flexibilität durch wärmespeicherung in konzentrierenden ... · flexibilität durch...
Post on 15-Oct-2019
0 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Flexibilität durch Wärmespeicherung in konzentrierenden Solarkraftwerken
egeb Forum Energie – 13. Juli 2011
Dr. Markus EwertTechnology & Innovation
Seite 2Wärmespeicherung für CSP 13. Juli 2011 Ewert/T&I
Inhalt
1 Zukünftige Trends im Energiesystem
2 Stromspeichertechnologien
3 Konzentrierende Solarkraftwerke mit Speicher
4 Wärmespeichertechnologien
5 Wirtschaftlichkeit
Seite 3Wärmespeicherung für CSP 13. Juli 2011 Ewert/T&I
Zunahme der Leistung fluktuierender Erneuerbarer Energien auf 40 % – Anteil an der Stromproduktion ~25 %
2035
3.611
2.657
815
139
2020
3.358
2.801
48176
2007
2.974
2.861
110 4
+1%
Sonstige1
Wind
Solar
Stromproduktion EU-27in TWh
2035
1.014
568
342
104
2020
829
565
208
56
2007
608
550
53 5
+2%
Installierte Leistung EU-27in GW
1. Sonstige einschließlich Biomasse, Geothermie und Wasserkraft (installierte Leistung Biomasse: 2020 = 44 GW, 2035 = 58 GW)Quelle: Ein mögliches Szenario für die Struktur der Stromerzeugung
Seite 4Wärmespeicherung für CSP 13. Juli 2011 Ewert/T&I
Der Ausbau der Erneuerbaren kann zu einer Verdreifach-ung der Preisvolatilitäten auf dem Strommarkt führen
ItalienFrankreichUKDeutschland
2035
2020
2007
Standardabweichung der Marktpreisvolatilitäten in %
Preisschwankungen folgen zunehmend dem Angebot von Wind und Sonne und immer weniger dem Tag-/Nachtzyklus
Häufigkeit starkerPreisschwankungen nimmt zu
Quelle: Rechenergebnisse
Seite 5Wärmespeicherung für CSP 13. Juli 2011 Ewert/T&I
Die zunehmende Preisschwankungen werden den Einsatz von Speichern begünstigen
Leistung
Strompreis
Speicher
Wind
Solar
Import
Export
Seite 6Wärmespeicherung für CSP 13. Juli 2011 Ewert/T&I
0
30
60
90
120
7.1.
08
8.1.
08
9.1.
08
10.1
.08
11.1
.08
12.1
.08
13.1
.08
14.1
.08
EEX
Spot
[€
/MW
h]
Der Einsatz von Stromspeichern wird durch die Preisdifferenzen am Strommarkt bestimmt
Strompreise EEX1 (2008) und Betrieb eines Pumpspeicherkraftwerks
Die mittlere Vollbenutzung von Pump-speicherkraft-werken beträgt 10-15 %
Der Betrieb folgt heute der Tageszeit mit kurzen Niedrigpreis-phasen zum Laden in der Nacht-500
-250
0
250
500
- Pum
ping
/ +
Turb
inin
g [M
W]
1. Woche im Januar 2008, Mo - So
Seite 7Wärmespeicherung für CSP 13. Juli 2011 Ewert/T&I
Zykluswirkungsgrad beim Laden und Entladen bestimmt die Ausnutzung der Technologien
100
50
0
-50
100
50
0
-50
100
50
0
-50
Zeitin h
Pump-speicher
Druckluft
Batterie
Zykluswir-kungsgrad
80 %
70 %
90 %
1. Eine Woche in Deutschland 2035
Kapitalfluss bei 100 MW Anlagenbetrieb1 in k€Deckungs-beitrag
100 %
91 %
130 %
16824 48 72 96 120 144
Seite 8Wärmespeicherung für CSP 13. Juli 2011 Ewert/T&I
Zur Verfügung stehende Speicherverfahren- bzw. technologien
8
Pumpspeicher Druckluftspeicher Schwungmassenspeicher
Batterien
Supraleitende Magneten Kondensatoren
Wasserstoff Methan
Mechanisch
Elektrochemisch
Elektrisch
Chemisch
Sensibel (flüssig/fest) Latent (Phasenwechselmaterialien) Chemisch (Hydroxide/Karbonate) Physikalisch (Sorption)
Thermisch
Stromspeicher
Wärmespeicher
Seite 9Wärmespeicherung für CSP 13. Juli 2011 Ewert/T&I
Wärmespeicher in den Anschaffungskosten vergleichbar mit Pumpspeichern aber universeller einsetzbar
