Vortrag: Sonne und Wind auf Vorrat

Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Sonnen- und
S
d
Windenergie auf
Vorrat
E. Waffenschmidt
Aachen, 17.Feb. 2010
Solarenergie-Förderverein
Solarenergie
Förderverein Deutschland e.V.
S.1
Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
100% Erneuerbare Energien sind möglich
Energiequellen
g q
„ Solarenergie
de e g e
„ Windenergie
„ Wasserkraft
„ Geothermie
„ Biomase
Einsparungen
p
g
„ Elektrische
Energie
„ Verkehr
„ Wärme
Solar-Strom
Solar-Thermie
Windkraft
Wasserkraft
Geothermie
Bio-Wertstoffe
Verluste
El.Anwendungen
Verkehr
Prozess-Hitze
Wärme
Ei
Einsparungen
Zukünftiges Angebot
Zukünftiger
g Bedarf
0
500
1000
1500
Energie / Mrd kWh
Infos unter: www.sfv.de
S.2
2000
2500
Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
S.3
Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Inhalt
„ Wie viel Speicher brauchen wir
eigentlich?
„ Welche technischen Möglichkeiten gibt
es für Speicher?
„ Was kostet das?
„ Wie schaffen wir Anreize für den
Ausbau?
S.4
Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Anwendung
Wofür benötigen wir Speicher?
„ Autarkes Gebiet:
•
•
•
•
•
•
Haushalt / Gebäude
Gemeinde
Region
Netzbereich
Deutschland
Europa
p
„ Zeitrahmen:
•
•
•
•
•
S.5
Sekunden
Minuten
Stunden
Halbe bis ganze Tage
Woche
Beispiel:
Primär- und Sekundär-Regelung
Last-Änderungen (Minuten-Reserve)
Unbestimmte Erzeugung
Tag Nacht Ausgleich
Tag-Nacht-Ausgleich
Groß-Wetterlage
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Die Bausteine
„
„
„
„
„
„
„
S.6
Anpassung an Verbrauch
Lastverschiebung
Ergänzung der Energieformen
A
Ausgleich
l i h üb
über große
ß Di
Distanzen
t
Im- und Export
p
Regelbare Erzeugung
S i h
Speicherung
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Anpassung an Verbrauch
Speicher
p
sind nicht spezifisch
p
für Erneuerbare Energien!
g
bezo
ogen auf ttägliche Spitzenlast
Leistung
100%
80%
„ Vergiss Grundlast !
„ Verbrauchsspezifische
Erzeugung notwendig
1990
1980
60%
1970
1960
40%
00:00h
nach Ingo Stadler 2007 [7]
06:00h
12:00h
Tageszeit
18:00h
00:00h
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Anpassung an Verbrauch: Kombikraftwerk
S.8
http://www.kombikraftwerk.de/fileadmin/flash/kk_jahresstatistik_06.swf
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Lastverschiebung
Verbraucher
„ IIndustrie
d t i und
d Wirtschaft
Wi t h ft
„ Kühlhäuser
„ Prozesswärme
„ Lüftungsanlagen
„ Privathaushalte
„ Speicherheizung / Wärmepumpe
„ Kühlgeräte
„ Wasch- und Spülmaschine
Potential
„ Insgesamt 400 GWh
„ Mehrfaches aller Pumpspeicherkraftwerke
„ Aber nur kurzfristige „Speicherung“
Ingo Stadler, Okt. 2005, [7]
Photo: ebi
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Ergänzung
gä u g de
der Energieformen
e geo e Jahreszeitliche Kompensation
Energieerzeugung bezogen auf Jahresenergieertrag
16%
Photovoltaik
Wind
Rel. Energiee
erzeugung
g
14%
12%
10%
8%
6%
4%
2%
S.10
Dez
Nov
Okt
Sep
Aug
Jul
Jun
Mai
Apr
Mär
Feb
Jan
0%
V. Quaschning, 2000 [5]
Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
Ergänzung
gä u g de
der Energieformen
e geo e Jahreszeitliche Kompensation
Energieerzeugung bezogen auf Jahresenergieertrag
10%
8%
6%
4%
S.11
Dez
Nov
Okt
Sep
Aug
Jul
Apr
Mär
Feb
Jan
0%
Jun
2%
Mai
Rel. Energiee
erzeugung
g
12%
Photovoltaik (25%)
Wind (75%)
Bedarf
V. Quaschning, 2000 [5]
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Ausgleich über große Distanzen
Wetter ist nicht berechenbar.
