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Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern für elektrische Energie
Dirk Uwe Sauer email: sr@isea.rwth-aachen.de
Professur für Elektrochemische Energiewandlung & SpeichersystemtechnikInstitut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA)
RWTH Aachen
Tagung der Europäischen Akademie Bad Neuenahr-Ahrweiler
Sichere Stromversorgung und Erneuerbare Energien Bonn, 25.03.2010
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Folie 225.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Zielsetzungen der Bundesregierung - basierend auf gemeinsamen Zielen der Weltgemeinschaft
Anteil erneuerbarer und dezentraler Energien an der
Stromerzeugung bis 2020: 40%
Reduzierung der CO2-Emissionen bis 2050: 85% (100% ?)
CO2-freie Energieversorgung möglich aus- Strom (erneuerbare Energien, CO2-Sequestrierung ?, Kernkraft ??)
- Biomasse
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Folie 325.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Load consumptionWind power generation
Wind power prognosis
200803/02 10/02 17/02 24/02 02/030
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000Lastverlauf und Windleistung im Vattenfall Hochspannungsnetz (01.02.-06.03.2008)
LastverlaufWindleistung
Windleistung (Prognose)
IfR, TU Braunschweig
5347 MW
Source: IfR / TU Braunschweig
Leis
tung
[MW
]
Leistung MW
Wozu brauchen wir Speicher?
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Folie 425.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Wozu brauchen wir Speicher – Ausgleich von kurzfristigen Fluktuationen
Wind p
03/020
2000
4000
6000
8000Windleistu
Leis
tung
Leistung MW
Wind p
03/020
2000
4000
6000
8000Windleistu
Leis
tung
Leistung MW
02/03IfR, TU Braunschweig
5347 MW
02/03IfR, TU Braunschweig
5347 MW
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Folie 525.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Load consumptionWind power generation
Wind power prognosis
200803/02 10/02 17/02 24/02 02/030
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000Lastverlauf und Windleistung im Vattenfall Hochspannungsnetz (01.02.-06.03.2008)
LastverlaufWindleistung
Windleistung (Prognose)
IfR, TU Braunschweig
5347 MW
Source: IfR / TU Braunschweig
Leis
tung
[MW
]
Leistung MW
Wozu brauchen wir Speicher – Ausgleich längerer Perioden ohne Wind- oder PV-Angebot
~540 GWh
Notwendige Speicherkapazität zur kontinuierlichen Lieferung der mittleren Leistung
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Folie 625.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
PumpspeicherSupraleitende SpulenSchwungradDruckluftDoppelschicht-kondensatoren
Redox-Flow BatterienWasserstoffBatterien - Blei, Lithium, NaNiCl, ...
Technologien für elektrische Energiespeicher
Pumpspeicher
Supraleitende Spulen Schwungrad
Druckluft
Supercapacitors
Doppelschicht-kondensatoren
Redox-Flow Batterien
Batterien - Blei, Lithium, NaNiCl, ...
