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Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
S dSonnen- und Windenergie aufWindenergie auf Vorrat
E. WaffenschmidtAachen, 17.Feb. 2010
Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
S.1
Solarenergie Förderverein Deutschland e.V.
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100% Erneuerbare Energien sind möglich100% Erneuerbare Energien sind möglichEnergiequellen Einsparungen
SolarenergieWindenergie
g q p gElektrische Energie
Solar-StromSolar-Thermie
WindkraftWasserkraftde e g e
WasserkraftGeothermie
VerkehrWärme
WasserkraftGeothermie
Bio-WertstoffeVerluste
GeothermieBiomase
El.AnwendungenVerkehr
Prozess-HitzeWärme
Ei
Zukünftiger Bedarf
Zukünftiges AngebotEinsparungen
0 500 1000 1500 2000 2500
Energie / Mrd kWh
g
S.2
Infos unter: www.sfv.deEnergie / Mrd kWh
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S.3
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InhaltInhalt
Wie viel Speicher brauchen wirWie viel Speicher brauchen wir eigentlich?Welche technischen Möglichkeiten gibt es für Speicher?es für Speicher?Was kostet das?Wie schaffen wir Anreize für den Ausbau?
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AnwendungAnwendungWofür benötigen wir Speicher?
Autarkes Gebiet:• Haushalt / Gebäude• Gemeinde• Region• Netzbereich• Netzbereich• Deutschland• Europap
Zeitrahmen: Beispiel:• Sekunden Primär- und Sekundär-Regelung• Minuten Last-Änderungen (Minuten-Reserve)• Stunden Unbestimmte Erzeugung • Halbe bis ganze Tage Tag Nacht Ausgleich
S.5
• Halbe bis ganze Tage Tag-Nacht-Ausgleich• Woche Groß-Wetterlage
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Die BausteineDie Bausteine
Anpassung an VerbrauchAnpassung an VerbrauchLastverschiebungErgänzung der EnergieformenA l i h üb ß Di tAusgleich über große DistanzenIm- und ExportpRegelbare ErzeugungS i hSpeicherung
S.6
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Anpassung an VerbrauchAnpassung an VerbrauchSpeicher sind nicht spezifisch für Erneuerbare Energien!p p g
100% Vergiss Grundlast !Verbrauchsspezifische
199080%pi
tzen
last Verbrauchsspezifische
Erzeugung notwendig
1980
istu
ng
tägl
iche
S
197060%Leog
en a
uf t
196040%
00:00h 06:00h 12:00h 18:00h 00:00h
bezo
nach Ingo Stadler 2007 [7]
Tageszeit
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Anpassung an Verbrauch: KombikraftwerkAnpassung an Verbrauch: Kombikraftwerk
S.8 http://www.kombikraftwerk.de/fileadmin/flash/kk_jahresstatistik_06.swf
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LastverschiebungLastverschiebungVerbraucher
I d t i d Wi t h ftIndustrie und WirtschaftKühlhäuserProzesswärmeLüftungsanlagen
PrivathaushalteSpeicherheizung / WärmepumpeSpeicherheizung / WärmepumpeKühlgeräteWasch- und Spülmaschine
PotentialInsgesamt 400 GWhMehrfaches aller PumpspeicherkraftwerkeMehrfaches aller PumpspeicherkraftwerkeAber nur kurzfristige „Speicherung“
Ingo Stadler, Okt. 2005, [7] Photo: ebiPhoto: ebi
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Ergänzung der Energieformen -gä u g de e g e o eJahreszeitliche Kompensation
Energieerzeugung bezogen auf JahresenergieertragEnergieerzeugung bezogen auf Jahresenergieertrag
14%
16%
g
PhotovoltaikWind
10%
12%
erze
ugun
g
6%
8%
Ene
rgie
e
2%
4%
Rel
.
0%
Jan
Feb
Mär
Apr
Mai
Jun
Jul
Aug
Sep Okt
Nov
Dez
S.10 V. Quaschning, 2000 [5]
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Ergänzung der Energieformen -gä u g de e g e o eJahreszeitliche Kompensation
Energieerzeugung bezogen auf Jahresenergieertrag12%
g
Photovoltaik (25%)Wind (75%)Bedarf
8%
10%
erze
ugun
g Bedarf
4%
6%
Ener
giee
0%
2%Rel
.