Aber:
„ Wenn die Sonne hier nicht
scheint, scheint sie vielleicht wo
anders
„Glätten“ der Erzeugung
„ Einzelner Standort: Sekunden
„ Verbund: Sekunden bis Minute
„ Region: Einige Minuten
„ Deutschland: Minuten bis Stunde
Standortwahl:
„ Großräumige Verteilung besser
als Konzentration in einer Region
„ Nicht allein Quantität sondern
auch „Qualität
Qualität“ beachten
S.12
1. Sept.
p 2009, 16:00 UTC
http://www.sat24.com/history.aspx?country=eu
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Ausgleich über große Distanzen
Netzausbau:
„ Notwendig für Ausgleich
„ Ca.
Ca 10x billiger als
Speicher
„ DESERTEC ist Schritt in
die richtige Richtung
Korrelation von
Windgeschwindigkeiten
V/[m/s]
V
„ Erzeugung de-korreliert
„ Große
G ß Wahrscheinlichkeit
W h h i li hk it
zu jeder Zeit
„ Wenig Speicher notwendig
Herzogenrrath bei Aachen
n
Europäische Ebene:
15
Abstand
800 km
10
B = 0.07%
5
0
0
Messdaten:
Dr. H. Kluttig
S.13
5
10
15 V/[m/s]
Port St. Luis du Rhône
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Regelbare Erzeugung
Biogas Tagesspeicher
Steuer- und speicherbar
„ Drucklose Speicherung,
keine Kompressionsverluste
Typ. technische Daten:
„ Leistung: einige 100 kW bis MW
„ Energiemenge: max. ca. 2 Tage
„ Speicherdauer: Tage
Anwendung
„ Ausgleich von Leistungsspitzen
„ Bedarfsgerechte
B d f
h
Energiebereitstellung
S.14
Quelle: Schmack Biogas AG
Photo: ebi
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Fazit
„ Bedarf von vielen Faktoren abhängig zz.B:
B:
„
„
„
„
Größe des Netz-Gebietes
Räumliche Verteilung
g der einzelnen Erzeuger
g
Vernetzung
Nutzungsgrad (Abschalten / Kappen bei extremen Wetterlagen)
„ „Trade-Off“ zwischen Netzausbau und Speichern
„ Abschätzungen*:
„ Speichergröße:
S i h
öß ca. 370 GWh ((etwa
t
2
2...10
10 x exist.
i t S
Speicher)
i h )
„ Nennleistung: ca. 20 GW (etwa 3 x exist. Pump-Speicher)
* nach Kombikraftwerk, 2008 [10]
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Speichertechniken
„
„
„
„
„
„
„
„
Pumpspeicherkraftwerk
Druckluftspeicher
Wasserstoff
Redox-Flow Batterien
N SH
NaS
Hochtemperatur
ht
t B
Batterien
tt i
Li-Ion Batterien
„Klassische“ Batterien
p
Dezentrale Kleinspeicher
„ Biomasse
S.16
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Pumpspeicherkraftwerke
Funktionsweise:
„ Speichern:
Wasser hoch pumpen
„ Erzeugen:
Turbine mit Wasser antreiben
Typ. technische Daten:
„ Leistung:
L i t
bi zu 1GW
bis
„ Energiemenge: für mehrere Std.
