vor- und nachteile verschiedener prinzipien der...
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Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl für Elektroenergieversorgung
Vor- und Nachteile verschiedener Prinzipien der Speicherung elektrischer Energie
Sächsisches Fachsymposium ENERGIE
Prof. Dr.-Ing. Peter SchegnerDipl.-Ing. Max Domagk
• Motivation
• Einteilung von Speichersystemen
• Vergleich der Speichertechnologien
− Elektrisch
− Mechanisch
− Chemisch
• Zusammenfassung & Ausblick
Gliederung
22.11.2012 Folie 2
Erzeugung und Eigenverbrauch ohne Speicher
Motivation
22.11.2012 Folie 3
Verbrauch
PV-Erzeugung
Natürlicher Eigenverbrauch
Differenz zwischen Erzeugung und Eigenverbrauch
Erzeugung und Eigenverbrauch mit Speicher
Motivation
22.11.2012 Folie 4
Verbrauch
PV-Erzeugung
Natürlicher Eigenverbrauch
Speicherung
Eigenverbrauch aus Speicher
Einspeicherung überschüssiger Energie
Ausspeicherung bei vorhandenem Eigenbedarf
Technische und wirtschaftliche Systemoptimierung
• Betrieb von Inselnetzen und autarken Verbrauchern
• Ausgleich von Energieangebot und Energiebedarf
− Einspeicherung bei Schwachlastzeiten & Einspeisespitzen
− Spitzenlastregelung („Peak Shaving“)
Einteilung von Speichersystemen
22.11.2012 Folie 5
Einsatzmöglichkeiten
Gewährleistung der Versorgungssicherheit
• Frequenz- und Spannungshaltung in elektrischen Versorgungsnetzen
• Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)
Integration dargebotsabhängiger Energien und Elektromobilität
• Einbindung regenerativer Energieträger in bestehenden Versorgungsstrukturen
• Integration zukünftiger Mobilitätskonzepte
Einteilung von Speichersystemen
22.11.2012 Folie 6
Physikalisches Wirkungsprinzip
[1]
Einteilung von Speichersystemen
22.11.2012 Folie 7
Physikalisches Wirkungsprinzip
[1]
Anforderungen
Einteilung von Speichersystemen
22.11.2012 Folie 8
Vergleich der Speichertechnologien
22.11.2012 Folie 9
Vergleich der Speichertechnologien
22.11.2012 Folie 10
Elektrische Speicher - Doppelschichtkondensatoren
• Auch Electric Double-Layer Capacitors, Superkondensatoren oder Supercaps
• Energiespeicherung im elektrostatischen Feld zwischen zwei Elektroden
• Hohe zyklische Lebensdauer
• Breiter Arbeitstemperaturbereich
• Kein Memoryeffekt
• Selbstentladung: bis zu 25 % in den ersten 48 h, danach sehr gering
Doppelschichtkondensatoren
22.11.2012 Folie 11
Vorteile Hohe Zykluszahlen, hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit, Schnellladefähigkeit, Tiefentladungsfestigkeit
Nachteile Hohe Selbstentladung, niedrige Energiedichte, hohe Kosten pro installierter Energie
Hauptanwendungen Frequenzregelung, Spannungsregelung, Spitzenlastregelung, unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), Hybridfahrzeuge
[4]
Doppelschichtkondensatoren
22.11.2012 Folie 12Richtwerte aus [1]
Vergleich der Speichertechnologien
22.11.2012 Folie 13
Elektrische Speicher – Supraleitende Energiespeicher
Supraleitende Energiespeicher
22.11.2012 Folie 14
Vorteile Kurze Zugriffszeit auf hohe Leistungen, keine beweglichen Teile, Zuverlässigkeit
Nachteile Teure Rohstoffe für Supraleiter, hohe Selbstentladung, Kühlungsleistung benötigt: Kühlung, Schaltsystem und Umrichter