218
20
6
313
adiabaterDruckluft-speicher
128
Wasserstoff-speicher/
Brennstoffzelle
238
319
Batterie
15
100
115
Wärme-speicher/CSP
68
60
Pump-speicher
83
42
125
Spezifisches Invest für einen 8h-Speicher in €/kWhel.(output)
Umwandlungskomponenten
Energiespeicher
1. Wärmespeicher (Flüssig): bestehend aus Wärmetauscher, Behälter, Speichermedium, Anschlussleitung - 40 €/MWh (th), Wirkungsgrad Turbine: 40 %2. Pumpspeicher bestehend aus oberem und unterem Speicherbecken sowie reversibler Turbine3. Adiabater Druckluftspeicher bestehend aus Verdichter, Wärmespeicher, Kaverne und Turbine4. Wasserstoffspeicher bestehend aus Netzanschluss, Elektrolyseur, GC, Speicherkaverne, Brennstoffzelle, Wechselrichter5. Batteriesystem bestehend aus Batterie und Wechselrichter bzw. Netzanschluss
Senkung der spezifischen Kosten bei Wärmespeicher CSP durch die Anhebung der Prozesstemperatur möglich
Elektrochemische Energiespeicherungist trotz angenommener Lernkurve teuer
(erwartete Kosten 2035)
Seite 10Wärmespeicherung für CSP 13. Juli 2011 Ewert/T&I
0
50
100
150
Langfristig werden bei sehr hohem Anteil erneuerbarer Energien Wochen- oder Saisonspeicher erforderlich
0
50
100
150 LW + BM + Geo Wind Solar Last
1. Szenario 80 % Erneuerbare Beispielhaft für Deutschland/Erzeugungsgang mittels Wetterdaten 2007 generiert/ohne Berücksichtigung Stromimport /Export (Anteile Jahresenergieproduktion 47 % Wind (117 GW); 13 % Solar (69 GW); 20 % Laufwasser, Biomasse und Geothermie (17 GW)
Juli
Dezember
GW
GW
h
Erneuerbare decken 80%1 der Jahres-Stromproduktion
Sommer
Verschiebung in die Nachtstunden über Kurzzeitspeicher
Verschiebung in den den Winter über saisonale Speicher
Winter
Wochenweise Phasen der Windunterproduktion
Wochenweise Phasen der Windüberproduktion
Seite 11Wärmespeicherung für CSP 13. Juli 2011 Ewert/T&I
Mit zunehmender Speicherdauer wird die Wasserstoffspeicherung im Vergleich immer günstiger
0
100
313
BatterieWasserstoff-speicher/
Brennstoffzelle
6
2
Pump-speicher
5100
5
adiabaterDruckluft-speicher
1
Wärme-speicher/CSP
135
0 4
313
37
Spezifisches Invest für einen 2 Wochen-Speicher in €/kWhel.(output)
Umwandlungskomponenten
Energiespeicherung Kavernen und Speicherbecken
sind im Vergleich sehr kostengünstig zu vergrößern
Wärmespeicher ist bei dem adiabaten Druckluftspeicher der Hauptkostentreiber
Batterien und Wärmespeichersind zur Speicherung großerEnergiemengen sehr teuer und daher wenig geeignet
Seite 12Wärmespeicherung für CSP 13. Juli 2011 Ewert/T&I
Solarthermisches Kraftwerk mit Wärmespeicher
Solarfeld(Thermoöl)
Speichersystem(Salzlösung)
Kraftwerksteil
HT-Tank
NT-Tank
Source: Solar Millenium AG
Turbine
Kühlturm
Generator
Seite 13Wärmespeicherung für CSP 13. Juli 2011 Ewert/T&I
Added value durch Flexibilisierung der Stromerzeugung aus Solarkraftwerken mittels Wärmespeicherung
Leistung/Preis
Marktpreis
Last
16.00Uhrzeit
8.000.00
Verschiebung der Produktion zu Zeiten hoher Last bzw. Marktpreise
24.00
Produktion ohne Speicher
Produktionmit Wärmespeicher
Last und Marktpreis Spanien 2007
Gleichmäßigere Auslastung der Kraftwerkskomponenten
Seite 14Wärmespeicherung für CSP 13. Juli 2011 Ewert/T&I
Solarthermisches Kraftwerk mit Wärmespeicher
Andasol Anlage in Spanien mit Speicher Andasol 1-3
Leistung 3x50 MWel.
