stromspeicher – schlüssel zur energiewende

7. Wissenschaftstag Vattenfall Stromspeicher – Schlüssel zur Energiewende Speichertechnologien im Überblick A. Kratzsch

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1.  Ausgangssituation – Warum Energiespeicher? 2.  Einteilung von Energiespeichern 3.  Bedarf an Energiespeichern 4.  Flexibles Kraftwerk 5.  Zusammenfassung

Gliederung

29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall

§  Umbau der Energieversorgung zu einem regenerativ dominierten Energiesystem

§  Problematik: –  Fluktuierende Einspeisung aus Erneuerbaren Energien (EE) –  Synchronisierung von EE-Angebot und Netzlast

Quan%fizierte Ziele Energiekonzept 2020 2030 2040 2050

Minderung der THG-‐Emissionen (bezogen auf 1990) -‐40% -‐55% -‐70% -‐80 bis 95%

Mindest-‐Anteil der EE am Bru9o-‐Endenergieverbrauch 18% 30% 45% 60%

Mindest-‐Anteil der EE am Bru9ostromverbrauch 35% 50% 65% 80%

Minderung des Primärenergieverbrauchs -‐20% -‐50%

Minderung des Stromverbrauchs -‐10% -‐25%

Minderung des Endenergieverbrauchs Verkehr -‐10% -‐40%

Reduzierung des Wärmebedarfs (2020) bzw. des Primärenergiebedarfs (2050) von Gebäuden

-‐20% -‐80%

AtomenergieaussZeg 2022

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Ausgangssituation


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§  Zielstellung: Äquivalenz zwischen Elektroenergienachfrage und -angebot.

§  Es existieren entsprechende Stelleinrichtungen im Verbundnetz: –  bestehender fossiler und nuklearer Kraftwerkspark –  Gasturbinenkraftwerke (schnellstartfähig) –  Pumpspeicherkraftwerke –  Druckluftspeicherkraftwerk (HUNTORF)

§  Durch den fortschreitenden Zubau Erneuerbarer Energien reicht der Stellbereich und die Stellgeschwindigkeit bestehender Stelleinrichtungen nicht mehr aus è instabiles Verbundnetz


Abb. 1: KKW Krümmel, KW Boxberg (Quelle: Vattenfall)

Ausgangssituation

5 29.10.2014 A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall

Entwicklung der Residuallast 2020 bis 2050 nach Studie BMU2012, Szenario 2011A

Grundlast verschwindet mit zunehmender Einspeisung aus EE

Residuallast 2020 Residuallast 2030 Residuallast 2050

zunehmend hochflexibler wirtschaftlicher Kraftwerkspark für Spitzenlastdeckung mit hohen Lastgradienten und gesicherter Leistung (Backup) notwendig 2050 Speicherkapazität ≈ flexible Erzeugungskapazität

Quelle: [BMU2012] S.202-204 Quelle: [BMU2012] S.202-204 Quelle: [BMU2012] S.202-204

Abb. 2: Residuallast 2020, 2030, 2050 (Quelle: BMU)

Ausgangssituation

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Gliederung


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§  Einteilung nach Energieform

§  Einteilung entsprechend Speicherdauer (Lang-/Kurzzeitspeicher) §  Einteilung hinsichtlich der Bewertungskriterien für Speicher §  Einteilung hinsichtlich der möglichen Beiträge zu Systemdienstleistungen

Einteilung von Speichertechnologien


Energiespeicher

Mechanische • Pumpspeicher KW • Drucklu@speicher (CAES, AA CAES, ADELE)

• Schwungräder (DYNASTORE)

Chemische • Elektrochemische Ba9erien

• Brennstoffe • Elektrolyse (Power-‐to-‐Gas)

Biologische • Biopolymere (nachwachsende Rohstoffe)

• Erdöl, Kohle, Erdgas (fossile)

Elektrische • Kondensator • Superkondensator • Ba9erien

Thermische • Sensible Wärmespeicher

• Latente Wärmespeicher

• Thermochemische Wärmespeicher

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§  Beispiel: Druckluftspeicher HUNTORF

§  Inbetriebnahme 1978 als kombiniertes Druckluft- speicher- und Gasturbinenkraftwerk mit einer Leistung von 321 MWel.

§  Zur Druckauflastung der Kaverne (72.000 t Press- luft bei 72 bar) ist eine elektrische Arbeit von 480 MWh erforderlich.

§  Die Kaverne ersetzt den klassischen Verdichter der Gasturbine.