Jan
Feb
Mär Apr
Mai
Jun
Jul
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
S.11 V. Quaschning, 2000 [5]
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Ausgleich über große DistanzenAusgleich über große Distanzen1. Sept. 2009, 16:00 UTC1. Sept. 2009, 16:00 UTCWetter ist nicht berechenbar. pp
Aber:Wenn die Sonne hier nicht scheint, scheint sie vielleicht woscheint, scheint sie vielleicht wo anders
„Glätten“ der ErzeugungEinzelner Standort: SekundenEinzelner Standort: SekundenVerbund: Sekunden bis MinuteRegion: Einige MinutenDeutschland: Minuten bis Stunde
Standortwahl: Großräumige Verteilung besserGroßräumige Verteilung besser als Konzentration in einer RegionNicht allein Quantität sondern auch Qualität“ beachten
S.12 http://www.sat24.com/history.aspx?country=euhttp://www.sat24.com/history.aspx?country=eu
auch „Qualität beachten
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Ausgleich über große DistanzenAusgleich über große Distanzen
n V/[m
/s] Korrelation von
Windgeschwindigkeiten
n V/[m
/s] Korrelation von
WindgeschwindigkeitenEuropäische Ebene:
Erzeugung de-korreliertG ß W h h i li hk it
Abstand Aac
hen V
15Abstand A
ache
n V
15Große Wahrscheinlichkeit zu jeder ZeitWenig Speicher notwendig
800 km
rath
bei
10800 km
rath
bei
10Netzausbau:
Notwendig für AusgleichCa 10x billiger als B = 0.07%
rzog
enr
5B = 0.07%
rzog
enr
5
Ca. 10x billiger als SpeicherDESERTEC ist Schritt in die richtige Richtung
He
V/[m/s]0 5 10 150
He
V/[m/s]0 5 10 150
die richtige Richtung
S.13
Port St. Luis du RhôneMessdaten:Dr. H. Kluttig Port St. Luis du RhôneMessdaten:Dr. H. Kluttig
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Regelbare ErzeugungRegelbare ErzeugungBiogas TagesspeicherSteuer- und speicherbar
Drucklose Speicherung, keine Kompressionsverluste
Typ. technische Daten:Leistung: einige 100 kW bis MWLeistung: einige 100 kW bis MWEnergiemenge: max. ca. 2 TageSpeicherdauer: Tage
AnwendungAusgleich von LeistungsspitzenB d f hBedarfsgerechte Energiebereitstellung
S.14 Photo: ebiPhoto: ebiQuelle: Schmack Biogas AG
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FazitFazitBedarf von vielen Faktoren abhängig z B:Bedarf von vielen Faktoren abhängig z.B:
Größe des Netz-GebietesRäumliche Verteilung der einzelnen Erzeugerg gVernetzungNutzungsgrad (Abschalten / Kappen bei extremen Wetterlagen)
„Trade-Off“ zwischen Netzausbau und Speichern
Abschätzungen*:S i h öß 370 GWh ( t 2 10 i t S i h )Speichergröße: ca. 370 GWh (etwa 2...10 x exist. Speicher)Nennleistung: ca. 20 GW (etwa 3 x exist. Pump-Speicher)
* nach Kombikraftwerk, 2008 [10]
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SpeichertechnikenSpeichertechnikenPumpspeicherkraftwerkPumpspeicherkraftwerkDruckluftspeicherWasserstoffWasserstoffRedox-Flow BatterienN S H ht t B tt iNaS Hochtemperatur BatterienLi-Ion Batterien„Klassische“ BatterienDezentrale Kleinspeicherp
Biomasse
S.16
Biomasse
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PumpspeicherkraftwerkePumpspeicherkraftwerkeFunktionsweise:
Speichern: Wasser hoch pumpenErzeugen:Erzeugen: Turbine mit Wasser antreiben
Typ. technische Daten:L i t bi 1GWLeistung: bis zu 1GWEnergiemenge: für mehrere Std.Wirkungsgrad: >80%g gSpeicherdauer: Unbegrenzt
Insgesamt in DeutschlandLeist ng 6 6 GW
Photo: ebiPhoto: ebi
Leistung: 6.6 GW Speichergröße: ca. 30..60 GWh
S.17
Photo: ebiPhoto: ebi
Beispiel: Pumpspeicherwerk Niederwartha bei Dresden
http://de.wikipedia.org/wiki/Pumpspeicherwerk_Niederwartha
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Druckluft SpeicherDruckluft-SpeicherFunktionsweise:
Speichern: Hohlraum „aufpumpen“EErzeugen: Turbine mit Druckluft antreibenHohlraumSalzkavernen oder andere unterirdische Hohlräume
Typ technische Daten:Typ. technische Daten:Leistung: einige 100 MWEnergiemenge:
Beispiel: Hundorf, Deutschland, 290MW / 2h
g gfür ein bis zwei Std.Wirkungsgrad: um 60%S i h d St d bi T
S.18
Speicherdauer: Stunden bis Tage
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Wasserstoff SpeicherWasserstoff-SpeicherFunktionsweise:
Speichern:Speichern: Wasserstoff erzeugen (Elektrolyse)Erzeugen: B t ff ll d T biBrennstoffzelle oder TurbineHohlraumSalzkavernen oder andere
t i di h H hl äunterirdische HohlräumeTyp. technische Daten:
Leistung: einige 100 MW bis GWEnergiemenge: für Tage bis WochenWirkungsgrad: um 40%Wirkungsgrad: um 40%Speicherdauer: Wochen bis Monate
PotentialV l i hb it E d S i h
Bild: ebi
Bild: Wasserstoff-Brennstoffzelle
Vergleichbar mit Erdgas-SpeicherGasbedarf für mehrere Monate
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Redox Flow BatterienRedox-Flow BatterienFunktionsweise: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 kWEnergiemenge: für einige Std.
