Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie unter
Berücksichtigung des Mobilitätssektors bei hohem Anteil erneuerbarer Energien
Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer
Juniorprofessur Elektrochemische Energiewandlung & Speichersystemtechnik
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA)
RWTH Aachen
SES-Fachtagung „Mythos Stromlücke“
Zürich, 31.08.2007
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Folie 231.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie
Globale Herausforderung
Daraus folgen aus Klimamodellrechnungen nach Dr. Wolfram Krewitt(DLR) folgende Konsequenzen:
Stabilisation der globalen CO2-Konzentration unter 450 ppm
Reduzierung der durch Energieversorgung verursachten CO2 –Emissionen von heute 27 Gt/Jahr auf 10 Gt/Jahr in 2050
Mittlere Emissionsrechte pro Kopf in 2050: ~ 1 t CO2/a
Reduktion heutigen CO2-Emission in Deutschland auf ein ZehntelWolfram Krewitt, Scenarios of a future decentralised energy supply,
Symposium Decentralised Energy Systems, Oldenburg, 15./16.02.2007
The European Council and the European Parliament have both confirmed the EU’s objective to limit average global temperature
increase to a maximum of 2°C compared to pre-industrial level.Commission of the European Communities, January 2007
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Folie 331.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie
Wie verträgt sich das mit den „ernsthaften Erwägungen“von Heiligendamm (G8-Gipfel)?
Aber
die Bevölkerung wird laut Prognosen bis 2050 von 6 auf 10 Milliarden wachsen und
wodurch soll 2050 noch gerechtfertigt sein, dass die heutigen Industrie-länder 5x mehr CO2 /Kopf ausstoßen dürfen als der Rest der Welt ?
Angepeilt wird eine Halbierung der CO2-Emission bis 2050.
Das würde fast reichen, wenn
weltweit die Bevölkerung nicht wachsen würde und
alle Länder der Welt den Absolutausstoß um 50% reduzieren.
CO2 / Kopf und Jahr
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Folie 431.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie
Unternehmerische und volkswirtschaftliche Herausforderungen
Wie sehen Energieversorgung und Kraftwerkspark 2050 aus?
In welcher Form wird Energie genutzt werden und welche Konsequenzen ergeben sich daraus für die Versorgungsinfrastruktur?
Wird es Technologiesprüngen kommen, die den Aufbau neuer, paralleler Infrastrukturen notwendig macht?
Können die vorhandenen Infrastrukturen auf lange Sicht evolutionär weiterentwickelt werden?
Welche langfristigen Investitionsentscheidungen in die Versorgungs-infrastruktur müssen getroffen werden?
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Folie 531.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie
Vorbemerkungen
Nachstehende Technologieszenarien beziehen sich auf das zu erreichende CO2-Senkungsziel in 2050.
Auf dem Weg dahin wird es noch Übergangstechnologien geben, die hier u.U. nicht auftauchen.
Ein weit reichender Umbau der Energieversorgung wird nicht durch den Markt alleine kommen (die Ressourcen fossiler und nuklearer Energie-träger gehen bis 2050 noch nicht zu Ende).
Nachfolgende Betrachtungen konzentrieren sich auf urbane Energiever-sorgung. Gütertransport (Land, Wasser) und Flugverkehr werden nicht betrachtet.
Energie wird nie wieder so günstig sein wie heute. Durch Effizienzstei-gerung müssen aber die individuellen Ausgaben für Energie nicht steigen.
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Folie 631.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie
Wie sehen Energieversorgung und Kraftwerkspark 2050 aus?
Energieeinsparung
CO2-freie StromerzeugungErneuerbare Energien (Wind, Photovoltaik, Solarthermie, Wellen- und Strömungsenergie, Geothermie, Wasserkraft, Biomasse, …)
Kohle und Gas mit CO2-Sequestrierung (Clean Coal) (?)
Kernspaltung, Kernfusion (??)
Europäische Vernetzung für große Leistungstransfers auch aus Nordafrika
GasversorgungMigration von Erdgas zu Erdgas- / Biogas- / Wasserstoffgemisch mit dezentraler Einspeisung und steigendem Anteil Biogas und H2
Wasserstoff aus Überschüssen erneuerbare Energien, ansonsten direkte elektrische Nutzung bevorzugt
KraftstoffDruckgas (Gemisch wie oben)
Synthetische Biokraftstoffe (BTL), weltweiter Handel
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Folie 731.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie
Quelle: Powerlight Corporation
Wichtigste Technologien erneuerbarer EnergienStrom
Wind
Solarthermische Kraftwerke (Südeuropa, Nordafrika)
Photovoltaik
Biogas
Tiefengeothermie
Wasserkraft
WärmeOberflächennahe Erdwärme
Solarthermie (nicht-konzentrierend)
Biomasse
TreibstoffeBiofuels (BTL)
Wasserstoff aus thermochemischen Prozessen und Elektrolyse (?)
