Energiespeicher - ForschungsVerbund Erneuerbare Energien
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Energiespeicherung zum und Netzmanagement Dr. Andreas Hauer, ZAE Bayern Dr. Michael Specht, ZSW Dr. Michael Sterner, Fraunhofer IWES FVEE Jahrestagung 2010, 11.-12. Oktober, Berlin Inhalt • Motivation • Energiespeicher-Technologien - elektrisch - thermisch - chemisch • Thermische Energiespeicher zur Elektrizitätsspeicherung? • Wirtschaftliche Einschränkungen • Energiespeicher: zentral / dezentral • Forschungsbedarf • Zusammenfassung Motivation Anteil erneuerbarer Energien wächst! Schwankende Verfügbarkeit muss ausgeglichen werden! Energieeffizienz steigt! Ungenutzte Energien müssen nutzbar gemacht werden! Energiespeicher! Energiespeicher-Technologien Eigenschaften eines Energiespeichersystems – Speicherkapaziät (kWh/kg, kWh/m³) Phys. / chem. Effekt, Speichermaterial, Randbedingungen – Lade-/Entladeleistung (W/kg, W/m³) Stoff- und Wärmeübergang, Speicherkonstruktion – Speicherwirkungsgrad Verlustmechanismen (Speicherdauer, Umwandlung) – Speicherdauer (Zeit) Von Stunden bis zu einem Jahr – Kosten (€/kWh, €/W) Investitionen, Zahl der Speicherzyklen – Konkurrierende Technik Netzausbau, Smart Grid, Elektrizitätserzeugung… Elektrische Energiespeicher • Speicherung in Form elektrischer Energie • Speicherung in Form elektro-chemischer Energie • Speicherung in Form mechanischer Energie Elektrische Energiespeicher Entladedauer und -leistung © Electricity Storage Association Thermische Energiespeicher Methoden der thermischen Energiespeicherung: • Speicherung fühlbarer Wärme • Speicherung latenter Wärme • Thermochemische Wärmespeicherung Thermische Energiespeicher Speicherkapazität vs. Temperatur Energiedichte / (kWh/m³) 600 MgSO4* 6H2O 500 MgCl2* 6H2O 400 TCM 300 NiCl2NH3 CaCl2*NH3 Silicagel*H2O Zeolith*H2O 200 Nitrate PC M Salzhydrate Zuckeralkohole 100 Paraffine Wasser 0 0 25 50 75 100 125 Temperatur / °C 150 175 200 Chemische Energiespeicher Energiespeicherung durch Erzeugung von Wasserstoff • Hochenergetischer Treibstoff • Verlustfreie Langzeitspeicherung • Rückverstromung (durch Brennstoffzelle) Gesamt ~ 30% Elektrolyse Kompression Transport Wirkungsgrad: © U. Stimming, TUM ~ 70 % ~ 90 % ~ 90 % Brennstoffzelle ~ 55 % Chemische Energiespeicher Energiespeicherung durch Erzeugung von Methan • Methan aus Wasserstoff (und CO2) • Wirkungsgrad >80 % (SabatierProzess) • Nutzung vorhandener Infrastruktur (Erdgasnetz) möglich © ZSW Vergleich: Energiespeicher-Technologien Speicher Technologie Mechanisch Pumpspeicherwerke Druckluftspeicher Elektrochemisch Bleisäurebatterien Li‐ion Batterien NaS Batterien Redox‐Flow‐Batterien Thermisch Warm‐Wasser‐Speicher Latentwärmespeicher Thermochemische Speicher "Stofflich" chemisch Wasserstoff Methan Leistung MW Wirkungsgrad % Speicherdauer Kosten €‐cent / kWh 1 ‐ 1500 300 70 ‐ 80% 40 ‐ 70% Tag‐Monat Tag 8 ‐ 14 13 ‐ 27 40 130 110 25 0,02 ‐ ? 