Upload
vandang
View
220
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Dr. Christian Doetsch,Fraunhofer UMSICHT, OberhausenFolie 1
Dr. Christian Doetsch
Fraunhofer Institut UMSICHT
Fraunhofer Netzwerk »Energiespeichersysteme und Netze«
Elektrische Energiespeicher – Bedarf – Stand der Technik – Ausblick
Dr. Christian Doetsch,Fraunhofer UMSICHT, OberhausenFolie 2
Warum brauchen wir Stromspeicher ?
Einspeisung fluktuierender Energien erzeugen starke Schwankungen im Netz
► Netzüberlastung
► Unterversorgung
Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch ist jederzeit notwendig
► Regel-/Reserveleistung (positiv/negativ) notwendig(bis zu 20 % Regel-/Reserveleistung der installierten Windkraft)*
► massiver Netzausbau / -verstärkung erforderlich (Höchstspannungsnetz in 2015Verstärkung von 392 km, Neubau 850 km)*
* (dena Netzstudie I, 2005)
© Fraunhofer
© EON
Dr. Christian Doetsch,Fraunhofer UMSICHT, OberhausenFolie 3
Was ändert sich in Zukunft ?
(Grafik: Fraunhofer, Daten: BMU Leitstudie 2007)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2040 2050
Bru
tto
leis
tun
g [
GW
]
EU-Verbund EE
Photovoltaik
Wind an Land
Wind Offshore
Laufwasser
Biomasse, Biogase
Geothermie
KWK, fossil
Gas Kond.
Kohle Kond.
Kernenergie
rege
nera
tivfo
ssil
flukt
uier
end
kont
inui
erlic
hre
gelb
ar
Dr. Christian Doetsch,Fraunhofer UMSICHT, OberhausenFolie 4
Warum brauchen wir in Zukunft vermehrt Stromspeicher ?
Massiver Ausbau erneuerbarer Energien
► bis 2030Wind bis 50 GWSolar bis 12 GW
► bis 2050Fluktuierende über 90 GW
► Leistungsbedarf bei ca. 80-90 GW
Verhältnis fluktuierender zu regelbarer Leistung
► heute: 1 zu 6
► 2030: 1 zu 1,3
► 2050 1 zu 0,5
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2040 2050
Bru
tto
leis
tun
g [
GW
]
(Grafik: Fraunhofer, Daten: BMU Leitstudie 2007)
Dr. Christian Doetsch,Fraunhofer UMSICHT, OberhausenFolie 6
Gleichen sich nicht die ganzen Erneuerbaren Energien aus ?
Kurzfristige Schwankungen im Netz
► Windböen, Wolkendurchgang gleichen sich aus.
Regionaler Energieausgleich
► eher gering, da die regionalen Wetterverhältnisse ähnlich sind.
Großräumiger/internationaler Energieausgleich
► nur sehr begrenzt möglich, da - Hochlastzeiten europaweit ähnlich,- Netzkapazitäten begrenzt - internationale Koppelstellen häufig
ausgelastet sind© dena Netzstudie I
Dr. Christian Doetsch,Fraunhofer UMSICHT, OberhausenFolie 7
Können vorhandene Speicherseen genutzt oder ausgebaut werden ?
Nutzung von Speicherseen
► werden in Deutschland schon intensiv genutzt
Ausbau der Speichersee-Kapazität
► massiver Eingriff in die Landschaft ► in Deutschland nur in sehr geringem Umfang
noch möglich
Anschluss weiterer Speicherseen im Ausland
► Nutzung der Speicherseen durch das Übertragungsnetz/Koppelstellen (bisher) begrenzt
► Evtl. Einbindung der Speicherseen in Norwegen
© Fraunhofer
Dr. Christian Doetsch,Fraunhofer UMSICHT, OberhausenFolie 9
Wie funktionieren Energiespeicher?
Funktionsweise realer Energiespeicher
© Fraunhofer
Dr. Christian Doetsch,Fraunhofer UMSICHT, OberhausenFolie 10
Welche Technologien für Energiespeicher werden eingesetzt ?