§  Die Beladung erfolgt zu Schwachlastzeiten, die Entladung zu Spitzenlastzeiten.

§  Es sind 120 min. Volllastbetrieb bei voll geladener Kaverne möglich (danach Gleitdruckbetrieb).

§  Vergleich: 40 min. Volllastbetrieb ohne Kaverne bei identischer Gasmenge

Einteilung von Speichertechnologien


Abb. 3: KW HUNTORF und Luftspeicher-Gasturbinengruppe (Quelle: BBC1980)

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Gliederung


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§  Energiespeicher müssen in der Lage sein Systemdienstleistungen zu erbringen bzw. bisherige Systemdienstleister dahingehend unterstützen/ertüchtigen!

§  Systemdienstleistungen –  Frequenzhaltung

•  Momentanreserve •  Primärregelleistung •  Sekundärregelleistung •  Minutenreserve

–  Spannungshaltung –  Versorgungswiederaufbau –  Betriebsführung

§  Entsprechend werden Anforderungen an Speicher gestellt.

Bedarf an Energiespeichern


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Kapazität Dynamik

Zyklenstabilität Teillasfähigkeit

Standzeit Zuverlässigkeit

und Verfügbarkeit

ökologische/ökonomische

Aspekte

gesellscha@liche Akzeptanz

§  Anforderungen an Stromspeicher im Verbundnetz (Auszug)

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§  Beiträge ausgewählter Energiespeicher zu Systemdienstleistungen:



Schwungmassen-‐speicher Ba9erien Pumpspeicher-‐

kra@werke Power-‐to-‐Gas Gas-‐to-‐Power

Momentan-‐reserve

Primärregel-‐leistung

Sekundär-‐regelleistung

Minuten-‐reserve

Bewertung: §  Hohe Investitionskosten für die Realisierung von Stromspeichern als Stell-

einrichtungen im Verbundnetz. §  Erforderliche dezentrale Strukturen führen zu einem hohen informations-

technischen Aufwand.

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Gliederung



Folgen für Großkraftwerke bis 2030 durch den zunehmenden Ausbau der EE

§  volatile Spitzen durch EE-Einspeisung nehmen zu

§  zeitweise Vollversorgung durch EE

§  starker Anstieg des Spitzenlastbedarfs

§  schrittweise Abnahme der Deckung des

Grundlastbedarfs durch Bestandskraftwerke

§  steigender Bedarf an Regelenergie

§  An- und Abfahrprozesse nehmen stark zu

§  hohe Lastgradienten

§  Zunahme von Lastwechselfahrweisen

§  erhöhte Belastung der Bauteile

Mögliche Residuallast 2030 Quelle: [BMU2012] S.202-204

Flexibles Kraftwerk

Abb. 4: Simulierter Verlauf der Residuallast für zwei Wochen in 2030

Ø  Ertüchtigung von bestehenden Stelleinrichtungen (Bestandskraftwerken) in Hinblick auf Stellgeschwindigkeit und Stellbereich.

Ø  Integration thermischer Energiespeicher (TES) in den Kraftwerksprozess.

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TES

Sensible Wärmespeicher

Flüssig Fest

Latente Wärmespeicher

Übergang fest-‐ flüssig

Übergang flüssig-‐ gasf.

Thermochemische Wärmespeicher

Sorp6ons-‐speicher

Reak6ons-‐wärme speicher


Fluidspeicher

Dampfspeicher

Feststoffspeicher Latentwärmespeicher Ad- u. Absorptions-speicher

AB+∆HR A+B-∆HR

Reaktions-wärmespeicher

Hoch Entwicklungsstand Niedrig

Flexibles Kraftwerk

Niedrig Speicherdichte Hoch


Speicherkonzepte T > 150°C

Prinzip Typ. Speichermed.

