15.02.2017
Projekt HD-StoreTechnologiestudie und Einsatzgebiete
eines dezentralen Hydraulik-Druckgas-
Speichers
IEWT 2017
Hermann Edtmayer
Wien, 15.02.2017
15.02.2017
Pariser Klimakonferenz 2015
Reduktion globale Erwärmung auf < 2 Grad Celsius
Energie aus erneuerbaren Quellen notwendig
HD-Store
Einleitung
Folie 2
Bildquelle: AAR14
15.02.2017
Stromproduktion aus volatilen Quellen
Fluktuation der Erzeugung
Offset von Erzeugung und Verbrauch
Einsatz Stromspeichern notwendig
Dezentrale Stromspeicher als Teil der Lösung
HD-Store
Einleitung
Folie 3
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
00:00 06:00 12:00 18:00
Last
/ E
rzeu
gun
g [k
W]
Photovoltaik [kW]
Last [kW]
15.02.2017
Dezentrale mechanische Stromspeicher
Z.B.: Druckgasspeicher, Schwungradspeicher
Vorteile
Lebensdauer, Zyklenzahl
Speicherleistung
Problemlose Tiefenentladung
Genaue Speicherstandsbestimmung
Verfügbare Materialien
Recycling
Nachteile
Entwicklungsstand
Kosten
Energiedichte
Wirkungsgrad
HD-Store
Einleitung
Folie 4
Quelle: Roth Hydraulics GmbH
DC
DC
DC
AC
PV Panel
Verbraucher
Netz
Frequenz-umrichter
Controller
Solar-Wechselrichter
MMP-Tracker
Wechsel-richter
Energiespeicher
15.02.2017
HD-Store
Luftspeichersysteme
Folie 5
komprimierte LuftCAES
verflüssigte LuftLAES
diabatD-CAES
adiabatA-CAESU-CAES
isothermI-CAES
LuftspeicherAES
Quelle: eigene Darstellung nach Sterner & Stadler, 2014 Diabate Druckluftspeicher
Vollständige Rückkühlung der Kompressionswärme
und Zusatzfeuerung bei der Expansion
Adiabate DruckluftspeicherZwischenspeichern der Kompressionswärme
in regenerativen, thermischen Speichern
Isotherme DruckluftspeicherVerdichtung und Expansion bei
konstanter Temperatur
Luftspeicher (Air Energy Storage - AES)
Komprimierte Luft (Compressed AES)
Verflüssigte Luft (Liquid AES)
15.02.2017
Idee:
Isothermer Druckgasspeicher
Verdichtung und Expansion über hydraulische Maschine
Anwendungsgebiete:
Dezentraler Speicher für erneuerbare Energien
Spitzenlastmanagement
Erhöhung Eigenverbrauchsanteil & Autarkiegrad
Ziele:
(1) Technologische und ökonomische Machbarkeitsstudie
(2) Low-tech & low-cost Zugang
(3) Entwicklung eines dynamischen Speichereinsatzmodells
(4) Gegenüberstellung von Technologielösungen für Einsatzszenarien
- Start: 06/2015 - Laufzeit: 18 Monate - Sondierung, Energieforschung 2015
HD-Store
Projekt HD-Store
Folie 6
15.02.2017
HD-Store
Simulationsmodell
Folie 7
Simulationsmodell in Matlab-Simulink Erzeuger - Verbraucher = Residualleistung
Regelung: Residualleistung in Speicher oder Netz
E-Maschine + Frequenzumrichter
Hydraulikmaschine
Druckgasspeicher: isotherme Verdichtungsarbeit 𝑊12,𝑖𝑠𝑜𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚 = 𝑝1𝑉1 ln𝑝2
𝑝1
Erzeuger
Verbraucher
Regelung
Netz
+-
E-Maschine H-Maschine
Druckgasspeicher
Elektrische LeistungMechanische LeistungHydraulische Leistung
HDS-SystemErzeuger
Verbraucher
Regelung
Netz
+-
E-Maschine H-Maschine
Druckgasspeicher
Elektrische LeistungMechanische LeistungHydraulische Leistung
HDS-System
15.02.2017
HD-Store
Speichervorauslegung
Folie 8
Messdaten in ¼-Stundenwerten PV-Erzeugung und Last
Einfaches Speichermodell ohne Wirkungsgradkette
Parametervariation von Kapazität und Leistung
Auswertung nach Autarkiegrad und Eigenverbrauchsanteil
0,63@10 kW & 50kWh
0,65@10 kW & 50 kWh
Leistung [kW]
Kapazität [kWh]
Autarkiegrad Eigenverbrauchsanteil
Leistung [kW]
Kapazität [kWh]
15.02.2017
HD-Store
Konzeptentwurf
Folie 9
Hydrauliköl Reservoir
Frequenzumrichter Regel- und
Leistungselektronik
Quellen (PV, Wind, ...)Senken
(Haushalt, ...)