Pumpspeicherkraftwerke (PH)- effizient- topologische Anforderungen- problematischer Ausbau
Druckluftspeicherkraftwerk (CAES) - bisher (noch) wenig effizient- Kompressorentwicklung
notwendig- besondere geologische Anforderungen
Vision Micro-CAES- bisher nur Konzept
© RWE.
© EON.
© Fraunhofer.
Dr. Christian Doetsch,Fraunhofer UMSICHT, OberhausenFolie 11
Welche Technologien für Energiespeicher werden eingesetzt ?
Natrium-Schwefel-Batterie (NaS)- Einsatz kritischer Materialien- hohe Temperaturen- Stand-by Verluste
Bleibatterie (LA)- Stand der Technik- kostengünstig- geringe Lebensdauer
Redoxflow-Batterien (Redox)- günstiges Scale-up- hoher Entwicklungsbedarf / hohes Entwicklungspotenzial
© NGK Insulators Ltd.
© Fraunhofer (Batteriespeicher Mont Cenis)
© Fraunhofer Fraunhofer Stack
Dr. Christian Doetsch,Fraunhofer UMSICHT, OberhausenFolie 12
Wie unterscheiden sich die Technologien für Energiespeicher?
Mittel-/Langfrist
► Pumpspeicherkraftwerke
► Druckluftspeicherkraftwerke
► Redox-Flow Batterien► Bleibatterien
Kurzfrist
► Bleibatterien
► Schwungradspeicher
► Kondensatoren
► Supraleitende Spulen0,0001
0,0010
0,0100
0,1000
1,0000
10,0000
100,0000
0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000Power ratings [MW]
Discharge rating [h]
PumpedHydroCAES
Redox FlowNaS
Lead AcidBattery
Flywheel
SMES
Doublelayercapacitor
0,0001
0,0010
0,0100
0,1000
1,0000
10,0000
100,0000
0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000Power ratings [MW]
Discharge rating [h]
PumpedHydroCAES
Redox FlowNaS
Lead AcidBattery
Flywheel
SMES
Doublelayercapacitor
Realisierte Anlagen
Entladezeit [h]
Elektrische Leistung [MW]
Dr. Christian Doetsch,Fraunhofer UMSICHT, OberhausenFolie 15
Nickel-Cadmium Battery
Compressed Air Energy Storage
Lead-Acid Battery
Redox-Flow Battery
► Druckluftspeicher 477 MWel
► NaS-Batterie >200 MWel
► Bleibatterie 125 MWel
► Redox-Flow 11 (38*) MWel
► NiCd-Batterie 26 MWel
Sodium-Sulphur Battery
* inklusive zweier abgebrochener Regenesys Projekte
Weltweite Leistung von Energiespeichern
Dr. Christian Doetsch,Fraunhofer UMSICHT, OberhausenFolie 16
über 99% derEnergiespeicherleistung
Compressed Air Energy Storage
Sodium-Sulphur Battery
Lead-Acid Battery
Redox-Flow Battery
Nickel-Cadmium Battery
Wasserkraftwerke (PH)
110 000 MWel
Weltweite Leistung von großen Energiespeichern
Dr. Christian Doetsch,Fraunhofer UMSICHT, OberhausenFolie 17
0
20
40
60
80
100
120
140
1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000
syst
ems
PHESCAESLead Acid BatteryNaS BatteryNiCd BatteryRedox Flow Battery
*
Entwicklung der Anlagenzahl von großen Energiespeichern weltweit
Jahr
An
zah
l in
stal
liert
er E
ner
gie
spei
cher
syst
eme
© Fraunhofer
Dr. Christian Doetsch,Fraunhofer UMSICHT, OberhausenFolie 18
Ist der Speicherbedarf eine rein deutsche Problematik (EEG) ?
DeutschlandIn Deutschland basiert der Bedarf an Energiespeichern vorrangig auf dem Ausbau der Erneuerbaren Energien und deren regionaler Verteilung.
JapanHier besteht der hohe Energiespeicherbedarf (über 200 Batteriespeicher im Megawattbereich) vor allem durch Netzrestriktionen (Netzstruktur, Topologie, Koppelstellen, Bebauungsdichte).
USA, SüdeuropaIn Ländern mit ausgeprägter sommerlicher Spitzenlast (verschärfend: hoher Anteil an Grundlaststrom-erzeugern) steigt der Speicherbedarf.