Vorteile Nachteile

Fluidspeicher Speicherung sensibler Wärme in flüssigem Speichermedium, direkt o. indirekt -‐ Zwei-‐Tank-‐System -‐ Ein-‐Tank-‐Schicht-‐System

-‐ Thermoöl -‐ Druckwasser -‐ Flüssigsalz

-‐ Stand der Technik -‐ gute Leistungsanpassung -‐ bis 600°C je nach Medium

-‐ Druckbehälter (Wasser) -‐  hohe Wärmeverluste -‐ Wärmeüberganswiderst. -‐ Temperaturniveau nicht konstant

Dampfspeicher Speicherung sensibler Wärme in Druckwasser, Phasenwechsel Wärmeträger bei Be-‐ und Entladung (Ruths-‐Speicher)

-‐ Druckwasser -‐ Stand der Technik -‐ Abdeckung von Leistungsspitzen -‐ Speichermedium günsZg -‐ bis 374°C bei 221bar

-‐ Druckbehälter -‐ Temperatur-‐ und Druckniveau nicht konstant

Feststoffspeicher Speicherung sensibler Wärme in festem Speichermedium mit integriertem Wärmeübertrager

-‐ Beton -‐ (Stein, Metalle)

-‐ kein Druckbehälter -‐ preiswertes Speichermed. -‐ bis 550°C

-‐  Pilotprojektstadium -‐ geringe Wärmeleif. -‐ Leistungsanpassung

Latentwärmespeicher Isotherme Speicherung latenter Wärme in einem Medium mit Phasenwechsel (PCM) während Be-‐ und Entladung

-‐ Tech. Salze -‐ Metalle und Legierungen

-‐ Speicherung bei kleinem ∆T -‐ hohe Speicherdichte -‐ kein Druckbehälter -‐ bis 1000°C

-‐ Pilotprojektstadium -‐ z.T. geringe WärmeleiW. -‐ Kosten Speichermedium

Ad-‐/AbsorpZonsspeicher Speicherung phys. Bindungswärme durch Ausheizung eines, an einem festen bzw. flüssigen Stoff A angelagerten bzw. gelösten Stoffes B

-‐  Natronlauge -‐ Zeolith -‐ Silikagel -‐ Metallhydride

-‐ Nutzung KondensaZonswärme -‐ Temperaturhub möglich -‐ keine Wärmeverluste -‐ 150 bis 300°C

-‐ z.T. Pilotprojektstadium -‐ Druckabhängig -‐ geringe Wärmeleif. -‐ evtl. Reaktor notwendig

ReakZonswärmespeicher Speicherung chem. ReakZonswärme durch Aufspaltung eines Stoffes AB unter Wärmezufuhr in die separierten Stoffe A und B

-‐ Ammoniaksynt. -‐ DehydraZsieru. /Decaboxillieru. von Metallen

-‐ höchste Speicherdichte -‐ keine Wärmeverluste -‐ 250 bis 950°C

-‐ Laborstadium -‐ Zyklenstabillität -‐ Reaktor notwendig AB+∆HR A+B-∆HR

Flexibles Kraftwerk


Beispiel: Solar Two §  Anwendungen mit großen

Temperaturspreizungen §  1400 Tonnen 60 % NaNO3 + 40 % KNO3

§  „kalter“ Tank: 290 °C, Material: Stahl §  „heißer“ Tank: 565 °C, Material: Edelstahl §  Speicherkapazität: 110 MWh (35,5 MW x 3 h) §  Speicherdichte: ca. 0,56 kWh/m³K §  Ø Wärmeverlustleistung ca. 200 kW §  Dämmung: „Foamglas“ + Firebricks

Sensible Wärmespeicher: Fluidspeicher mit Flüssigsalz

Quelle: [0231], [0189], [0186]

11,6m

7,8m 8,4m

Flexibles Kraftwerk

Abb. 5: Kraftwerk Solar Two im Bild und schematisch (Quelle: 0231)


Beispiel: Plataforma Solar de Almería, Spanien, (Pilotanlage)

§  Anwendungen mit großen Temperaturspreizungen

§  Temperaturen von 200 °C bis 500 °C §  Speicherkapazität: ca. 1 MWh §  Speicherdichte: ca. 0,63 kWh/m³K §  Ø Wärmeverlustleistung ca. 9 kW §  Wärmeübertrager im Beton integriert §  Dämmung durch 400 mm Mineralwolle §  hohes Kostensenkungspotenzial durch

höhere Wärmeleitfähigkeit im Speicher- medium

Sensible Wärmespeicher: Feststoffspeicher mit N4-Beton DLR

Quelle: [0060]

1,7m

1,3m

8,37m

Quelle: [0053], [0060]

Flexibles Kraftwerk

Quelle: [0018]

Abb. 6: Betonspeicher im Bild und schematisch


Beispiel: Carboneras Spanien (Pilotanlage) §  Anwendungen mit kleinen Temperaturspreizungen §  Phasenwechseltemperatur 306 °C §  Nutzung Schmelzwärme NaNO3 zur Verdampfung