„ Wirkungsgrad:
g g
>80%
„ Speicherdauer: Unbegrenzt
Insgesamt in Deutschland
„ Leistung:
Leist ng 6.6
6 6 GW
„ Speichergröße: ca. 30..60 GWh
Photo: ebi
Beispiel:
Pumpspeicherwerk Niederwartha bei Dresden
S.17
http://de.wikipedia.org/wiki/Pumpspeicherwerk_Niederwartha
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Druckluft Speicher
Druckluft-Speicher
Funktionsweise:
„ Speichern:
Hohlraum „aufpumpen“
„ Erzeugen:
E
Turbine mit Druckluft antreiben
„ Hohlraum
Salzkavernen oder andere
unterirdische Hohlräume
Typ technische Daten:
Typ.
„ Leistung: einige 100 MW
„ Energiemenge:
g
g
für ein bis zwei Std.
Beispiel: Hundorf, Deutschland, 290MW / 2h
„ Wirkungsgrad: um 60%
„ Speicherdauer:
S i h d
St d bis
Stunden
bi T
Tage
S.18
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Wasserstoff Speicher
Wasserstoff-Speicher
Funktionsweise:
„ Speichern:
Wasserstoff erzeugen (Elektrolyse)
„ Erzeugen:
B
Brennstoffzelle
t ff ll oder
d Turbine
T bi
„ Hohlraum
Salzkavernen oder andere
unterirdische
t i di h H
Hohlräume
hl ä
Typ. technische Daten:
„ Leistung: einige 100 MW bis GW
„ Energiemenge:
für Tage bis Wochen
„ Wirkungsgrad: um 40%
„ Speicherdauer: Wochen bis Monate
Bild: Wasserstoff-Brennstoffzelle
Potential
„ Vergleichbar
V l i hb mit
it E
Erdgas-Speicher
d
S i h
„ Gasbedarf für mehrere Monate
Bild: ebi
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Redox Flow Batterien
Redox-Flow
Funktionsweise:
„ Speichern:
Flüssigkeit wird elektrochemisch
„aufgeladen
aufgeladen“
„ Erzeugen:
Flüssigkeit wird elektrochemisch
„entladen“
entladen“
„ Speichermedium:
z.B. Vanadium-Salz-Lösung
Typ. technische Daten:
„ Leistung: einige 100 kW
„ Energiemenge:
g
g für einige
g Std.
Beispiel: King Island, Tasmanien, 200kW / 4h
„ Wirkungsgrad: >75%
„ Speicherdauer: Grundsätzlich unbegrenzt, typ. Tage bis Wochen
Weitere Info:
http://en.wikipedia.org/wiki/Vanadium_redox_battery
S.20 http://www.isea.rwth-aachen.de/isea2/forschung/batterien/technologie.php?site=tec_redox.php
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NaS Hochtemperatur Batterie
Funktionsweise:
„ Speichern und erzeugen
elektrochemisch
„ bei ca.
ca 300°C
300 C ... 350°C
350 C
Typ. technische Daten:
„ Leistung:
g
einige 100 kW bis MW
„ Energiemenge: für einige Std.
„ Wirkungsgrad:
Wi k
d >75%
75%
„ Speicherdauer:
Tage
g bis Wochen
Anwendung
„ Versorgung eines Dorfes
B
Bsp.
Bruchmühlbach,
B h ühlb h 2800
Einw.
Photo: Ebi
Photo: Ebi
Beispiel: 1MW / 7MWh NaS Batterie mit
Netzanschluß, Younicos AG, Berlin
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Li Ion Batterien
Li-Ion
Funktionsweise:
„ Elektroden:
El kt d
„ Negativ: Graphit
„ Positiv: Lithiertes Metalloxid mit
C b lt M
Cobalt,
Mangan, Ni
Nickel
k l oder
d Ei
EisenPhosphat
„ Elektrolyt: Gelöstes LiPF6
Typ. technische Daten:
„ Leistung:
einige W bis kW
„ Energiemenge: für einige Std.