Hauptanwendungen Frequenzregelung, Spannungsregelung, Spitzenlastregelung
• Energiespeicherung im elektromagnetischenFeld einer supraleitenden Spule
• Supraleitung durch Kühlung unterhalbder Sprungtemperatur (z.B. 9 K für Niob-Titan) Verlust des elektr. Widerstandes
• Verlustlose Stromleitung ohne externe Energiezufuhr
• Selbstentladung: 10 %/Tag bis 15%/Tag[5]
Supraleitende Energiespeicher
22.11.2012 Folie 15Richtwerte aus [1]
Vergleich der Speichertechnologien
22.11.2012 Folie 16
Mechanische Speicher - Schwungradspeicher
• Speicherung in Form kinetischer Energierotierender Körper
• Ladevorgang über Elektromotor
• Entladevorgang über Generatorbetriebdes Elektromotors
• Verwendung von mechanische oder magnetischen Lagernin Vakuumkammer
• Selbstentladung: 5 %/h bis 15 %/h
Schwungradspeicher
22.11.2012 Folie 17
Vorteile Kurzzeitspeicherung, geringe Betriebskosten und Wartungsanforderungen, Tiefentladungfestigkeit
Nachteile Hohe Lagerverluste bzw. benötigte Vakuumkammer, sehr hohe Selbstentladung, Betriebssicherheit
Hauptanwendungen Frequenzregelung, Spannungsregelung, Spitzenlastregelung, unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV),Nutzung von Bremsenergie in Elektrofahrzeugen
[6]
Schwungradspeicher
22.11.2012 Folie 18Richtwerte aus [1]
Vergleich der Speichertechnologien
22.11.2012 Folie 19
Mechanische Speicher - Pumpspeicher
[7]
Pumpspeicherkraftwerke
22.11.2012 Folie 20
Vorteile Etablierte Technologie, geringe Selbstentladung, sehr lange Lebensdauer, Tiefenentladung, Anfahren von Kraftwerken möglich
Nachteile Lokale Voraussetzungen: benötigt 2 Speicherbecken mit deutlichem Höhenunterschied, geringe Energiedichte, hohe Investitionskosten
Hauptanwendungen Frequenzregelung, Spannungsregelung, Spitzenlastregelung, Lastausgleich, Schwarzstart
• Speicherung in Form potentieller Energie des Wassers
• Einspeicherung durch Pumpen des Wassers in das höher liegende Becken
• Ausspeicherung durch das Durchströmen einer Turbine, die einen Generator antreibt
• Fallhöhen deutscher Anlagen: 70 m bis 600 m
• Selbstentladung: 0,005 %/Tag bis 0,02 %/Tag
Pumpspeicherkraftwerke
22.11.2012 Folie 21Richtwerte aus [1]
Vergleich der Speichertechnologien
22.11.2012 Folie 22
Mechanische Speicher - Druckluftspeicher
Druckluftspeicher
22.11.2012 Folie 23
Vorteile Volle Leistung schnell abrufbar, geringe Leckverluste, Anfahren von Kraftwerken möglich, lange Lebensdauer (ca. 25 Jahre)
Nachteile Geringer Wirkungsgrad, benötigt nutzbare Kavernen z.B. Salzkavernen, zusätzlicher Brennstoff (Erdgas)
Hauptanwendungen Frequenzregelung, Spannungsregelung, Spitzenlastregelung, Lastausgleich, Schwarzstart
• Speicherung durch Komprimieren von Umgebungsluft
• Einspeicherung der komprimiertenLuft in Kavernen (50 bar – 70 bar)
• Ausspeicherung durch Verbrennen derkomprimierten Luft zusammen mit Erdgasin Gasturbine Generator
• Verbrennung von Erdgas um Abkühlungseffektbei Druckabfall entgegenzuwirken
• Selbstentladung: 0,5 %/Tag bis 1 %/Tagadiabatischer Druckluftspeicher [1]
Druckluftspeicher
22.11.2012 Folie 24Richtwerte aus [1]
Vergleich der Speichertechnologien
22.11.2012 Folie 25
Chemische Speicher - Lithium-Ionen-Batterien
Lithium-Ionen-Batterien
22.11.2012 Folie 26
Vorteile Hohe Energiedichte, lange Lebensdauer, Hohe Entladetiefe