InselnSpeicher sind dort zumeist technisch notwendig.
Dr. Christian Doetsch,Fraunhofer UMSICHT, OberhausenFolie 19
Wie hoch ist die Effizienz der Energiespeicher überhaupt ?
Gesamtwirkungsgrad (AC-AC) beeinflusst durch Anwendung / Teillast, Effizienz der Wechselrichter, Trafos
► Lithium-Batterien(bis zu 90%)
► Pumpspeicher, Bleibatterie(bis zu 80%)
► NaS / Redoxflow-Batterie(ca. 70 - 80%)
► Druckluftspeicherkraftwerk(ca. 42 - 70%)
► Wasserstoff – BZ(ca. 30 - 50%) www.energystorage.org
Dr. Christian Doetsch,Fraunhofer UMSICHT, OberhausenFolie 20
Welche dieser Technologien werden in Zukunft eingesetzt und wo ?
Zentral im Netz / an großen Windparks
► Zukünftig Druckluftspeicher im 2 bis 3-stelligen MW-Bereich (adiabate CAES, Micro-CAES)
► Langfristig H2-GuD im 3-stelligen MW-Bereich
Dezentral an Netzknoten / mittelgroßen Einspeisern (Windanlage, große PV)
► Stand der Technik: Blei- / NaS-Batterien► Zukünftig Redox-Flow Batterien
Lokal bei netzfernen Endkunden bzw. Kleineinspeisern(Dach-PV)
► Stand der Technik: Bleibatterien ► Zukünftig Lithium-Batterien
Fabrik
110 kV 20 kV
Stadt
110 kV
20 kV
0,4 kV
Dr. Christian Doetsch,Fraunhofer UMSICHT, OberhausenFolie 21
Wie arbeiten virtuelle Energiespeicher ?
Virtuelle Energiespeicherung
»Demand Side Management«Abschaltbare Verbraucher
► Industrie: Lastmanagement
► Privathaushalte: Begrenztes Potenzial (Kühl-/Gefrierschränke)
»Demand Respone«Zentrale Regelung dezentraler Anlagen (Strom, Wärme, Kälte) ► Nutzung dezentralen
Wärme-/Kältespeicher (bspw. Wärmepumpenheizung)
EDM, EMS- BKV1 -
EDM, EMS- BKV2 -
EMS- VNB -
Grubengas-BHKW
Fraunhofer Anwendungszentrum Systemtechnik Ilmenau (AST)
Netzleitsystem- VNB -
TU Ilmenau, FG Elektrische Energieversorgung
Digitale Schutztechnik
Physikalisches Netzmodell
Windpark SolardorfStandort Fraunhofer UMSICHT
DAVIDWeb-Service
Grubengas-BHKW
AMM- Metering -
Ökohaus in Japan
Standort Erfurt
Daten-Server
BHKW PV-Anlage Daten-konzentrator
EDM- VNB -
Netz-simulation
Daten-konzentratorPhysikalische Abnehmer
VPN
-Rou
ter
mit
Fire
wal
l
VP
N-R
oute
rm
it Fi
rew
all
VP
N-R
oute
rm
it Fi
rew
all
VP
N-R
oute
rm
it Fi
rew
all
VP
N-R
oute
rm
it Fi
rew
all
Netzleitsystem- ÜNB -
Echtzeitnetz-simulation
Netz-simulation
Protokoll-simulation
VP
N-R
oute
rm
it Fi
rew
all
Daten-konzentrator
PV-Anlage
Internet- VPN-Verbindung -
EDM, EMS- BKV1 -
EDM, EMS- BKV2 -
EMS- VNB -
Grubengas-BHKW
Fraunhofer Anwendungszentrum Systemtechnik Ilmenau (AST)
Netzleitsystem- VNB -
TU Ilmenau, FG Elektrische Energieversorgung
Digitale Schutztechnik
Physikalisches Netzmodell
Windpark SolardorfStandort Fraunhofer UMSICHT
DAVIDWeb-Service
Grubengas-BHKW
AMM- Metering -
Ökohaus in Japan
Standort Erfurt
Daten-Server
BHKW PV-Anlage Daten-konzentrator