Wasserstoff
spec
ific
pow
er [k
W/k
Wh]
installed storage capacity
typi
cal
disc
harg
e 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
II - SuperCaps, SchwungradIII - BatterienIV - Redox-flow BatterienV - DruckluftspeicherVI - Pumpspeicher
I - Kondensator, Spule
VII - Speicherkraftwerke (Wasser)VIII - Wasserstoffspeicher
I
IIIIII
IVIV
VIIVII
IIII
V VIV VI
VIIIVIII
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Folie 725.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Vergleich von Energiedichten
Mechanische Speicher (sehr geringe Energiedichte)Potentielle Energie (z.B. Pumpspeichersee): 1 kWh/m3 (bei 360 m Höhe)Kinetische Energie (z.B. Schwungrad): ~10 kWh/m3
Elektrische Speicher (geringe Energiedichte)Elektrostatisches Feld: ~10 kWh/m3
Elektromagnetisches Feld: ~10 kWh/m3
Wärmespeicher (mittlere Energiedichte)Wasser @ ∆T = 100K: 116 kWh/m3 (sensible Wärme) Phasenwechselnde Materialien z.B. Wasser / Dampf: 626 kWh/m3 (latente Wärme)
Chemische Speicher (mittlere bis hohe Energiedichte)Lithium-Ionen-Batterie: 200 kWh/m3
Flüssiger Wasserstoff: 2.400 kWh/m3 / gasförmiger Wasserstoff: 700 kWh/m3
(Benzin: 12.000 kWh/m3)
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Folie 825.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Übersicht
„Leistungsspeicher“BatteriespeichertechnologienGroßspeichertechnologienKostenberechnungAlternative Konzepte zur Energiespeicherung Technologieszenario
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Folie 925.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Klassen von Energiespeichern
„Leistungsspeicher“Hohe Leistungen für kurze Zeit Hohe Zyklenzahl (z.B. jede Minute)
Schwungrad, SuperCap, SMES
EnergiespeicherEnergie für längere ZeiträumeTypischerweise ein bis zwei Zyklen pro Tag
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Folie 1025.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren(“Supercap”) - Funktionsprinzip
Energiespeicherung im elektrischen Feld ohne elektrochemische ReaktionOberflächenvergrößerung durch poröses Material, Abstand Ladungsträger ca. 10 nm
EPCOS5000 F
NESS5000 F
Nennspannung 2,5 bis 2,7 VZyklenlebensdauer > 1.000.000Energiedichte ~ 5 Wh/kg / 5 Wh/l
150F/42V
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Folie 1125.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
SchwungradspeicherSpeicherung der Energie in rotierender Masse 2
21 wME ⋅⋅=
Rotationskörper aus sehr zugfestem MaterialBegrenzung der Rotationsgeschwindigkeit durch MaterialeigenschaftenKlassen von Schwungrädern ~ 5.000 min-1, ~ 25.000 min-1, ~ 100.000 min-1
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Folie 1225.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Batterietechnologien
NaS / NaNiCl
NiCd Bleisäure
-
Zn
Anolyte Catholyte
Zn++
2e- 2e-
Br-¯
Br-¯
Br2
Anode CathodeSeparator
+-
Zn
Anolyte Catholyte
Zn++
2e- 2e-
Br-¯
Br-¯
Br2
Anode CathodeSeparator
+Zink-Brom
electrolyte I electrolyte II
pump pump
elec
troly
te ta
nk
membrane
electrode
+
charge / discharge
elec
troly
te ta
nk
electrolyte Ielectrolyte I electrolyte IIelectrolyte II
pump pump
elec
troly
te ta
nk
membrane
electrode
+
charge / discharge
elec
troly
te ta
nk
Redox-flowLithium-Ionen
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Folie 1325.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Blei-Säure-Batterie
Große Zahl Installationen weltweit,erprobte Technologien von zahllosen Herstellern kommerziell angebotenWirkungsgrad 80 – 90%
Resümee: + Erfahrene und sichere
Technologie– Lebensdauer, Gewicht
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Folie 1425.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Hochtemperatur-Batterien
NaS: in Japan kommerziell für stationäre Anlagen genutztNaNiCl: überwiegend im mobilen Bereich Jeweils nur ein Anbieter pro TechnologieWirkungsgrad 70 – 85%Kosten derzeit 300 - 500 €/kWh im SystemBetriebstemperatur 300°C, thermische Verluste einer ZEBRA-Batterieca. 100 W
Resümee: + Gute Zyklenlebensdauer– Jeweils nur ein Anbieter, thermisches
Management aufwändig
NaS
NaNiClSource: NGK, MES-DEA
