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Technologien zur Energiespeicherung im Stromnetz
Daniel Chartouni, ABB Schweiz, Forschungszentrum SES Tagung Bern, 27. Nov. 2012
© ABB Switzerland Ltd, Corporate Research November 27, 2012 | Slide 1
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Die nächsten 30 Minuten
§ Überblick über die Anwendungen – weshalb Energiespeicherung?
§ Technologien – wie kann man Energie speichern? § Pumpspeicher
§ Batterien
§ Adiabatischer Druckluftspeicher
§ Elektro-thermischer Speicher
§ Schlussfolgerungen
Herausforderungen moderner Stromnetze Was kann Technologie beitragen?
Treiber Zu lösende Probleme Technologien
Weit entfernte Erzeugung Energietransport; Netzkapazität; …
Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ); >2 GW Übertragung; FACTS; …
Dezentrale Erzeugung Bi-direktionales Verteilnetz …
Steuerung und Schutz für Verteilnetze
Volatilität der Erzeugung Energiespeicher …
Elektrisch: Pumpspeicher, Batterien; Thermo-elektrische Speicher; E-Autos (?)
Volatilität der Erzeugung Flexibles Lastmanagement …
Smart Grid (active demand); Flexibilisierung der Produktion
Wachsender Energiebedarf Energieeffizienz …
Netzeffizienz; Industrielle Energieeffizienz; …
…
GW – Giga Watt, FACTS – flexible alternating current transmission system
Speicherung grosser Energiemengen
Unterstation/Einspeiser Netzunterstützung
Energiemanagement beim Endverbraucher
ESS
Integration erneuerbarer Energien 1-100 MW, 10h
ESS
Begrenzung der Spitzenlast
0.5-10 MW, 1h
220 kV
110 kV 20 kV Netzwerkring
20 kV
Zentrale Produktion
Verteilte Produktion
220 kV Hochspannungsleitung
Lastausgleich Auf Produktions- seite 100 MW, 4h
ESS
110 kV
Anwendungen von Energiespeichersystemen
Schwer- industrie
Last
20 kV
ESS Reserve
Bei Leitungsausfall 10-100 MW, 0.25-1 h
Lastausgleich Zur Verzögerung der Leitungs-Investitionen 1-10 MW, 6h
ESS
ESS Frequenz- regulierung 1-50 MW, 0.25-1h
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Technologien zur Energiespeicherung
Batterien Wasserstoff
Supra- leitung (SMES)
Kondensator Supercaps
Pump- speicher
Druckluft (CAES)
Schwungrad
Vanadium ZnBr
Elektro-lyseur & Brenn-stoffzelle
Bleisäure Ni-Cd NaS Lithium Metall-
Luft
Durchfluss Zellen
Adiabatischer CAES
Druck
Druck Wärme
Gravitation
Kinetisch
Elektrisch
Magnetisch
Mechanisch Thermo-dynamisch
Elektro- magnetisch
Elektrochemisch
Thermo-elektrisch
Wärme
Power zu Gas
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Energiespeicherung im Stromnetz (2012)
127’000 MW
Natrium-Schwefelbatterien, 316 MW
Druckluftspeicher, 440 MW
Lithium-Ionenbatterien, 88 MW
Bleisäurebatterien, 50 MW
Schwungräder, 25 MW
Redox Durchflussbatterien, 5 MW
Über 99% der gesamten Speicherkapazität
Quelle: Fraunhofer Institut, EPRI, , Pr. Nat. Sci. 19 (Chen et.al), ABB
Pumpspeicher
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Pumpspeicher: Die dominierende Technologie
§ Speicherung der Gravitationsenergie § Etablierte und effiziente Technologie
§ Häufigste Anwendung (2012): Lastmanagement auf Produktionsseite
§ In Konkurrenz mit Gaskraftwerken
Eigenschaften der Pumpspeicher Wirkungsgrad 80%
Dauer der Einspeisung Stunden (bis Tage)
Leistung 10 MW bis 1 GW
Kapitalkosten (500 MW Anlage)
1500-2000 $/kW (Erweiterung 650-850 $/kW)
Grösster Nachteil Geografisch limitiert
Unteres Reservoir
Elektro-mechanische
Maschinen
Oberes Reservoir
1060 MW, 8 h PHS Goldisthal (D)
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Batterien für verteilte Energiespeicherung
§ Speicherung in Form von chemischer Energie, viele verschiedene Batterietypen
§ Hohe Energie- und Leistungsdichte
§ Schnelle Reaktions- und Umschaltfähigkeit (zwischen Laden und Entladen)
§ Trend: Kontainer-Lösungen
34 MW, 245 MWh Natrium-Schwefel (NaS) Installation für 51 MW Windfarm (Japan) Typische Batteriespeicher-Eigenschaften
Wirkungsgrad 80%
Dauer der Einspeisung 1 - 10 Stunden
Leistung 1 - 50 MW
Kapitalkosten (500 MW Anlage)
2500 $/kW
Grösster Nachteil Lineare Skalierung (keine “economy of size”)
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Topologie von Batteriespeichersystemen (BESS)
DC
AC Bat
terie
U
UPCS
AC Netz
UAC
Umrichter Transformator +
-
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Integration von Erneuerbaren: Sicherung der Kapazität
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Futamata 51 MW Windanlage mit 34 MW Natrium-Schwefel-Batterien, am Netz seit 2008, Japan Wind Development Co.