Speicher = Dampferzeuger! §  Speicherkapazität: ca. 0,72 MWh (0,24 MW x 3 h) §  Speicherdichte: ca. 84 kWh/m³ (Schmelzwärme) §  Wärmeübertrager integriert §  konstante Entladetemperatur §  Dämmung durch 400 mm Mineralwolle §  hohes Kostensenkungspotenzial durch

höhere Wärmeleitfähigkeit im Speichermedium

Latente Wärmespeicher: Salz NaNo3

Quelle: [0038], [0071]

Flexibles Kraftwerk

Abb. 7: Salzspeicher im Bild und schematisch (Quelle: 0036)


Identifikation vorhandener nutzbarer thermischer Speicher im Kraftwerksprozess.

Flexibles Kraftwerk

Abb. 8: Schematische Darstellung eines Kraftwerksprozesses (Quelle: 0231)

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§  Erhöhung der vorhandenen thermisch nutzbaren Speicherkapazitäten im Kraftwerksprozess durch Integration thermischer Energiespeicher.

Hydraulische Grundschaltungen thermischer Energiespeicher: §  Parallelschaltung §  Reihenschaltung

Prinzipiell nutzbare Energieströme: §  Frischdampf §  Abdampf HD-Teil §  Anzapfdampf HD-, MD, ND-Teil §  Speisewasser HD-Vorwärmung §  Speisewasser Speisewasserbehälter §  Speisewasser ND-Vorwärmung

Flexibles Kraftwerk


PND: Parallelschaltung zur ND-Turbine, Fernwärmespeicherung

§  Substitution ND-Turbine §  T = 270-280 °C §  ∆T = 240-260 K §  p = 4-6 bar §  ∆p = 4-6 bar

§  Einspeicherung von Entnahmedampf

§  Ausspeicherung von Fernwärme

§  Speicherauslegung abhängig von Lastkurve Fernwärme


Flexibles Kraftwerk

Abb. 9: Schematische Darstellung eines Kraftwerksprozesses mit thermischem Energiespeicher im Fernwärmesystem

RES: Reihenschaltung zur Erhöhung vorhandener Speichermassen

§  Speicherkapazitäten als Dämpfungsglied

§  TFD = 555 °C §  TSW = 240-270 °C §  p = 155-300 bar


Flexibles Kraftwerk

Abb. 10: Schematische Darstellung eines Kraftwerksprozesses mit thermischem Energiespeicher in der Frischdampfstrecke

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§  Idealisierte Darstellung der temperaturabhängigen Speicherdichte verschiedener Speichermedien

Flexibles Kraftwerk


10bar

46bar

221bar

129bar

1bar

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 100 200 300 400 500 600

gespeicherte Ene

rgie in kWh/m³

Temperatur in °C

N4-‐Beton DLR

Wasser Siedelinie

NaNO3

Siededruck


Temperaturniveau Speicherkapazität

Zyklenstabilität Wärmeleifähigkeit

Druckabhängigkeit Korrosion

ökologische/ökonomische

Aspekte VolumendilataZon

§  Bewertungskriterien für die Auswahl thermischer Energiespeicher zum Einsatz im Kraftwerksprozess (Auszug).

Flexibles Kraftwerk

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Medium Art Speicherkapazität 160-‐270 °C [kWh/m3]

Kostenfaktor bezogen auf Wasser

[-‐]

Therminol72 Flüssigkeit 64 190

N4-‐Beton DLR Feststoff 70 10

Wasser Flüssigkeit 83 1

Hitec (flüssig) Flüssigkeit 97 136

NaNO3+KNO3 60/40 PCM 118 75

Gussstahl Feststoff 143 2100

AlCl3 PCM 268 2500

LiNO3 PCM 372 10000


§  Wasser wird als am besten geeignet bewertet! §  Wasser ist bereits im Kraftwerksprozess vorhanden. §  Für die Integration sind keine zusätzlichen Wärmeübertrager erforderlich

(maßgeblicher Beitrag zum Exergieerhalt der eingespeicherten Energie).

Flexibles Kraftwerk

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§  Qualitativer Vergleich zwischen bisherigem Kraftwerksprozess und flexibilisiertem Kraftwerksprozess.