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Folie 1525.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Natrium-Schwefel – Anwendungsbeispiel
NaS-Batteriesystem für “Load Levelling” in TokyoKostenersparnis durch geringere Stromabnahme zu SpitzenlastzeitenLeistungsdaten
2 MW 1165 V DC40 Module (12 800 Zellen)> 136 T Gewicht
günstigerer Nachtstrom
nachts (laden)
nachts(laden)
tagsüber(entladen)
nach Installation der NaS-Batterie
vor Installation der NaS-Batterie
Reduzierung des Spitzenbedarfs (NGK / TEPCO)
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Folie 1625.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Lithium-Ionen-Batterie
Neue TechnologieStark im Bereich mobiler EndgeräteGroße Zahl von Materialvariantenund HerstellernWirkungsgrad 90 – 95%
Resümee: + Gute Zyklenlebensdauern,
hoher Wirkungsgrad, hohe Leistungsdichte, viele Anwendungsbereiche
– Kosten, Sicherheit
Charge
Oxygen anionMetal cationLithium cation
GraphitePassive layer
Graphite
ElectrolyteSeparator
Charge
Oxygen anionMetal cationLithium cation
GraphitePassive layer
Graphite
ElectrolyteSeparator
Discharge
Oxygen anionMetal cationLithium cation
GraphitePassive layer
Graphite
ElectrolyteSeparator
Discharge
Oxygen anionMetal cationLithium cation
GraphitePassive layer
Graphite
ElectrolyteSeparator
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Folie 1725.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Gravimetrische Leistungsdichte vs. Energiedichte(Leistungs- und Energiedichten spezifischer Produkte aus Datenblättern und eigenen Messungen)
Spezifische Energie in Wh/kg (Zellebene)
Spe
zifis
che
Leis
tung
in W
/kg
(Zel
lebe
ne)
1
10
100
1,000
10,000
100,000
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Blei
Blei „spiralwound“
NiCd
NiMH
LiM-Polymer
SuperCap
NaNiCl2“Zebra”
Li-IonHigh
Energy
Li-IonHigh Power
Li-IonVery High Power
Quelle Ragone Plot: Saft
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Folie 1825.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Redox-flow-Batterien (Vanadium)
Demonstrationsanlagen im Feld, auf dem Weg in die Kommerzialisierungzwei bis drei kommerzielle AnbieterWirkungsgrad 60 – 75%Nur eingeschränkt USV-fähig
Resümee: + Energie und Leistung sind
separat auslegbar,gute Zyklenlebensdauer
– Vanadium ist teuer, andere Materialien müssen zur Kommerzialisierung gebracht werden
electrolyte I electrolyte II
pump pump
elec
troly
te ta
nk
membraneelectrode
+
charge / discharge
elec
troly
te ta
nk
electrolyte Ielectrolyte I electrolyte IIelectrolyte II
pump pump
elec
troly
te ta
nk
membraneelectrode
+
charge / discharge
elec
troly
te ta
nk
Bild: www.vrbpower.com
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Folie 1925.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Übersicht
„Leistungsspeicher“BatteriespeichertechnologienGroßspeichertechnologienKostenberechnungAlternative Konzepte zur Energiespeicherung Technologieszenario
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Folie 2025.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Technologien für zentrale Großspeicher
Pumpspeicher
Druckluft (mit und ohne Wärmespeicher)
Wasserstoff mit Kavernenspeichern
1.)
2.)station
cavern storage
salt dome
Abbildung: KBB
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Folie 2125.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Pumpspeicherkraftwerke
erprobte Technologieüber 90 GW installierte Leistung weltweit
10 - 40 €/kWhInvest.-KostenSpeichermedium
kaum neue Stand-orte in Europa
größter Nachteil
10 MW bis 1 GWLeistung
Stunden bis TageEntladedauer65-80 %Wirkungsgrad
Bild: http://www.goldisthal.de
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Folie 2225.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
„Nachrüstung“ von bestehenden Speicherseen mit Pumpoption
Nutzung der großen Kapazitäten in bestehenden SpeicherseenNachrüstung von PumpsätzenEvaluation des Potentials notwendig – kritischer Punkt ist die Erreichbarkeit eines geeigneten Unterwassers
Stausee mit natürlichem Zulauf
FlussoderSeeDistanz & Kosten ?