Quelle: GtV e.V.Quelle: GtV e.V.
Quelle: K. Puchas, LEA Oststeiermark Quelle: K. Puchas, LEA Oststeiermark
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Folie 831.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie
Innerstädtisch nur noch mit elektrischem Antrieb – mit (Ober-)Leitungen, Batterien, Brennstoffzellen-Hybride (SOFC)
InfrastrukturbedarfBatterieladestationen an Bushöfen(typ. 100 kW pro gleichzeitiger Busladung)
(Ober-)Leitungen
Gasversorgung und flüssige Biokraftstoffe für HT-Brennstoffzellen
Öffentlicher Personennahverkehr
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Folie 931.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie
Innerstädtisch nur noch mit elektrischem Antrieb – mit (Ober-)Leitungen, Batterien, Brennstoffzellen-Hybride (SOFC)
InfrastrukturbedarfBatterieladestationen an Bushöfen(typ. 100 kW pro gleichzeitiger Busladung)
(Ober-)Leitungen
Gasversorgung und flüssige Biokraftstoffe für HT-Brennstoffzellen
Öffentlicher Personennahverkehr
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Folie 1031.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie
Innerstädtisch nur noch elektrisch mit Batterien (bis 60 – 100 km/Tag)
Überland & Autobahn mit Plug-inHybriden mit Verbrennungsmotor oder Brennstoffzelle (Biokraftstoff, Druckgas)
InfrastrukturbedarfBidirektionale Leistungsfluss in allen Netzsegmenten (5 kW pro Haushalt)
Starke Anschlüsse für Parkplätze und Parkhäuser
Energiemanagement und Kommunikation
Tankstellen für synth. Biokraftstoffe und Druckgas für Motor oder Brennstoffzelle
Individualverkehr
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Folie 1131.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie
Innerstädtisch nur noch elektrisch mit Batterien (bis 60 – 100 km/Tag)
Überland & Autobahn mit Plug-inHybriden mit Verbrennungsmotor oder Brennstoffzelle (Biokraftstoff, Druckgas)
InfrastrukturbedarfBidirektionale Leistungsfluss in allen Netzsegmenten (5 kW pro Haushalt)
Starke Anschlüsse für Parkplätze und Parkhäuser
Energiemanagement und Kommunikation
Tankstellen für synth. Biokraftstoffe und Druckgas für Motor oder Brennstoffzelle
Individualverkehr
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Folie 1231.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie
Thermische Isolation wird Heizbedarf auf weniger als 20 kWh / m2 / Jahr senken
Heizenergie aus Wärmepumpen (~ 600 kWh/Jahr für 120 m2).
Warmwasser aus thermischen Kollektoren
Zusätzlicher Strombedarf für Individual-verkehr (ca. 3000 kWh / 18.000 km/Jahr)
„Normaler“ Strombedarf weniger als 50% verglichen mit heute (< 2000 kWh/Jahr)
Infrastrukturbedarf:Bestehende Stromnetze ausreichend, aber voller bidirektionaler Leistungsfluss
Installation von Wärmepumpensystemen
Energiebedarf in Einzelhäusern
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Folie 1331.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie
Thermische Isolation wird Heizbedarf auf weniger als 20 kWh / m2 / Jahr senken
Heizenergie aus Wärmepumpen (~ 600 kWh/Jahr für 120 m2).