„ Wirkungsgrad: >90%
„ Speicherdauer:
Stunden bis Wochen
Photo: Ebi
(Selbstentladung <5% / Monat)
„ Geringes Gewicht: 100..200
100 200 Wh/kg
(Doppelt so gut wie NiCd)
Photo: Ebi
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Dezentrale Speicher
Batterietypen:
yp
„ Bleibatterie
„ NiCd / NiMhd
„ Li-Ion
Typ. technische Daten:
„ Leistung: einige kW
„ Energiemenge: für einige Std.
„ Wirkungsgrad: 75% ... 90%
„ Speicherdauer: Tage bis Wochen
Anwendung
„ Versorgung
V
eines
i
H
Haushaltes
h l
„ Für Kleininvestoren
S.23
Bild: http://billig.strom.1tipp.de/grafik/autobatterie.jpg
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Elektroautos als Speicher
Speicher-Nutzung
„ Lastverschiebung beim
Aufladen
„ Option zum teilweisen
Entladen
„ Notfall-Reserve
Geschäftsmodell
„ Auflade-Garantie zum
festen Zeitpunkt
„ Finanzielle Beteiligung
g g
Potential:
„ 4 Mio E-Cars
(10% aller Autos)
„ 40..100 GWh Speicher
Tomi Engel, 2005 [9]
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Kostenberechnung von Speichern
Definition Referenzfall
Definition Speichertechnologie
Leistung
[[kWh]]
Kosten Umrichter
[€/kWh]
Wirkungsgrad
g g
[[%]]
Selbstentladung [%/Tag]
Zyklen
[Anz /Tag]
[Anz./Tag]
Energie
[kWh]
Kosten pro installierter
Kapazität [€/kWh]
Speicherkosten
g
für Energiedurchsatz
[€Ct/kWh]
Stromkosten
[€Ct/kWh]
Wartung & Reparatur
[%/Jahr]
max. Entladetiefe
[%]
Systemlebensdauer
[[Jahre]]
Zyklenlebensdauer
[Anz.]
Kapitalkosten
p
[%/Jahr]
Nach D.U.Sauer, RWTH Aachen, 15.11.2009,
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Kostenberechnung von Speichern
Wenige
g Zyklen:
y
Initiale Kosten dominieren
Initiale Kosten
Spezifische
Kosten
Spezifische
Kosten
Spezifische
Kosten
Viele Zyklen:
Spezifische Kosten dominieren
Initiale Kosten
Spezifische Kosten
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Kosten von Speichertechnologien
Monatlich
Täglich
Wasserstoff
Druckluft
Pumpspeicher
Täglich
Tageszeitlich
(Vanadium)
NaNiCl
Täglich:
1GW, 8GWh,
1 Zyklus/Tag
Täglich
Tageszeitlich
(Hochtemp.)
NaS
Tageszeitlich:
10MW, 40MWh,
2 Zyklen/Tag
Täglich
Tä li h
Täglich
Tageszeitlich
(Hochtemp.)
Li-Ion
Tageszeitlich
Täglich
NiCd
Tageszeitlich
Täglich
Tageszeitlich
Blei
15.11.2009, dort nach folgender Quelle:
M. Kleimaier, et.al., „Energy storage for
improved operation of future energy
supply systems“, CIGRE 2008
Monatlich:
500MW, 100GWh,
1.5 Zyklen/Monat
Täglich
Tageszeitlich
Zink-Brom
Nach D.U.Sauer, RWTH Aachen,
Stromkosten 4€Ct
Zins 8%
Monatlich ((abh. vom Standort))
Täglich (abh. vom Standort)
Redox-Flow
Redox
Flow
5
10
heute
Monatlich
Täglich
(adiabatisch)
10Jahre
20
30
40
Kosten / [€ct/kWh]
50
60
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Variable Strompreise
„ Viel Strom: Strom ist billig
• Speicher aufladen,
• Energie gebrauchen
„ Wenig Strom: Strom ist teuer
• Speicher entladen,
• Energieverbrauch
E
i
b
h verschieben
hi b
S.28
Siehe auch W. Schittek, 2008 [11]
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Vorschlag SFV
Gesetzliche Regelung beinhaltet:
„ Strompreis abhängig von
Angebot und Nachfrage
„ Einspeisung von „steuerbarem
steuerbarem“ Strom
wird vergütet wie Regelenergie
„ Netzgebühr wird bei Einspeisung von
p
g rückerstattet
Speicherenergie
S.29
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Speicher für Erneuerbare Energien
Energien...