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Folie 2325.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Druckluftspeichersystem (adiabatisches CAES)
Entwicklungsgegenstand
größter Nachteil
Invest.-KostenSpeichermedium
Leistung
Entladedauer
Wirkungsgrad
10 - 20 €/kWh
Geeignete geolo-gische Formation
100 MW bis 1 GW
Stunden bis Tage
max. 70%
Bild: AlstomPicture: KBB
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Folie 2425.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Wasserstoffspeicher im Druckkaverne
Einzig realistische Technologiefür Speichersysteme im 100 GWhBereich
größter Nachteil
Invest.-KostenSpeichermedium
Leistung
Entladedauer
Wirkungsgrad
0,2 – 0,5 €/kWh
Geringer Wirkungsgrad
10 kW bis 1 GW
Stunden - Wochen
~ 40 %
Bild: http://www.greencarcongress.com
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Folie 2525.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Warum ist Wasserstoff die einzige Alternative als Langzeitspeicher?
Typische Investitionskosten bei Batterien zwischen 100 und 500 €/kWh
Komprimierter Wasserstoff in Salzkavernen liegt im Bereich von 0,25 € / kWh
(∆p = 100 bar, η = 50%)
Wasserstoff ist für Kurzzeitspeicherungwg. des geringen Wirkungsgrad uninteressant
1.)
2.)station
cavern storage
salt dome
LüftungsanlageAnlagensteuerung
Batteriestrangtrenner
Batteriestrang
Entlüftung
Belüftung30 kV-Anbindung
TransformatorGlättungsdrosseln
SchaltgeräteDatenerfassung
BatteriestrangsteuerungStromrichter
Baujahr 1986 im Inselnetz Berlin17 MW, 14 MWh7080 Zellen mit 2V / 1000 Ah
Wirtschaftlicher Betrieb nur bei häufigem Energiedurchsatz oder sehr geringen Investitionskosten
Langzeitspeicherung bedeutet weniger als einen Zyklus pro Woche
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Folie 2625.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Übersicht
„Leistungsspeicher“BatteriespeichertechnologienGroßspeichertechnologienKostenberechnungAlternative Konzepte zur Energiespeicherung Technologieszenario
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Folie 2725.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Überblick zu unterschiedlichen Batterietechnologien
Hybridfahrzeuge, Elektroautos, stationäreAnwendungen (load-levelling) (Prototypen)
+270 to +300+270 to +300
~100080–90~50~100AlO2NaNiCl
Für Anwendungen mit Entladezeiten vontypischerweise weniger als 10 Sekunden
Konsumerprodukte, Spielzeuge
Laptops, Handys, Camcorder, Smart Cards
Laptops, Handys, Camcorder, Elektroautos,Hybridfahrzeuge, Spielzeuge
Werkzeuge, Modellautos,Konsumerprodukte, Traktion,Tieftemperaturanwendungen, Elekroautos
Stationäre Anwendungen (USV, AutonomeStromversorgung), Traktion, Starter
(Beispiele)
Typische Anwendungen
100..200
0.5
4...6
3...5
2...3
1
Kosten(relativpro kWh)
-25 to +75-25 to +75
-10 to +60-20 to +50
0 to +40-20 to +60
0 to +45-20 to +60
-20 to +50-45 to +50
-10 to +40-15 to +50
[°C]
TemperaturBereich Laden& Entladen
500.000
20–50
500–1000
300–600
500–2000
250–500[Zyklen]
Zyklen-lebens-dauer
~10
2–5
3–25
3–20[a]
Lebens-dauer
90–952–151– 10SuperCaps
75–90200–300
70– 100RAM
90–95230–330
90–150Organic,polymers
Li-Ion Li-Polymer
80–90150–320
40–90KOHNiMH
60–70100–150
30–50KOHNiCd
80–9050–12020–40H2SO4Bleisäure[%][Wh/l]Wh/kg
Wirkungs-grad(Energie)
Energie-dichte
Energie-dcihte
ElektrolytBatterie-technologie
RAM - Rechargeable alkali manganes
De facto sind derartige Übersichten wenig hilfreich für die Auswahl
einer Technologie für eine spezifische Anwendung !