Flexibles Kraftwerk


Quelle: [0173]

100

40

24

qualitativer Lastverlauf qualitativer Lastverlauf mit Speicher

Tagesstunden

Blo

ck-L

ast i

n %

Beispielhafter Block-Lastverlauf

2

33

Blo

ck-L

ast i

n %

Regelenergiebereitstellung

100

40

SOLL IST

Primär- u. Sekundär-regelleistung

Lastregelbereich 4 4

1

Mindestlastabsenkung (P < 40 %)

Überlasfähigkeit (P > 100 %)

Erhöhung Laständerungsgeschwindigkeit (P/min.)

Erhöhung Regelenergiebereitstellung

1

2

3

4

28


Gliederung


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§  Deutschland steht vor einem signifikanten Umbau des Energieversorgungs-systems.

§  Aufgrund des rasanten Zubaus von Erneuerbaren Energien ist davon auszu-gehen, dass zukünftig die bestehenden Stelleinrichtungen an ihre Leistungs-grenzen kommen und die Netzstabilität nicht sicherstellen können.

§  Stromspeicher sind geeignet, Systemdienstleistungen zu erbringen und kön-nen damit als Stelleinrichtung im Verbundnetz eingesetzt werden.

§  Der Aufbau der erforderlichen Infrastruktur ist mit hohen Kosten und langen Zeiträumen verbunden.

§  Bestandskraftwerke garantieren schon jetzt die Stabilität des Verbundnetzes.

§  Die weitere Flexibilisierung der Kraftwerksanlagen durch die Integration ther-mischer Energiespeicher leistet einen Beitrag zur Erweiterung der Stellmög-lichkeiten der Kraftwerke.

Zusammenfassung


Merkmale:

§  Nachbildung kraftwerksrelevanter Wasser-

Dampf-Prozesse bis max. 350 °C und 160 bar

§  universelle Schnittstelle für die Integration

externer Untersuchungsgegenstände

§  max. 0,1 kg/s Dampf, 0,5 kg/s Speisewasser

§  korrosionsbeständige Ausführung

Untersuchungsschwerpunkte:

§  Analyse kraftwerksrelevanter Prozesse

§  Integration thermischer Energiespeicher in

den Kraftwerksprozess

§  Einzeleffektanalysen

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Energieeffizienzsteigerung in thermischen Energieanlagen

Ausblick

29.10.2014

Versuchsanlage THERESA

A. Kratzsch | Hochschule Zi9au/Görlitz | 7. Wissenscha@stag Va9enfall

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Quellen


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[0036] Laing, Bahl, Bauer, Lehmann, Steinmann: „Thermal energy storage for direct steam generation“; ELSEVIER; 2010

[0038] Laing et al: „Test and Evaluation of a thermal energy storage system for direct steam generation“; SolarPACES 2011, Spanien

[0053] Laing, Bahl, Bauer, Fiss, Breidenbach, Hempel: „High-Temperature Solid-Media Thermal Energy Storage for Solar Thermal Power Plants “; 2011

[0060] Laing, Hempel, Stückle: „CONCRETE THERMAL ENERGY STORAGE FOR SOLAR THERMAL POWER PLANTS AND INDUSTRIAL PROCESS HEAT “; 2009

[0071] Steinmann, Schulte, Scherrer: „EVA Thermische Energiespeicherung zur Verstromung diskontinuier- licher Abwärme “; 2010

[0126] Kurt, Greiner, Kallina: „Verbesserung des Regelverhaltens von Dampfkraftwerksblöcken“; STEAG Energy Services; 2009

[0173] Schüle, V.: „Betriebsflexibilität“; Alstom; 2011; Legin, M.: „Thermische Energiespeicherung für DKW; Alstom; 2011

[0186] Pacheco, Kelly, Herrmann, Cable, Mahoney, Price, Blake, Nava, Potrovitza: „Engineering aspects of a molten salt heat transfer fluid in a trough solar field“; ELSEVIER; 2003

[0189] Herrmann , Kelly, Price: „ Two-tank molten salt storage for parabolic trough solar“; ELSEVIER; 2004

[0231] Pacheco J.: „Final test and evaluation results from the solar two project“, SNL; 2002 [SRU2011] Sachverständigenrat für Umweltfragen: „Wege zur 100% erneuerbaren Stromversorgung Sonder-

gutachten“; Januar 2011 [BMU2012] Arbeitsgemeinschaft IWES, DLR, IFNE: „Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der

erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global“; März 2012

[BBC1980] Sonderdruck aus Brown Boveri Mitteilungen Band 67, Heft 8/1980, Seite 465 bis 473 [EFZN2013] efzn: „Eignung von Speichertechnologien zum Erhalt der Systemsicherheit“, Goslar, 2013

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