Warmwasser aus thermischen Kollektoren
Zusätzlicher Strombedarf für Individual-verkehr (ca. 3000 kWh / 18.000 km/Jahr)
„Normaler“ Strombedarf weniger als 50% verglichen mit heute (< 2000 kWh/Jahr)
Infrastrukturbedarf:Bestehende Stromnetze ausreichend, aber voller bidirektionaler Leistungsfluss
Installation von Wärmepumpensystemen
Energiebedarf in Einzelhäusern
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Folie 1431.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie
Wärme- und Kältebedarf aus KWK-Anlagen mit Absorptionskältemaschinen und Wärmespeichern
KWK-Anlagen mit Gas
Strom für alle anderen Verbraucher
Infrastrukturbedarf:Gasversorgung
Stromanschluss
Energiemanagementsysteme
Nahwärme- und Kältesysteme
Thermische Speicher (Tagesspeicher und saisonale Speicher)
Energiebedarf in Mehrfamilienhäusern und Funktionsgebäuden
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Folie 1531.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie
Wärme- und Kältebedarf aus KWK-Anlagen mit Absorptionskältemaschinen und Wärmespeichern
KWK-Anlagen mit Gas
Strom für alle anderen Verbraucher
Infrastrukturbedarf:Gasversorgung
Stromanschluss
Energiemanagementsysteme
Nahwärme- und Kältesysteme
Thermische Speicher (Tagesspeicher und saisonale Speicher)
Energiebedarf in Mehrfamilienhäusern und Funktionsgebäuden
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Folie 1631.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie
stromgeführte Kraft-Wärme-Kopplung
Doppelnutzung von Speichern für Stromversorgung und Mobilität
Ausweitung der transnationalen Stromtransportkapazitäten
Energie- und Leistungsbereiche von elektrischen Speichertechnologien
Maßnahmen zur Stabilisierung des Stromnetz bei hohem Anteil erneuerbarer, fluktuierender Stromerzeuger
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Folie 1731.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie
Konsequente Umstellung auf stromgeführte KWK-Anlagen
Thermische Speicher als kostengünstige Alternative zu Stromspeichern
Tagesspeicher und saisonale Speicher (Erdreichspeicher) für thermische Energie
Einsatz der KWK-Anlagen als virtuelles, verteiltes Spitzenlastkraftwerk zum Ausgleich fluktuierender Stromerzeugung und Lasten
Einsatz thermischer Speicher in KWK-Anlagen
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Folie 1831.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie
Neben Strom wird Gas zentraler Energieträger sein (KWK-Anlagen, industrielle Wärme, Transportsektor, Spitzenlastkraftwerke)
Erdgasinfrastruktur kann durch kontinuierliche Erhöhung von Beimischungen weiter genutzt werden.
Dezentrale Einspeisung von Biogas aus landwirtschaftlichen Betrieben und zentral durch Importe
Wasserstoff aus Überschüssen aus CO2-freien Quellen (nur wenn Strom über starke transeuropäische Netze nicht abgenommen werden kann)
Gasleitungen und Endverbraucher müssen für steigenden Wasserstoffgehalt ertüchtigt werden.
Migration der Gasversorgung
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Folie 1931.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie
Chancen der Doppelnutzung von Infrastruktur für Stromversorgung und Mobilität
Nutzungsdauer< 4 Stunden / Tag
10 kWh=
~5 kW
400 V
10 kV / 20kV
10 kWh=
~5 kW
400 V
10 kWh=
~5 kW
400 V
10 kWh=
~5 kW
400 V
10 kWh=
~5 kW
400 V
Pro Fahrzeug:
20 h/Tag verfügbar10 kWh Speicher5 kW Leistung
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Folie 2031.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie
Derzeit in Deutschland ca. 46 Mill. Kraftfahrzeuge
4 Millionen Fahrzeuge (< 10%) als bidirektionale Plug-in Hybride ergeben 20 GW Anschlussleistung für 2 Stunden
oder 8 Stunden mit 5 GW Leistung (entspricht in etwa der Leistung der Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland)
35% der Fahrzeuge decken die mittlere elektrische Last in Deutschland gut drei Stunden zu 100%
Chancen der Doppelnutzung von Infrastruktur
Nutzungsdauer< 4 Stunden / Tag
Pro Fahrzeug:
20 h/Tag verfügbar10 kWh Speicher5 kW Leistung
10 kWh10 kWh=
~
5 kW=
~
5 kW
400 V400 V
10 kV / 20kV10 kV / 20kV
10 kWh=
~
5 kW
400 V
10 kWh=
~
5 kW
400 V
10 kWh=
~
5 kW
400 V
10 kWh=
~
5 kW
400 V
10 kWh=
~
5 kW
400 V
10 kWh=
~
5 kW
400 V
10 kWh=
~
5 kW
400 V
10 kWh=
~
5 kW
400 V
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Folie 2131.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie
Elektrofahrzeuge und Plug-in Hybridfahrzeuge als Netzspeicher
10 kWh Batteriespeicher für etwa 60 km Reichweite (Mittelklasse-Pkw)
Bidirektionale Netzladegeräte mit 5 kW installierte Leistung (zugelassen für alle Haushalte ohne Genehmigung)
Nutzungsdauer für Laden und Fahrzeugbetrieb < 4 Stunden pro Tag
Speicher mit 10 kWh Kapazität stehen 20 Stunden am Tag bei 5 kW Anschlussleistung pro Fahrzeug zur Verfügung
Derzeit in Deutschland ca. 40 Mill. Fahrzeuge
10% der Fahrzeuge als bidirektionale Plug-in Hybride ergeben 20 GW Anschlussleistung für 2 Stunden
oder 8 Stunden mit 5 GW Leistung (entspricht in etwa der Leistung der Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland)
40% der Fahrzeuge decken die mittlere elektrische Last in Deutschland für 4 Stunden zu 100%
Chancen der Doppelnutzung von Infrastruktur
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Folie 2231.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie
Weit entwickelte Technik insbesondere aus dem Bereich autonomer Stromversorgungen (Dorfstromversorgungen)
Trend auch bei Leistungen < 5 kW zu dreiphasigen Umrichternsymmetrische BelastungReduzierung der Eingangskondensatoren (typischerweise
Elektrolytkondensatoren) und damit Erhöhung der Zuverlässigkeit
Umrichter können zusätzlich Systemdienstleistungen erbringenBereitstellung von BlindleistungPhasensymmetrierungFlickerkompensationOberwellenkompensation
Netzparallel- oder Inselbetrieb möglichInselbetrieb vor allem interessant, wenn zusätzlich PV-Anlage oder
anderer Stromerzeuger im Haus ist
Bi-Direktionale Ladegeräte
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Folie 2331.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie
Energiespeicher vs. Energietransport
Übertragungsnetz ist Rückgrat der europäischen Stromversorgung.