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Folie 2825.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Parameter zur Definition eines Referenzfalls
Energie [kWh]
Leistung [kW] Zyklen [#/Tag]
Systemlebensdauer[Jahre]
Kapitalkosten[%]
Stromkosten[€ct/kWh]
Definition derBedingungen für ein
Speichersystem
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Folie 2925.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Parameter zu Definition einer Speichertechnologie
Kosten pro installierte Kapazität [€/kWh]
Kosten Umrichter[€/kW]
Wirkungsgrad [%]Selbstentladung [%/d]
maximale Entadetiefe (DOD)
[%]
Zyklenlebensdauerbei DOD [#]
Wartung &Reparatur [%/Jahr]
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Folie 3025.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Lebensdauer als Funktion der Entladetiefe (DOD)(Beispiel: NiMH)
Quelle: Varta / Johnson Control
100% DOD
80% DOD
12% DOD
5% DOD
3% DOD
20°C, 20,000 nominal cycles @ 5% DOD, equivalent to 400,000 cycles
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Folie 3125.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Stromkosten[€ct/kWh]
Kapitalkosten[%]
Energie [kWh]
Systemlebensdaue[Jahre]
Zyklen [#/Tag]
Leistung [kW]
Kostenberechnung
Kosten pro installierteKapazität [€/kWh]
Kosten Umrichter[€/kW]
Wirkungsgrad [%]Selbstentladung [%/d]
maximale Entladetiefe (DOD)
[%]
Zyklenlebensdauer bei DOD [#]
Wartung &Reparatur [%/Jahr]
Speicherkostenfür Energiedurchsatz
[€ct/kWh]Annuitätenmeth.
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Folie 3225.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Kosten für Energie aus Großspeichern („monatlich“)(500 MW, 100 GWh, ~1,5 Zyklen pro Monat, Zins 8%, Stromkosten 4ct)
Quelle: ENERGY STORAGE FOR IMPROVED OPERATION OF FUTURE ENERGY SUPPLY SYSTEMS , M. Kleimaier, et.al., CIGRE 2008
heute> 10 Jahre
abhängig vom Standort
heute> 10 Jahre
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Folie 3325.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Kosten für Energie aus Großspeichern („täglich“)(1 GW, 8 GWh, 1 Zyklus pro Tag, Zins 8%, Stromkosten 4ct)
Quelle: ENERGY STORAGE FOR IMPROVED OPERATION OF FUTURE ENERGY SUPPLY SYSTEMS , M. Kleimaier, et.al., CIGRE 2008
heute
> 10 Jahre
abhängig vom Standort
heute> 10 Jahre
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Folie 3425.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Load-leveling Hochspannungsnetz (“Pumpspeicher”)1 GW, 8 GWh, 1 Zyklus / Tag, Stromkosten 4 €ct, Kapitalkosten 8%
heute5 bis 10 Jahre
Quelle: ENERGY STORAGE FOR IMPROVED OPERATION OF FUTURE ENERGY SUPPLY SYSTEMS , M. Kleimaier, et.al., CIGRE 2008
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Folie 3525.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Kosten für Energie aus Speichern im MS-Netz(10 MW, 40 MWh, 2 Zyklen pro Tag, Zins 8%, Stromkosten 4ct)
Quelle: ENERGY STORAGE FOR IMPROVED OPERATION OF FUTURE ENERGY SUPPLY SYSTEMS , M. Kleimaier, et.al., CIGRE 2008