Beispiel: King Island, Tasmanien, 200kW / 4hg g g
Wirkungsgrad: >75%Speicherdauer: Grundsätzlich unbegrenzt, typ. Tage bis Wochen
S.20
Weitere Info:http://en.wikipedia.org/wiki/Vanadium_redox_batteryhttp://www.isea.rwth-aachen.de/isea2/forschung/batterien/technologie.php?site=tec_redox.php
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NaS Hochtemperatur BatterieNaS Hochtemperatur BatterieFunktionsweise:
Speichern und erzeugen elektrochemischbei ca 300°C 350°Cbei ca. 300 C ... 350 C
Typ. technische Daten:Leistung: geinige 100 kW bis MWEnergiemenge: für einige Std.Wi k d 75%
Photo: EbiWirkungsgrad: >75%Speicherdauer: Tage bis Wocheng
AnwendungVersorgung eines DorfesB B h ühlb h 2800
Photo: Ebi
Beispiel: 1MW / 7MWh NaS Batterie mit Netzanschluß, Younicos AG, Berlin
Bsp. Bruchmühlbach, 2800 Einw.
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Li Ion BatterienLi-Ion BatterienFunktionsweise:
El kt dElektroden:Negativ: GraphitPositiv: Lithiertes Metalloxid mitC b lt M Ni k l d EiCobalt, Mangan, Nickel oder Eisen-Phosphat
Elektrolyt: Gelöstes LiPF6
Typ. technische Daten:Leistung: einige W bis kWEnergiemenge: für einige Std.Wirkungsgrad: >90%Speicherdauer:
Photo: Ebi
Speicherdauer: Stunden bis Wochen (Selbstentladung <5% / Monat)Geringes Gewicht: 100 200 Wh/kg
Photo: Ebi
Geringes Gewicht: 100..200 Wh/kg(Doppelt so gut wie NiCd)
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Dezentrale SpeicherDezentrale SpeicherBatterietypen:yp
BleibatterieNiCd / NiMhdLi-Ion
Typ. technische Daten:Leistung: einige kWLeistung: einige kWEnergiemenge: für einige Std.Wirkungsgrad: 75% ... 90% Bild: http://billig.strom.1tipp.de/grafik/autobatterie.jpg
Speicherdauer: Tage bis WochenAnwendung
V i H h lVersorgung eines HaushaltesFür Kleininvestoren
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Elektroautos als SpeicherElektroautos als SpeicherSpeicher-Nutzung
Lastverschiebung beimLastverschiebung beim AufladenOption zum teilweisen EntladenEntladenNotfall-Reserve
GeschäftsmodellAuflade-Garantie zum festen ZeitpunktFinanzielle Beteiligungg g
Potential:4 Mio E-Cars (10% aller Autos)(10% aller Autos)40..100 GWh Speicher
Tomi Engel, 2005 [9]
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Kostenberechnung von SpeichernKostenberechnung von SpeichernDefinition Referenzfall Definition Speichertechnologie
Leistung [kWh] Wirkungsgrad [%]Kosten Umrichter [ ]
Zyklen [Anz /Tag]
Energie[kWh]
g g [ ]Selbstentladung [%/Tag][€/kWh]
[Anz./Tag][kWh]
max. Entladetiefe [%]
Kosten pro installierter Kapazität [€/kWh]
Speicherkostenfür Energiedurchsatz
Systemlebensdauer[Jahre]
Stromkosten[€Ct/kWh]
[%]Kapazität [€/kWh] g[€Ct/kWh]
[ ]
Kapitalkosten
[€Ct/kWh]Zyklenlebensdauer
[Anz.]Wartung & Reparatur[%/Jahr] p
[%/Jahr]
Nach D.U.Sauer, RWTH Aachen, 15.11.2009,
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Kostenberechnung von SpeichernKostenberechnung von SpeichernWenige Zyklen:
Initiale Kosten Spezifische Spezifische Spezifische
g yInitiale Kosten dominieren
Initiale Kosten Kosten Kosten Kosten
Viele Zyklen:Spezifische Kosten dominieren
Initiale Kosten Spezifische Kosten