0,05 ‐ 50 0,01 ‐ 10 85% 90% 85% 75% Tag‐Monat Tag‐Monat Tag Tag‐Monat 28 ‐ 37 57 ‐ 140 31 ‐ 43 20 ‐ 30 10‐50 50‐150 120‐250 0,001 ‐ 10 0,001 ‐ 1 0,01 ‐ 1 50 ‐ 90% 75 ‐ 90% 100% Tag‐Jahr Stunde‐Woche Stunde‐Tag 0,01 1 ‐ 5 0,8 ‐ 4 0,001 ‐ 1 0,01 ‐ 200 28 ‐ 50% 24 ‐ 42% Tag‐Jahr Tag‐Jahr 19 ‐ 50 12 ‐ 34 Spez. Kapazität kWh/t kWh/Nm³ 1 2 2,8 10,2 Thermische Energiespeicher zur Elektrizitätsspeicherung? Anwendung: Solare Elektrizitäterzeugung PV Batterie Solare Solar Radiation Strahlung Netz Betriebsstunden Pro Jahr > 4000 4000-7000 Turbine CSP Therm. Energiespeicher Netz Anwendung: Solare Elektrizitäterzeugung • Solarthermische Kraftwerke Sensibler TES (F&E bei latenten TES) Speichermedium: Salzschmelze, Beton, Sand,… Temperaturen: 300- 600 °C Anwendung: Integration Windstrom Kosten 0.03 €/kWh Energie Energy (z.B. (e.g. wind) Wind) Kosten 1.00 €/kWh 0.1€/kWh €/kWh Elektr. Energiespeicher ((z.B.. Druckluft u.a. ) zentral Kosten Elektr. Energiespeicher ((z.B.. Batterien in Elektrofahrzeug ) dezentral Renewable Erneuerbare Therm. Energiespeicher ((z.B.. Kältespeicher Im Haus ) Anwendung: Integration Windstrom „Windstrom in Kühlschränken speichern“ • • • • 20 Millionen Kühlschränke (<50% der deutschen Haushalte) PCM-Kältespeicher für 12 Stunden Ladezeit 3 Stunden Preis 5 € Elektrische Leistung Speicherkapazität Wirtschaflichkeit 1,15 GW 3,5 GWh > 120 Zyklen/Jahr Wirtschaftliche Einschränkungen Beispiel: Thermische Energiespeicher • Speicherkapazität = 100 kWh • Preis für thermische Energie = 0.05 €/kWh • Amortisierung = 5 Jahre Thermisch Warm‐Wasser‐Speicher Latentwärmespeicher Thermochemische Speicher kWh/t 10‐50 50‐150 120‐250 Einfluss des Nutzungsgrads auf Wirtschaftlichkeit Zyklen pro Zyklen Akkumulierte Einsparungen Spez. Invest. Jahr 5 Jahre gesparte EURO Kosten, Ideal Energie kWh €/kWh Saisonaler Speicher Vereinfachtes Kostenmodell Kapital-+ Betriebskosten, €/kWh 1 5 500 25 0,25 0,18 Tagesspeicher 300 1500 150.000 7500 75 54 Kurzzeitspeicher 3 Zyklen pro Tag 900 4500 450.00o 22500 225 160 Pufferspeicher 10 Zyklen pro Tag 3000 15000 1.500.000 75000 750 540 © R. Tamme, DLR Energiespeicher: Zentral / Dezentral Energiespeicher: Zentral / Dezentral Dezentral Zentral •Pumpspeicher •Druckluftspeicher Elektrisch •Salzschmelze (CSP) •Beton/Keramik (Druckluft) Thermisch Wasserstoff Methan Chemisch Erzeugung Rückverstromung / Treibstoff Batterien (z.B. PV) Warmwasser PCM / TCS (Solarthermie, BHKW, Prozesswärme…) Verbraucher am Gasnetz Forschungsbedarf Forschungsbedarf Entwicklung und Optimierung der verschiedenen Energiespeichertechnologien • Elektrisch • Thermisch • Chemisch Detailierte und quantitative Ermittlung des Speicherbedarfs bei der • Integration erneuerbarer Energien • Steigerung der Energieeffizienz Entwicklung von Methoden zur Vergleichbarkeit der Speichertechnologien und zur Identifikation der geeigneten Technologie für potenzielle Anwendungen Zusammenfassung Zusammenfassung Die optimale Speichertechnologie muss für konkrete Anwendungen identifiziert werden: Energiespeicher stellt benötigte Energieform zur Verfügung Elektrizität / Wärme/Kälte / Treibstoff Effizienz muss über den gesamten Speicherprozess (vom Laden bis zur Nutzung) bewertet werden Ökonomische Randbedingungen müssen berücksichtigt werden Vielfalt der möglichen Speichertechnologien ermöglicht hohe Stabilität des Gesamtsystems Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