heute5 bis 10 Jahre
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Folie 3625.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Ref.-Fall „load levelling MV“ – Blei-Säure-Batterie
Variation der Speicherkosten und der täglichen Zyklenzahl
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
50 70 90 110 130 150 170 190 210Costs per kWh installed capacity, €/kWh
Tota
l cos
t per
kW
h th
roug
hput
, re
late
d to
refe
renc
e ca
se
0,5 cycle per day2 cycles per day5 cycles per day
Referenz
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Folie 3725.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Ref.-Fall „Großspeicher (täglich)“ –Pumpspeicherkraftwerk
Variation der täglichen Zyklenzahl
Bei abnehmender Zyklenzahl steigen die Speicherkosten erheblich
0
2
4
6
8
10
12
1 Zyklus proTag
0,5 Zyklenpro Tag
0,33 Zyklenpro Tag
0,25 Zyklenpro Tag
0,2 Zyklenpro TagSp
eich
erko
sten
pro
kW
h [€
ct]
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Folie 3825.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Ref.-Fall „Großspeicher (täglich)“ –Pumpspeicherkraftwerk und NaS-Batterie
Variation der täglichen Zyklenzahl
0
1
2
3
4
5
1 Zykluspro Tag
0,5 Zyklenpro Tag
0,33 Zyklenpro Tag
0,25 Zyklenpro Tag
0,2 Zyklenpro Tag
rela
tive
Kos
ten
pro
kWh
(bez
ogen
auf
1 Z
yklu
s/Ta
g)
PumpspeicherkraftwerkNaS-Batterie
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Folie 3925.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
2 4 6 8 10 12 14Capital costs, %
Tota
l cos
t per
kW
h th
roug
hput
, re
late
d to
refe
renc
e ca
se
Ref.-Fall „load levelling MV“ – Blei-Säure-Batterie
Variation der Kapitalkosten (Zinssatz)
Referenz
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Folie 4025.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
2 4 6 8 10 12 14Capital costs, %
Tota
l cos
t per
kW
h th
roug
htpu
t, re
late
d to
bes
t cas
e
Ref.-Fall „Langzeitspeicher“ – Pumpspeicher
Variation der Kapitalkosten (Zinssatz)
Referenz
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Folie 4125.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Übersicht
„Leistungsspeicher“BatteriespeichertechnologienGroßspeichertechnologienKostenberechnungAlternative Konzepte zur Energiespeicherung Technologieszenario
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Folie 4225.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Thermische Speicher in KWK-Anlagen und Wärmepumpensystemen
Quelle:DEFU, H. Weldingh
Quelle:Buderus
Wärme-speicher
Konsequente Umstellung auf strom-geführte KWK-AnlagenThermische Speicher als kostengünstige Alternative zu StromspeichernTagesspeicher und saisonale Speicher (Erdreichspeicher) für thermische EnergieEinsatz der KWK-Anlagen als virtuelles, verteiltes Spitzenlast-kraftwerk zum Ausgleich fluktuierender Stromerzeugung und Lasten
Aber KWK-Anlagen in Einzelhäusern mit guter thermischer Isolierung machen keinen Sinn.