„ Sind notwendig
„ Sind machbar
„ Sind bezahlbar
Wir müssen es angehen!
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Literatur
[1] Pumpspeicherwerk Niederwartha, http://de.wikipedia.org/wiki/Pumpspeicherwerk_Niederwartha
[[2]] http://en.wikipedia.org/wiki/Vanadium_redox_battery
p
p
g
_
_
y
[3] http://www.isea.rwth-aachen.de/isea2/forschung/batterien/technologie.php?site=tec_redox.php
[4] Ralf Simon, Christian Pohl, Kerstin Kriebs,
„Einsatzmöglichkeit einer NaS-Batterie für die Regenerativstromversorgung am Beispiel der Gemeinde Bruchmühlbach“
Institut für Innovation
Innovation, Transfer und Beratung GmbH
GmbH, Transferstelle Bingen
Bingen, im Auftrag des Ministerium für Umwelt und
Forsten Rheinland-Pfalz, 10.03.2006, www.tsb-energie.de.
[5] Volker Quaschning, "Systemtechnik einer klimaverträglichen Elektrizitätsversorgung in Deutschland für das 21.
Jahrhundert", Fortschritt-Berichte VDI, Energietechnik, Reihe 6, Nr. 437, Düsseldorf: VDI Verlag 2000, ISBN 3-18-3437066,, auch im Internet unter: http://www.quaschning.de/volker/publis/klima2000/index.html
p
q
g
p
[6] Ralf Bischof, Geschäftsführer Bundesverband WindEnergie (BWE), „ Windenergie Netz- und Systemintegration“,
Fachtagung „Windenergie in Deutschland – Beitrag zu Klimaschutz und Versorgungssicherheit“ 11. Sept. 2007.
(NNetz- und Systemintegration.pdf)
[7] Ingo Stadler
Stadler, „400
400 GWh of existing energy storage is waiting to be integrated into electricity supplies to balance fluctuating
renewable energies“, 2nd International Renewable Energy Storage (IRES) Conference, Bonn, Nov. 2007.
[8] Ingo Stadler, „Demand Response – Nichtelektrische Speicher für Elektrizitätsversorgungssysteme mit hohem Anteil
erneuerbarer Energien“, Habilitation, Fachbereich Elektrotechnik Universität Kassel, Okt. 2005.
[9] Tomi Engel, „Das Elektrofahrzeug
f
als Regelenergiekraftwerk
f
des Solarzeitalters“,
S
“ Solarzeitalter
S
3/2005,
/
S.
S 11. Siehe
S
auch:
http://www.unendlich-viel-energie.de/de/verkehr/detailansicht/browse/3/article/185/das-elektrofahrzeug-alsregelenergiekraftwerk-des-solarzeitalters.html
[10] R. Mackensen, K. Rohrig, H. Emanue, „Das regenerative Kombikraftwerk – Abschlussbericht“, 31. April 2008,
http://www kombikraftwerk de/fileadmin/downloads/2008 03 31 Ma KombiKW Abschlussbericht pdf
http://www.kombikraftwerk.de/fileadmin/downloads/2008_03_31_Ma__KombiKW_Abschlussbericht.pdf
S.31
[11] Walter Schittek, „Strom – fit für die Zukunft? Dynamischer Strompreis und virtuelle Sekundärregelung“, Verlag Görich &
Weiershäuser, Marburg, Nov. 2008, ISBN 978-3-89703-706-9
http://www.staff.uni-marburg.de/~schittek/buch_strom.html