Nachteile Keine hohen Lade- und Entladeströme, entflammbar, Packagingund Kühlung aufwendig, Einzelspannungsüberwachung
Hauptanwendungen Frequenzregelung, Spannungsregelung, Spitzenlastregelung, Lastausgleich, Elektromobilität, PV-Speichersysteme,Mobile Geräte mit hohen Energiebedarf
• Speicherung in Form von chemischer Energie
• AufbauPos. Elektrode: Li-Metalloxid
(z.B. LiMeO2)
Neg. Elektrode: Graphit
Elektrolyt: Li-Salze in organischenLösungsmitteln
Laden Entladen
• Selbstentladung: 5 %/Monat
[1]
Lithium-Ionen-Batterien
22.11.2012 Folie 27Richtwerte aus [1]
Vergleich der Speichertechnologien
22.11.2012 Folie 28
Chemische Speicher - Blei-Säure-Batterien
• Speicherung in Form von chemischer Energie
• Klassischer Aufbau: 2 Blei-Elektroden und Schwefelsäure als Elektrolyt
Laden Entladen
• Pb + PbO2 + 2 H2SO4 2 PbSO4 + 2 H2O + elektrische Energie
• Selbstentladung: 0,1 %/Tag bis 0,4 %/Tag
Blei-Säure-Batterien
22.11.2012 Folie 29
Vorteile Geringe Selbstentladung, kein Memoryeffekt, technisch erprobt
Nachteile Ventilation aufgrund von Gasbildung, keine Schnell- und Tiefenentladung, Unfallgefahr (Auslaufen der Säure) Blei-Gel
Hauptanwendungen Frequenzregelung, Spitzenlastregelung, Inselnetze, PV-Speichersysteme, unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV),Elektroautos, Starterbatterien für Kraftfahrzeuge
[1]
Blei-Säure-Batterien
22.11.2012 Folie 30Richtwerte aus [1]
Vergleich der Speichertechnologien
22.11.2012 Folie 31
Chemische Speicher – Hochtemperatur-Batterien
Hochtemperatur-Batterien
22.11.2012 Folie 32
Vorteile Hohe Energiedichte und Wirkungsgrad, kein Memoryeffekt, vernachlässigbare elektrochemische Alterung, Günstige Rohstoffe (NaS)
Nachteile Benötigt hohe Arbeitstemperatur zum Be- und Entladen, anfällig gegenüber Temperaturschwankungen, hohe Verluste
Hauptanwendungen Frequenzregelung, Spannungsregelung, Lastausgleich, Inselnetze, Elektromobilität, Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)
• Speicherung in Form von chemischer Energie
• Flüssige Elektroden und Festkörper-Elektrolyt
• Arbeitstemperatur bei 300 - 350°Czur Verflüssigung der Elektroden
• Heizung auch im ruhenden Betriebnotwendig
• Nur ein Anbieter weltweit (Japan)
• Selbstentladung: 10 %/Tag (kleine in Bereitschaft stehende Systeme)
Natrium-Schwefel-Batterien (NaS) [8]
Hochtemperatur-Batterien
22.11.2012 Folie 33Richtwerte aus [1]
Vergleich der Speichertechnologien
22.11.2012 Folie 34
Chemische Speicher - Gasspeicher („power to gas“)
Gasspeicher - Wasserstoff
22.11.2012 Folie 35
Vorteile Speicherung großer Energiemengen, Wasser zur Herstellung frei verfügbar, Wasserstoffnutzung für andere Energiesektoren
Nachteile Benötigt Unterirdische Kaverne, Speicherung in Tanks kostspielig,geringer Wirkungsgrad, hohe Elektrolysekosten
Hauptanwendungen Saisonspeicher, Inselnetz
• Erzeugung von Wasserstoff mittels Stromdurch Elektrolyse
• Speicherung des verdichtetenWasserstoffs in z.B. Kavernen
• Entladevorgang durch Verbrennungs-turbinen oder Brennstoffzellenzur Verstromung
• Nutzung außerhalb des Stromsektorsmöglich z.B. zur Wärmeerzeugung
• Selbstentladung: 0,003%/Tag bis 0,03%/Tag
[1]
Gasspeicher - Wasserstoff
22.11.2012 Folie 36Richtwerte aus [1]
Gasspeicher - Methan
