Speichertechnologien in der Stromversorgung von heute und morgen Prof. Dr. Nicola Schulz, FHNW [email protected] http://www.fhnw.ch/technik/iast Übersicht • Warum brauchen (wollen) wir Speicher? • Welche Speicher gibt es? • Was bringt die Zukunft? • 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 • Lebensdauer begrenzt (z.B. 10 Jahre) • Alterung zusätzlich abhängig von Lade- & Entladezyklen • 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 11 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 12 Beispiel zur Koordination von mehreren Häusern zu einem Energieverbund Netzbetreiber © SmartStability; FHNW „Netzbetreiber gibt Lastgang des Verbunds vor“ 25/11/2014 13 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 14 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 15