Speichertechnologie Salzschmelze1
Temperatur 300-400 °C
Speichervolumen 6 x 14.250 m3
Ladeleistung 130 MWth
Entladeleistung 120 MWth
Speicherinhalt 1000 MWhth
≅ 8 h
Gesamtinvest ~ 1 Mrd. €
davon Speicher (allg.) ca. 5-10 %
Quelle: Solar Millenium AG• 60% Natriumnitrat (NaNO3) /40% Kaliumnitrat (KNO3)
Seite 15Wärmespeicherung für CSP 13. Juli 2011 Ewert/T&I
Forschungsförderung zur Weiterentwicklung von CSP-Wärmespeichern: E.ON International Research Initiative
E.ON Research Award 2010 Projekte
Sensibler Speicher: Stein/Beton - Luft,DLR, D
Nanokristalliner MetallhydridFraunhofer IFAM/ZBT Duisburg, D
Latentwärmespeicher: Salz/Dampf,Fraunhofer ISI, D
Phasenwechselmaterialien: Einkapseln,University of South Florida, USA
Absorbtionsspeicher: Metallhydrid - Mg,University of Nottingham, UK
Fördersumme 5 Mio. €
Seite 16Wärmespeicherung für CSP 13. Juli 2011 Ewert/T&I
Wärmespeichertechnologien für CSP weisen unterschiedlichen Entwicklungsstand auf
Salzschmelze
Phasenwechsel-material
Feststoff (Beton)
Thermochemisch
Sorption (Metalhydrid)
Deploy-mentResearch Develop-
mentDemon-stration
Seite 17Wärmespeicherung für CSP 13. Juli 2011 Ewert/T&I
Salzschmelze (Wärmespeicher)/Thermoöl (Wärmeträger)
Temperaturbereich 280-380 °C
Erstarrungstemperatur 130-230 °C
Kosten 15-40 €/kWhth – 80-130 €/kWth
Status Stand der Technik (NaNO3-KNO3)
Weiterentwicklung - Erhöhung der Temperaturstabilität des Wärmeträgers Thermoöl auf über 400 °C zur Erreichung höherer Dampfparameter
- von 2-Stoff zu 3-Stoffgemischen mit niedriger Erstarrungstemperatur (<100 °C)
- Ersatz des Thermoöls durch Salz (Einstoffsystem)
Quelle: Solar Millenium
Seite 18Wärmespeicherung für CSP 13. Juli 2011 Ewert/T&I
Phasenwechselmaterialien
Temperaturbereich Umgebungstemperatur bis >1.000 °C
Kosten 30-50 €/kWhth – 140-160 €/kWth
Status Stand der Technik im Temperaturbereich bis 100 °C
Für hohe Temperaturen 100 kW Pilotanlage realisiert, aber noch Forschungsbedarf
Weiterentwicklung Verbesserung des Wärmetransports zwischenSpeichermedium und Wärmeträgerfluid durch
- Verbundmaterialien, davon eine Komponentemit hoher Wärmeleitfähigkeit
- hohe spezifische Wärmeüberträgeroberfläche durch Integration von Wärmeleitstrukturen in dasSpeichermaterial
- Kapselung des Materials zur Verkleinerung derWärmetransportwege
Quelle: DLR
Seite 19Wärmespeicherung für CSP 13. Juli 2011 Ewert/T&I
Feststoff (Beton, Schüttgut)
Temperaturbereich Umgebungstemperatur bis 400 °C
Kosten 15-40 €/kWhth – 80-130 €/kWth
Status Pilotanlage mit Beton bis 400 °C (100 kW/400 KWh )
Für hohe Temperaturen und industrielle Anwendungnoch Forschungsbedarf
Weiterentwicklung Entwicklung neuer Betonmischungen zur Anpassungan spezielle Anforderungen
- Verbesserung der Zyklenfestigkeit
- Anhebung der oberen Temperatur auf rd. 500 °C
Quelle: DLR
Seite 20Wärmespeicherung für CSP 13. Juli 2011 Ewert/T&I
Thermochemisch
Temperaturbereich 150-1200 °C
Kosten (noch unbekannt)
Status Grundlagenforschung
Weiterentwicklung Suche nach geeigneten Materialien mit vollständigreversibler Reaktion hoher Reaktionskinetik
Außerdem folgende Randbedingungen
- Gleichgewichtstemperatur im gewünschtenArbeitsbereich
- hohe Lebensdauer und Aktivität des Katalysatorsim Falle katalytischer Prozesse
- gute Wärmetransportmöglichkeiten vom und zumReaktionsbett
Seite 21Wärmespeicherung für CSP 13. Juli 2011 Ewert/T&I
Sorption
Temperaturbereich 100 - 800 °C
Kosten noch unbekannt
Status Zur Stofftrennung: Stand der TechnikAls Wärmespeichertechnologie:Grundlagenforschung
Weiterentwicklung Untersuchung von Verbund- und MikroporösenMaterialien, die für großtechnische Anwendunggeeignet sind.