Spezifische Kosten dominieren
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Kosten von SpeichertechnologienKosten von SpeichertechnologienWasserstoff Monatlich
Täglich 10Jahre heuteWasserstoff TäglichDruckluft
(adiabatisch)Monatlich
Täglich
Pumpspeicher Monatlich (abh. vom Standort)Stromkosten 4€CtZins 8%Pumpspeicher
Zink-BromRedox-Flow
Täglich (abh. vom Standort)( )
TageszeitlichTäglich
Täglich
Monatlich:500MW, 100GWh, 1.5 Zyklen/MonatTäglich:Redox Flow
(Vanadium)NaNiCl
(Hochtemp.)NaS
TageszeitlichTäglich
TageszeitlichTäglich
Tä li h
Täglich:1GW, 8GWh, 1 Zyklus/TagTageszeitlich:
NaS (Hochtemp.)
Li-Ion TäglichTageszeitlich
Täglich
Tageszeitlich
10MW, 40MWh, 2 Zyklen/Tag
NiCd
BleiTageszeitlich
Täglich
TageszeitlichTäglich
5 10 20 30 40 50 60Kosten / [€ct/kWh]
Nach D.U.Sauer, RWTH Aachen, 15.11.2009, dort nach folgender Quelle:M. Kleimaier, et.al., „Energy storage for improved operation of future energy supply systems“, CIGRE 2008
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Variable StrompreiseVariable Strompreise
Viel Strom: Strom ist billigViel Strom: Strom ist billig • Speicher aufladen, • Energie gebrauchen
Wenig Strom: Strom ist teuerWenig Strom: Strom ist teuer• Speicher entladen,
E i b h hi b• Energieverbrauch verschieben
S.28 Siehe auch W. Schittek, 2008 [11]
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Vorschlag SFVVorschlag SFV
Gesetzliche Regelung beinhaltet:Gesetzliche Regelung beinhaltet:Strompreis abhängig von Angebot und NachfrageEinspeisung von steuerbarem“ StromEinspeisung von „steuerbarem Strom wird vergütet wie RegelenergieNetzgebühr wird bei Einspeisung von Speicherenergie rückerstattetp g
S.29
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Speicher für Erneuerbare EnergienSpeicher für Erneuerbare Energien...
Sind notwendigSind notwendigSind machbarSind bezahlbar
Wir müssen es angehen!
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LiteraturLiteratur[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 Transfer und Beratung GmbH Transferstelle Bingen im Auftrag des Ministerium für Umwelt undInstitut für Innovation, Transfer und Beratung GmbH, Transferstelle 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 3-18-343706-6, 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 400 GWh of existing energy storage is waiting to be integrated into electricity supplies to balance fluctuating[7] Ingo Stadler, „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.
f f S “ S / S S[9] Tomi Engel, „Das Elektrofahrzeug als Regelenergiekraftwerk des Solarzeitalters“, Solarzeitalter 3/2005, S. 11. Siehe auch: http://www.unendlich-viel-energie.de/de/verkehr/detailansicht/browse/3/article/185/das-elektrofahrzeug-als-regelenergiekraftwerk-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
S.31
http://www.kombikraftwerk.de/fileadmin/downloads/2008_03_31_Ma__KombiKW_Abschlussbericht.pdf
[11] Walter Schittek, „Strom – fit für die Zukunft? Dynamischer Strompreis und virtuelle Sekundärregelung“, Verlag Görich & Weiershäuser, Marburg, Nov. 2008, ISBN 978-3-89703-706-9http://www.staff.uni-marburg.de/~schittek/buch_strom.html