Übertragungsnetz
hoher Wirkungsgrad (HVDC ~ 5% Verluste / 1000km)
hohe Investitionskosten
teuer in dünn besiedelten Gebieten
Internationale Kooperation und Stabilität notwendig
Planung und Bau sehr zeitaufwändig.
Transportleistung begrenzt (~ 1 GW / )
Speichersysteme
Wirkungsgrad abhängig Technologie (30 - 85% Strom in Strom)
sehr flexibel in Bezug auf Leistung und Energiekapazität
verringert Abhängigkeit von Drittstaaten durch Erhöhung der Energieautonomie
teuer
in Inselnetzen unvermeidbar
Vor- und Nachteile von Speichern und Übertragungsnetzen:
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Folie 2431.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie
Technologien für die Speicherung elektrischer Energie
Pumped hydro
Pumped hydro
Superconductive coils
Superconductive coils
FlywheelsFlywheels
Compressed air
Compressed air
Supercapacitors
Supercapacitors
Supercapacitor
Redox-Flow batteries
Redox-Flow batteries
HydrogenBatteries - lead-acid, lithium, NaNiCl, ...
Batteries - lead-acid, lithium, NaNiCl, ...
Hydrogen
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Folie 2531.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie
Speichergrößen für verschiedene Anwendungen
spec
ific
po
wer
[kW
/kW
h]
installed storage capacity
typ
ical
dis
char
ge
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
4 - village power supply5 - load levelling LV6 - load levelling MV7 - load levelling HV8 - stabilisation of wind t.
10 - UPS9 - single home storage
4
5 6 7
8
9
10
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Folie 2631.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie
Betriebsbereich verschiedener Speichertechnologiensp
ecif
ic p
ow
er [
kW/k
Wh
]
installed storage capacity
typ
ical
dis
char
ge
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, flywheelsIII - batteriesIV - redox-flow batteriesV - compressed airVI - pumped hydro
I - capacitors, inductors
VII - hydro storageVIII - hydrogen storage
I
III
IV
VII
II
V VI
VIII
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Folie 2731.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie
Schnittmenge Anwendungen & Speichertechnologien
spec
ific
po
wer
[kW
/kW
h]
installed storage capacity
typ
ical
dis
char
ge
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
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Folie 2831.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie
Leistungselektronik und Batteriespeicher
Ankopplung an das Netz grundsätzlich nur über Leistungselektronik möglich
Neben dem reinen Leistungs- und Energiefluss können Leistungselektronik und Batteriespeicher zusammen Zusatzleistungen bringen:
Extrem schnelle Leistungsbereitstellung (Volllast in < 10 ms)
Phasensymmetrierung
Oberwellenkompensation
Bereitstellung von Blindleistung
Flickerkompensation
Spannungs- und Frequenzstabilisierung (nur in nicht zu großen Netzverbünden)
Anlagen bis 50 MWh / 50 MW auf Basis von Blei- und NiCd-Batteriensind Stand der Technik - höhere Leistungen durch modulare Erweiterung
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Folie 2931.08.2007Dirk Uwe Sauer Infrastrukturbedarf und Speicherung elektrischer Energie
Strom bekommt relativ eine deutlich zunehmende Bedeutung Energieversorgung der Zukunft durch Verkehr und Hauswärme.
Vorhandene Infrastrukturen der Energieversorgung können evolutionär auf die Anforderungen der Zukunft weiterentwickelt werden.
Plug-in Hybride und Elektrofahrzeuge bringen enorme Regelenergie und Regelleistung in die Netze.
Intelligente Regelung und Steuerung von dezentralen KWK-Anlagen und Speichern werden auch einen sehr hohen Anteil fluktuierender Stromerzeugung bei stabilen Netzen ermöglichen.
Fazit