22.11.2012 Folie 37
Vorteile Hohe Speicherkapazität für Langzeitspeicherung, Mitnutzung des Erdgasnetzes, hohe Energiedichte
Nachteile Unterirdische Kaverne, oder Gasnetz-Anschluss, externe CO2-Quelle, geringer Wirkungsgrad, teurer als Wasserstoffspeicherung
Hauptanwendungen Saisonspeicher, Inselnetz
• Erzeugung von Wasserstoff mittels Stromdurch Elektrolyse
• Methanisierung von Wasserstoff und Kohlendioxid• Zusätzliche CO2-Quelle benötigt• Direkte Nutzung des Erdgasnetzes möglich• Entladevorgang durch Verbrennung
in Gasturbinen• ca. 3-fache Energiedichte
gegenüber Wasserstoff
• Selbstentladung: 0,003%/Tag bis 0,03%/Tag
[9]
Gasspeicher - Methan
22.11.2012 Folie 38Richtwerte aus [1]
Potentielle Rolle der Speichertechnologien
Zusammenfassung
22.11.2012 Folie 39
Kurzzeitspeicheranwendungen I („Sekunden bis Minuten“)• z.B. Doppelschichtkondensatoren, supraleitende Energiespeicher, Schwungräder• Anwendungen mit hoher Zyklusbelastung und Leistungsanforderungen Frequenz- und Spannungshaltung in elektrischen Versorgungsnetzen
Kurzzeitspeicheranwendungen II („Tagesspeicherung“)• z.B. große Vielfalt an Batterietechnologien, Pumpspeicher, Druckluftspeicher• Optimierung des Netzbetriebes, PV-Speichersysteme, E-Mobilität, USV Ausgleich von Energieangebot und Energiebedarf
(z.B. Last-, Einspeisespitzen, PV-Selbstversorgung)
Langzeitspeicheranwendungen („Wochen bis Monate“)• z.B. Pumpspeicher im Großmaßstab, Elektrolyse von Wasser bzw. Gasspeicher• Betrieb von Inselnetzen, bei hohem Anteil EE zur Überbrückung „dunkler Flaute“ Einbindung regenerativer Energieträger in bestehende Versorgungsstrukturen
Energiespeicher für die Energiewende
Ausblick
22.11.2012 Folie 40
• bis zu einem EE-Anteil von ca. 40% werden Speicher nur in geringem Umfang zur Einspeicherung von EE-Strom benötigt(Ausgleich durch geringe Abregelung der EE-Einspeisung)
• bei EE-Anteilen über 40% ist eine Kombination aus Kurz- und Langzeitspeicherung und Abregelung von EE-Anlagen empfehlenswert
• bei EE-Anteilen von 80%dienen Kurz- und Langzeitspeicher dem Klimaschutz
• bei Erhöhung der EE-Anteile von 80% auf 100%verdreifacht sich der Speicherbedarf
[2]
Ante
il er
neu
erbar
er E
ner
gie
n
40%
80%
100%
[1] SEFEP Studie: „Technology Overview on Electricity Storage”, ISEA RWTH Aachen, September 2012
[2] VDE Studie: „Energiespeicher für die Energiewende – Speicherbedarf und Auswirkungen für dasÜbertragungsnetz“, ETG-Task-Force Energieeinspeisung, Juni 2012
[3] TAB-Arbeitsbericht: „Energiespeicher. Sachstandsbericht zum Monitoring »NachhaltigeEnergieversorgung «“, D. Oertel, Büro für Technikfolgen-Abschätzungbeim Deutschen Bundestag (TAB), 2008
[4] http://www.maxwell.com, Maxwell Technologies
[5] http://buch.pege.org/groesenordnungen/aufbau-smes.htm
[6] http://www.beaconpower.com
[7] http://www.haustechnikdialog.de/SHKwissen/Images/Schema-Pumpspeicherwerk-VDE.jpg
[8] http://www.aktuelle-wochenschau.de/2010/w8/woche8.html
[9] http://co2speicher.co.funpic.de/images/Methan.png
Quellen
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Prof. Dr.-Ing. Peter SchegnerTU Dresden – IEEH
+49 351 463 34374
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit
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