§ Gleichzeitige Speicherung von Druck (komprimierte Luft) und Wärme
§ Vorteil: Keine Verbrennung von Erdgas (im Gegensatz zu bisherigen Druckluft-Speicher)
§ Umweltfreundlich
Adiabatischer Druckluftspeicher - Eigenschaften Wirkungsgrad Ziel: 70%
Dauer der Einspeisung Tage
Leistung 50 - 500 MW
Kapitalkosten (500 MW Anlage)
Ziel: ≈1500 $/kW
Grösster Nachteil Geografisch gebunden
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Zukünftige Alternative für die Integration von Erneuerbaren: Adiabatischer Druckluftspeicher
ADELE Projekt: 90 MW, 4h Demonstrator in Strassfurt (D) mit RWE, GE, Züblin und DLR Quelle: www.rwe.com,
Zukünftige Alternative für die Integration von Erneuerbaren: Elektro-thermischer Energiespeicher
Wärme Elektrizität
Wärme-pumpe
Wärme-speicher
Wärme-kraftmaschine
Elektrizität
Geografisch unabhängiges Speichersystem mit einer kommerziellen Zielgrösse von 50-100 MW, 6 h Speicherkapazität und 65% Wirkungsgrad
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Elektro-Thermischer Energiespeicher – ETES
§ Speicherung von Elektrizität in Form von Wärme
§ Neuartige ABB-eigene Technologie für geografisch unabhängige Speicherung
§ Basiert auf Wasser als Speichermedium
§ Umweltfreundlich
ETES Eigenschaften Wirkungsgrad Ziel: 65%
Dauer der Einspeisung Stunden bis Tage
Leistung 5 - 500 MW
Kapitalkosten (500 MW Anlage)
Ziel: ≈1500 $/kW
Grösster Nachteil Technologie noch nicht ausgereift
ETES Ladeprozess ETES Entladesprozess
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Speicherung grosser Energiemengen
Unterstation/Einspeiser Netzunterstützung
Energiemanagement beim Endverbraucher
ESS
Integration erneuerbarer Energien 1-100 MW, 10h
ESS
Begrenzung der Spitzenlast
0.5-10 MW, 1h
220 kV
110 kV 20 kV Netzwerkring
20 kV
Zentrale Produktion
Verteilte Produktion
220 kV Hochspannungsleitung
Lastausgleich Auf Produktions- seite 100 MW, 4h
ESS
110 kV
Anwendungen von Energiespeichersystemen
Schwer- industrie
Last
20 kV
ESS Reserve
Bei Leitungsausfall 10-100 MW, 0.25-1 h
Lastausgleich Zur Verzögerung der Leitungs-Investitionen 1-10 MW, 6h
ESS
ESS Frequenz- regulierung 1-50 MW, 0.25-1h
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Frequenzregulierung
Das Gleichgewicht zwischen Stromverbrauch und Erzeugung muss immer gewährleistet sein.
Dies wird erreicht durch Reserveleistung, mit welcher auf Änderungen in der Netzfrequenz reagiert werden kann.
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Li-ion Batterie Energiespeichersystem
1 MW (15 min) Pilotprojekt, Netzbetreiber: EKZ, Schweiz, Sonntags-Zeitung, 18. März 2012 © ABB Switzerland Ltd, Corporate Research November 27, 2012 | Slide 16
Speicherung grosser Energiemengen
Unterstation/Einspeiser Netzunterstützung
Energiemanagement beim Endverbraucher
ESS
Integration erneuerbarer Energien 1-100 MW, 10h
ESS
Begrenzung der Spitzenlast
0.5-10 MW, 1h
220 kV
110 kV 20 kV Netzwerkring
20 kV
Zentrale Produktion
Verteilte Produktion
220 kV Hochspannungsleitung
Lastausgleich Auf Produktions- seite 100 MW, 4h
ESS
110 kV
Anwendungen von Energiespeichersystemen
Schwer- industrie
Last
20 kV
ESS Reserve
Bei Leitungsausfall 10-100 MW, 0.25-1 h
Lastausgleich Zur Verzögerung der Leitungs-Investitionen 1-10 MW, 6h
ESS
ESS Frequenz- regulierung 1-50 MW, 0.25-1h
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Technische Reife
Unterstation/Einspeiser Netzunterstützung
Endanschluss- und Verbraucher-Energiemanagement
Grossspeicherung
In E
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Pumpspeicher und BESS sind heutzutage die dominierenden Technologielösungen © ABB Switzerland Ltd, Corporate Research November 27, 2012 | Slide 18
Grossspeicherung Unterstation/Einspeiser Netzunterstützung
Endanschluss- und Verbraucher- Energiemanagement
Zykl
en-W
irkun
gsgr
ad [%
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Der Zyklen-Wirkungsgrad hat einen grossen Einfluss auf die Kundenakzeptanz sowie auf die Kosten der gespeicherten Elektrizität
Elektrischer Gesamtwirkungsgrad
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Energiespeicherung im Stromnetz Zusammenfassung
§ Speichersysteme erlangen immer grössere Bedeutung § Integration von erneuerbaren Energien
§ Netzqualität und Versorgungssicherheit
§ Vermeidung von Netzausbauten
§ Verschiedene Speichertechnologien decken die Bedürfnisse ab
§ Pumpspeicher im Übertragungsnetz
§ Batteriespeicher im Verteilnetz § Lithium-Ionen (kurze Entladezeit, > 1h) § Bleisäure (mittlere Entladezeit) § Natrium-Schwefel (lange Entladezeit, 5-8 h)
§ Zukünftige Energiespeicher dürften thermodynamische Technologien beinhalten
§ (Adiabatische) Druckluftspeicher
§ Elektro-thermische Energiespeicher