mittlerer Verbrauch)
Mittlere Erzeugung
PV + Wind:
ca. 8 GW (=13%)
1. Jahreshälfte 2013
Saisonaler Speicher zur Überbrückung des Winters (ca. ?? TWh)
Institut
03.12.2015
4
EPEX Spotmarkt vom 12.02.2013 – ein «normaler» Tag
Institut
03.12.2015
5
EPEX Spotmarkt vom 25.12.2012 – ein Schwachlast-Tag
-200 € /
MWh
Institut
03.12.2015
6
Das Naheliegende: Nutzung von existierenden (= thermischen) Speichern
•
•
Wärme kann mit der Wärmepumpe
erzeugt werden
à Kopplung elektrische an thermische
Energie
Das Gebäude speichert in seiner
Substanz die Wärme
Wie kann dieser Speicher genutzt werden:
• Der Nutzer kann einen Bereich für die
Raumtemperatur erlauben
• Ist die Temperatur innerhalb des
Bereichs
à Wärmepumpe kann flexibel betrieben
werden
• Ist die Temperatur am Rand des
Bereichs
à Wärmepumpe muss an- oder
ausgeschaltet werden
• Zeitliche Flexibilität im Strombezug
= «virtueller Speicher»
Weitere Möglichkeit: Flexible Nutzung von Boilern
•
•
•
•
Auch Boiler speichern Wärmeenergie
Grössenordnung: einige kWh
Boiler können (theoretisch) ebenfalls
zeitlich flexibel angesteuert werden
Aktuelle Einschränkungen:
•
Fixe Einschaltzeiten, vorgegeben
über Rundsteuerbefehle des
Energieversorgers
•
Boilerbetrieb muss zu
Niedertarifzeiten erfolgen
Lithium-basierende Akkuspeicher
•
Guter Wirkungsgrad (typ. 90%)
•
Hohe Energiedichte bezüglich Volumen und Gewicht
•
Geringe Selbstentladung (ca. 1-2% / Monat)
•
Verschiedene Typen mit verschiedenen
Eigenschaften verfügbar
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Lebensdauer begrenzt (z.B. 10 Jahre)
•
Alterung zusätzlich abhängig von Lade- &
Entladezyklen
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Inkrementeller technischer Fortschritt erwartet
•
Kosten momentan: ca. 1’000 sFr. / kWh
•
Tesla Ankündigung: 300 $ / kWh
•
Wie viel Lithium gibt es auf der Welt?
Fachgruppe elektrische Energietechnik
03.12.2015
9
Die Redox-Flow-Batterie
•
Man möchte geringe Speicherkosten pro kWh, sowie
eine gute Effizienz
•
Platz spielt keine Rolle
Redox-Flow-Batterie:
•
Energie in chemischer Verbindung gespeichert
•
Reaktionspartner sind in Lösungsmitteln gelöst
•
Chemische Reaktion in galvanischer Zelle an einer
Membran; Freisetzung elektrischer Energie
•
Wirkungsgrad: 75 – 80%
•
In Zukunft: 100 $ / kWh erwartet
•
Aktuell Entwicklung & Erprobung; insbesondere
bezüglich Dauerhaltbarkeit
•
In Japan: Tests als Pufferspeicher für
Windkraftanlagen
Fachgruppe elektrische Energietechnik
03.12.2015
10
Wasserstoff als Speichertechnologie der Zukunft
•
Was wäre ein idealer Energiespeicher:
• Effiziente Energieumwandlung
• Geringe Lagerverluste für saisonale
Speicherung
• Nutzbarkeit für Mobilität
• Investitionskosten nicht
durch Speicherkapazität definiert
•
à Wasserstofferzeugung mittels Elektrolyse
à Speicherung in (günstigen) Tanks
à Rückverstromung oder Einspeisung ins
Gasnetz
•
Beispiel in der Schweiz:
Wasserstoff-Postauto in Brugg AG
•
Wasserstofftechnologie wird mit hoher
Wahrscheinlichkeit in Zukunft eine grosse
Rolle spielen
•
Aktuell: Erprobungsprojekte
Fachgruppe elektrische Energietechnik
03.12.2015
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Nutzung der eigenen PV-Energie durch einen Akkuspeicher
• Aktueller Trend:
– Ein Akkuspeicher im Haus (ca. 10 kWh)
wird aus der PV-Anlage aufgeladen und
gibt die Energie nachts ab
– Netzbezug wird deutlich reduziert
– Wirtschaftlichkeit ist nur in speziellen
Fällen gegeben
• Was passiert bei einer grossen
Anzahl solcher Systeme im Netz?
– Gesamthaftes Verhalten wird für
Netzbetreiber / Energieversorger
unberechenbar
– Frage, ob Speicheranwendung auf diese
Weise sinnvoll ist
• Der Betrieb der einzelnen Speicher
muss koordiniert erfolgen
(c) SmartStabilty, FHNW
Bildquelle: SMA Solar
25/11/2014
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Beispiel zur Koordination von mehreren Häusern zu einem Energieverbund
Netzbetreiber
© SmartStability; FHNW
„Netzbetreiber gibt
Lastgang des
Verbunds vor“
25/11/2014
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Autarkie eines EFH durch PV + Akkuspeicher?
Sommermonate
500 kWh
200 kW
1’000’000 sFr.
Quelle: F. Kirrmann, FHNW
(c) SmartStabilty, FHNW
25/11/2014
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Resümee
• Speicher am Stromnetz werden heute schon aus technischen Gründen benötigt, und in
Zukunft noch viel mehr
• Nutze schon existierende Ressourcen mit Priorität
• Akkuspeicher sind effizient und flexibel, aber teuer
à Um wirtschaftlich zu sein, sollte eine Kombination von Anwendungen durch einen Akku
bedient werden
• Komplette Autarkie eines EFH ist praktisch unmöglich
• Ein Haus-Akkuspeicher sollte optimalerweise so genutzt werden, dass er auch «der
Allgemeinheit» dient, und nicht ausschliesslich zum Eigennutzen
à Hierfür braucht es finanzielle Anreize
• Interessante Speicher-«Kandidaten» für die Zukunft:
Günstigere Lithium-Akkus, Redox-Flow-Batterien und Wasserstoffspeicher,
sowie die intelligente Vernetzung vieler Einzelspeicher
(c) SmartStabilty, FHNW
25/11/2014
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