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Folie 4325.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Speicher mit Doppelnutzen: Beispiel Optimierung des Eigenverbauchs für PV-Anlagen
Bei Betrieb eigener Stromerzeuger (Photovoltaik, KWK)Differenz zwischen Bezugskosten und Verkaufspreis kann höher sein, als die Kosten für Speicher (ohne Einspeisevergütung)
Beispiel PV-Anlage nach Ende derVergütung EEG
Vergütung für Einspeisung 5 ct/kWh Kosten für Energiebezug 20 ct/kWhSpeicher interessant, wenn Kosten < 15 ct/kWh
Mit 20 Jahren Verzögerung folgen jedem GW PV bei Privathaushalten ca. 0,5 GW Speicheranschlussleistung
Bild: Wiikmedia Commons
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Folie 4425.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Solarthermische Kraftwerke mit Wärmespeicher
Source:Ciemat, Plata Forma Solar, Dr. Romero
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Folie 4525.03.2010Dirk Uwe Sauer
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Elektro- und Hybridfahrzeuge auf dem Vormarsch
Quelle: Tesla Motors
Quelle: Think
Quelle: Daimler Quelle: minispace.com
Quelle: Volvo Quelle: Daimler
Strom aus CO2-freien Quellen über Batterien für Fahrzeuge ist der effizienteste Weg zur Reduktion der CO2-Emissionen im Straßenverkehr
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Flächenverbrauch Biotreibstoff vs. Elektroantrieb
Ertrag aus Biomasse der 2. Generation BTL (erwartet): 60.000 km/ha/Jahr
16x höherer Fahrleistungsertrag mit PV gegenüber Biomasse
Ertrag aus Photovoltaik inDeutschland: 1.000.000 km/ha/Jahr
Annahmen: Einstrahlung in Deutschland: 1000 kWh/m2/a, Photovoltaik mit 10% Wirkungsgrad, Flächenbelegung 1/3, Fahrzeugverbrauch 20 kWh / 100 km, Wirkungsgrad Netz & Fahrzeug 60%
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Energieeffizienz Brennstoffzellen- vs. Elektrofahrzeug
Nutzungsgrad beiBrennstoffzellenfahrzeugen: 25 – 30%
Eingangsenergiebedarf bei Wasserstoffnutzung etwa 2,5 x höher als bei Elektrofahrzeugen
Nutzungsgrad bei batterie-getriebenen Elektrofahrzeugen:70 – 75%
Ausgangspunkt: elektrischer Strom (aus CO2-freier Quelle)
Quelle: minispace.comQuelle: ATZ online
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Elektrifizierung des Individualverkehrs
HybridfahrzeugSpeicher ca. 1 kWh, Ladung nur währendFahrt, Treibstoffeinsparung max. 20%
Plug-in HybridSpeicher 5 – 10 kWh, Ladung aus dem Netz,50 – 70 km Reichweite ohne Treibstoff,volle Reichweite, volle Leistungsfähigkeit
ElektrofahrzeugSpeicher 15 – 40 kWh, Ladung aus dem Netz,100 – 300 km Reichweite ohne Treibstoff,
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Auslegung des Speichers von Plug-in Hybriden
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0 20 40 60 80 100All-electric range in km
All-
elec
tric
oper
atio
n fra
ctio
n
Recharging after every trip (GER)
Recharging over night (GER)
Recharging over night (USA)
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Virtuelle Großspeicher durch verteilte Speicher in Fahrzeugen (Plug-in Hybride)
Nutzungsdauer< 4 Stunden / Tag
10 kWh=
~3 kW
400 V
10 kV / 20kV
10 kWh=
~3 kW
400 V
10 kWh=
~3 kW
400 V
10 kWh=
~3 kW
400 V
10 kWh=
~3 kW
400 V
Mittlere Fahrstrecke eines Fahrzeugs in Deutschland: 37 kmAnteil an der PKW-Verkehrsleistung auf Strecken unter 50 km: 63%
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Verkehrsverteilung über den Tag (San Diego / USA)
0%1%2%3%4%5%6%7%8%
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23Time of day in h
Dai
ly tr
affic
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Fahrzeuge können positive und negative Regelleistung bereitstellendurch gezieltes Ein- und Ausschalten des Ladevorgangsdurch Rückspeisung von Energie in Netz
Umrichter können zusätzlich Systemdienstleistungen erbringenBereitstellung von BlindleistungPhasensymmetrierungFlickerkompensationOberwellenkompensation
Fahrzeuge können alle Speicheraufgaben im Netz auf der Zeitskala zwischen msec und einem Tag lösen.
Langfristig keine Notwendigkeit für spezielle Speicher zur Netzausregelung
Was können Elektrofahrzeuge für das Netz tun?