- Absenkung der Desorptionstemperatur
- Anhebung des Temperaturhubs derAbsorption
Seite 22Wärmespeicherung für CSP 13. Juli 2011 Ewert/T&I
Wirtschaftliche Optimierung der CSP Anlage durch Integration von Wärmespeichern
24.0016.008.000.00
Solarfeld Kraftwerksteil
SolareLeistung Max.
Kraftwerks-Leistung
Invest 100 %
Vergrößerung des Solarfeldes mit Speichereinsatz
CSP-Anlage ohne Wärmespeicher
Kraftwerksteil
ThermischerSpeicher
Solarfeld
Invest 125 %
CSP-Anlage mit Wärmespeicher
+50%
24.0016.008.000.00Uhrzeit
Seite 23Wärmespeicherung für CSP 13. Juli 2011 Ewert/T&I
Wirtschaftlichkeit in solarthermischen Kraftwerken (Einspeisevergütung Spanien)
8383
Deckungs-beitrag
Kapital-kosten
Ohne Wärmespeicher Mit Wärmespeicher und Solarerweiterung
83
Speicher + zus. Solar
Deckungs-beitrag
116
33
Kapital-kosten
110
1710
83
Vergrößerung der elektrischen Nettoerzeugung durch „Überdimensionierung“ des Solarfeldes und Steigerung der Vollbenutzungsstunden des Kraftwerkteils
Erhöhung der solaren Anteils bei gleichzeitiger Reduzierung des Gasverbrauchs für Zufeuerung
in M€/a in M€/a
Speicher
Zus. Solar
Seite 24Wärmespeicherung für CSP 13. Juli 2011 Ewert/T&I
Im Vergleich ist CSP teurer als Offshore-Wind – allerdings ist die Einspeisung durch Speicher steuerbar
41 6022
52
25
8 Other
Solar Thermisch
228
220 CAPEX
Solar PV
185
160
Wind-offshore
137
85
Wind-onshore
78
56
Kern-energie
60
45
15
Gas
77
17
Kohle
75
34
Vollkosten der Stromerzeugung1 [€/MWh]
Fluktuierende Einspeisung
1. Berechnung der CAPEX mit unterschiedlichen Betriebsstunden der Anlagen, Kostenstand heute, Solarenergie PV und CSP in Spanien, Wind on- und offshore durchschnittliche Windbedingungen für Europa, Kohle und Gas inkl. CO2-Zertifikatskosten
Erhöhung der Prozesstemperatur bei vergleichbarer Investition (dadurch höherer Wirkungsgrad und Stromproduktion je kWh Solarwärme)
Kommerzielle Massenfertigung bei der Herstellung der Kollektoren
Kostengünstige Wärmespeicher (höhere Auslastung des Kraftwerksteils)
Hauptansatzpunkte zur Kosteneinsparung CSP –Ziel: Kosten vergleichbar zu Wind offshore:
Seite 25Wärmespeicherung für CSP 13. Juli 2011 Ewert/T&I
Resümee
Markt für Energiespeicher wächst mit zunehmendem Anteil fluktuierender Einspeisung
Vielzahl an Speicheroptionen mit unterschiedlichen Einschränkungen (geographisch, Netzzugang, Last im Netz) – Wärmespeicher sind universell einsetzbar
Wirtschaftlichkeit von Wärmespeichern ist im Vergleich zu anderen Optionen der Flexibilisierung ist gegeben
Wärmespeicher erhöhen die Wirtschaftlichkeit von CSP Projekten
Entwicklung der Wärmespeicher erst am Anfang, technologisches und wirtschaftliches Verbesserungspotential gegeben
Solarenergie aus CSP ist mit Wärmespeichern grundlastfähig
Vollkosten der Stromerzeugung über CSP sehr hoch – kann noch gesenkt werden
top related