EDM- VNB -
Netz-simulation
Daten-konzentratorPhysikalische Abnehmer
VPN
-Rou
ter
mit
Fire
wal
l
VP
N-R
oute
rm
it Fi
rew
all
VP
N-R
oute
rm
it Fi
rew
all
VP
N-R
oute
rm
it Fi
rew
all
VP
N-R
oute
rm
it Fi
rew
all
Netzleitsystem- ÜNB -
Echtzeitnetz-simulation
Netz-simulation
Protokoll-simulation
VP
N-R
oute
rm
it Fi
rew
all
Daten-konzentrator
PV-Anlage
Internet- VPN-Verbindung -
EDM, EMS- BKV1 -
EDM, EMS- BKV1 -
EDM, EMS- BKV2 -
EDM, EMS- BKV2 -
EMS- VNB -
Grubengas-BHKW
Fraunhofer Anwendungszentrum Systemtechnik Ilmenau (AST)
Netzleitsystem- VNB -
TU Ilmenau, FG Elektrische Energieversorgung
Digitale Schutztechnik
Physikalisches Netzmodell
Windpark SolardorfStandort Fraunhofer UMSICHT
DAVIDWeb-Service
Grubengas-BHKW
AMM- Metering -
AMM- Metering -
Ökohaus in Japan
Standort Erfurt
Daten-Server
BHKW PV-Anlage Daten-konzentrator
EDM- VNB -
Netz-simulation
Daten-konzentratorPhysikalische Abnehmer
VPN
-Rou
ter
mit
Fire
wal
lVP
N-R
oute
rm
it Fi
rew
all
VP
N-R
oute
rm
it Fi
rew
all
VP
N-R
oute
rm
it Fi
rew
all
VP
N-R
oute
rm
it Fi
rew
all
VP
N-R
oute
rm
it Fi
rew
all
VP
N-R
oute
rm
it Fi
rew
all
VP
N-R
oute
rm
it Fi
rew
all
VP
N-R
oute
rm
it Fi
rew
all
VP
N-R
oute
rm
it Fi
rew
all
Netzleitsystem- ÜNB -
Echtzeitnetz-simulation
Netz-simulation
Protokoll-simulation
VP
N-R
oute
rm
it Fi
rew
all
VP
N-R
oute
rm
it Fi
rew
all
Daten-konzentrator
PV-Anlage
Internet- VPN-Verbindung -
© Fraunhofer
Dr. Christian Doetsch,Fraunhofer UMSICHT, OberhausenFolie 24
Fraunhofer Netzwerk: Energiespeichersysteme und Netze
Zukunftsthema Energiespeicher im Netz − Strom nach Bedarf aus Sonne und Wind
Das Ziel des Fraunhofer Zukunftsthemas »Energiespeicher im Netz« ist die Entwicklung von neuen Technologien und Systemen zur dezentralen elektrischen Energiespeicherung (»Stromspeicher«).
Auf Basis des Zukunftsthemas hat sich das Fraunhofer Netzwerk »Energiespeichersysteme und Netze«gegründet.
Themen► elektrische Energiespeicher /-systeme► thermische Speicher► Netze/Leistungselektronik► Energiemanagementsysteme► dezentrale Speicher und Regelstrukturen
Dr. Christian Doetsch,Fraunhofer UMSICHT, OberhausenFolie 25
Fraunhofer Netzwerk: Energiespeichersysteme und Netze
Zukunftsthema Energiespeicher im Netz − Strom nach Bedarf aus Sonne und Wind
► Fraunhofer UMSICHT (Koordination) ► Fraunhofer AST► Fraunhofer ICT► Fraunhofer IFAM-DD► Fraunhofer IFF► Fraunhofer ISE ► Fraunhofer ISI► Fraunhofer ISC ► Fraunhofer ISIT ► Fraunhofer IWES
Koordinator: Dr. Christian DoetschFraunhofer UMSICHT, [email protected]
Dr. Christian Doetsch,Fraunhofer UMSICHT, OberhausenFolie 26
Noch weitere Fragen ? Besuchen Sie uns!
Hannovermesse
19.-23. April 2010
Halle 13, Stand E44
Dr. Christian Doetsch
Tel.: +49 208 8598 [email protected]