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Alternativen zu Speichern zur Überbrückung von Flauten länger als ein Tag
Einsatz von GaskraftwerkenBetrieb der Anlagen in Zeiten ausgedehnter Flauten bzw. DunkelperiodenProblem: hohe Brennstoff- und CO2-Kosten und starke Abhängigkeit von Preisentwicklungen, geringe Volllaststundenzahl
Bau von zusätzlichen ÜbertragungsleitungenLangreichweitige Energieübertragung über GleichspannungstechnikStand der TechnikÜberregionaler Austausch und damit Glättung von Erzeugungsunterschieden sowie Transport in Lastzentren möglich
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Spitzenlast-Gaskraftwerke
SCPP – Single Cycle Power Plant – Wirkungsgrad 39,5%CCPP – Combined Cycle Power Plant – Wirkungsgrad 58%Variation im Gaspreis: 5 €/GJ ≡ 1,8 €ct/kWh, 10 €/GJ ≡ 3,6 €ct/kWh
0
5
10
15
20
25
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000Volllaststunden [h/a]
Stro
mge
steh
ungs
kost
en [€
ct/k
Wh] SCPP 5 €/GJ, 20 €/t CO2
SCPP 10 €/GJ, 20 €/t CO2CCPP 5 €/GJ, 20 €/t CO2CCPP 10 €/GJ, 20 €/t CO2
Quelle: Studie Speicher, ETG/VDE, 2008/2009
SCPP CCPPefficiency 39.5% 58.0% Interest rate 6%capital cost (€/kW) 320 680 Return on equity 12%O&M fixed cost (€/kW) 20 20 Discount rate 9%O&M variable cost (€ct/kWh) 2.5 2.0 Debt/equity ratio 70/30Economic plant life time (years) 25 25 Debt repayment period (years) 15
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Leistungsfernausgleich über HVDC-Freileitungen
Quelle: Studie Speicher, ETG/VDE, 2008/2009
0
1
2
3
4
5
6
7
0 1000 2000 3000 4000 5000Übertragungsdistanz [km]
Kos
ten
[€ct
/kW
h]
15% mittlere Auslastung25% mittlere Auslastung35% mittlere Auslastung
HVDC, 2 GW, 370 k€/km, 2 x 75 €/kW Konverter, 8% Zins, 40 Jahre Lebensdauer
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Übersicht
„Leistungsspeicher“BatteriespeichertechnologienGroßspeichertechnologienKostenberechnungAlternative Konzepte zur Energiespeicherung Technologieszenario
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
Kurzfristszenario (10 Jahre) für Speicher zur Netzregulierung (Betriebsbereich einzelner Speichereinheiten)
spec
ific
pow
er [k
W/k
Wh]
installed storage capacity
typi
cal
disc
harg
e 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, SchwungradIII - BatterienIV - Redox-flow BatterienVI - bestehende PumpspeicherVII - Speicherkraftwerke (Wasser)VIII - Wasserstoffspeicher
III
IV
VII
II
VI
installierte Speicherkapazität
typi
sche
Ent
lade
daue
r
installierte Leistung
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Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern
1 kW 100 kW 10 MW10 W
1 GW
100 GW
Mittelfristszenario (20 Jahre) für Speicher zur Netzregulierung (Summe der jeweiligen Speicher)
installierte Speicherkapazität
typi
sche
Ent
lade
daue
r
installierte Leistung
kWh MWh GWh TWh
10 ms
1 s
1 min
1 hour
½ day
1 week1 month
1 year
Fahrzeugspeicher+
Speicher in PV-Systeme+
thermische Speicher+
“Smart grid”-Management+
Übertragungsnetz
WasserstoffPumpspeicher
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Technologien, Einsatzszenarien und Kosten von Speichern für elektrische Energie
Dirk Uwe Sauer email: sr@isea.rwth-aachen.de
Professur für Elektrochemische Energiewandlung & SpeichersystemtechnikInstitut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA)
RWTH Aachen
Tagung der Europäischen Akademie Bad Neuenahr-Ahrweiler
Sichere Stromversorgung und Erneuerbare Energien Bonn, 25.03.2010