Stromnetz
Hydraulikpumpe/ -Motor
Kolbenspeicher
E-Maschine
Ga
sfed
er
Ga
sfed
er
Ga
sfed
er
Ga
sfed
er
Ga
sfed
er Quelle: Roth Hydraulics GmbH
Quelle: Bosch Rexroth GmbH)
Quelle: Siemens AG
Quelle: Haberkorn GmbH)
Druckgasspeicher: Kolbenspeicher + Gasflaschen
Geschlossene Ausführung
Vorspannung 130 bar
Maximaldruck 350 bar
Hydraulikeinheit: Axialkolbenmaschine
variables Schluckvolumen
Ölreservoir
E-Maschine: Asynchronmaschine
umrichteroptimiert
Frequenzumrichter: rückspeisefähig
mit Steuereinheit
Einhubsystem: Gesamte Speicherarbeit mit einem Zylinderhub
Standardkomponenten: Bauteile aus Klein- oder Großserie
15.02.2017
Einspeichern
Ausspeichern
Betriebspunkverteilung im
Wirkungsgradkennfeld
Einspeichern und Ausspeichern
Jahressimulation
¼-Stundenwerten
Wirkungsgradkette
Abbildung der Komponenten
über Kennfelder
HD-Store
Gesamtsimulation
Folie 10
Quelle: ABB
15.02.2017
HD-Store
Ergebnisse
Folie 11
Einsparungspotential Wirkungsgrad Eigenverbrauchsanteil Autarkiegrad
Haushalt klein 23,8% 56,2% 67,0% 50,6%
Mehrparteien-
wohnhaus29,6% 53,3% 81,3% 57,4%
Bürogebäude 24,7% 59,8% 76,6% 61,7%
Einsatzszenarien
Haushalt klein: 2 Erwachsene, 3.860 kWh/a; Speicher: 5,5 kW & 4,94 kWh
Mehrparteienwohnhaus: 6 Wohneinheiten, 23,7 MWh/a; Speicher: 10 kW & 50,1 kWh
Bürogebäude: 1400 m2 Bruttogebäudefläche, 46,1 MWh/a; Speicher: 15,7 kW & 59,7 kWh
Photovoltaik
Jährliche Erzeugung und Verbrauch im Verhältnis 1/1
Energiepreise
Einkauf: 20 Cent & Verkauf: 4 Cent
Einsparungspotential Wirkungsgrad Eigenverbrauchsanteil Autarkiegrad
Haushalt klein 23,8% 56,2% 67,0% 50,6%
Mehrparteien-
wohnhaus29,6% 53,3% 81,3% 57,4%
Bürogebäude 24,7% 59,8% 76,6% 61,7%
15.02.2017
Wirtschaftliche Betrachtung: Kostenfaktoren für den Konzeptentwurf des HDS-Systems mit 5 kWh und 5,5 kW
HD-Store
Ergebnisse
Folie 12
Gasflaschenregister komplett 20 €/l Preisangebot Hersteller
Kolbenspeicher 47 €/l Preisangebot Hersteller
Stahltank Öl 4 €/l Katalogpreis
Ölwanne für Stahltank 5,7 €/l Katalogpreis
Hydrauliköl 1,65 €/l Katalogpreis
Verrohrung Öl 150 € Schätzung
E-Maschine 5,5kW 1.310 € Katalogpreis
Frequenzumrichter 1.670 € Katalogpreis
Axialkolbenmaschine variabel 5.104 € Katalogpreis
Gesamtkosten (isotherm) 66.323 €
Spezifische Kosten 13.265 €/kWh
Anteil Speicherleistung 12,4%
Anteil Speicherkapazität 87,6%
Gasflaschenregister komplett 20 €/l Preisangebot Hersteller
Kolbenspeicher 47 €/l Preisangebot Hersteller
Stahltank Öl 4 €/l Katalogpreis
Ölwanne für Stahltank 5,7 €/l Katalogpreis
Hydrauliköl 1,65 €/l Katalogpreis
Verrohrung Öl 150 € Schätzung
E-Maschine 5,5kW 1.310 € Katalogpreis
Frequenzumrichter 1.670 € Katalogpreis
Axialkolbenmaschine variabel 5.104 € Katalogpreis
Gesamtkosten (isotherm) 66.323 €
Spezifische Kosten 13.265 €/kWh
Anteil Speicherleistung 12,4%
Anteil Speicherkapazität 87,6%
15.02.2017
Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)
Kompensation von Netzausfällen
Schnelle Reaktionszeit notwendig
Lange Standzeiten mit voller Ladung
HDS-System
Überbrückung der Anfahrtszeit des Dieselgenerators
Sehr geringe Standby-Verluste
Hohe Leistungsspitzen und -gradienten möglich
Lange Lebensdauer
Geringer Wartungsaufwand
HD-Store
Ergebnisse
Folie 13
Leistung 200 kW für 10 Sekunden
Energieinhalt 0,7 kWh
Summe Kosten Einzelkomponenten 16.950 €
Spezifische Kosten 85 €/kW
Wirkungsgrad 80 %
15.02.2017
Systemzusammenstellung aus Standardkomponenten wie
angedacht möglich
Für sinnvolle Speicherkapazitäten bei dezentralen
Speicheranwendungen Systemkosten sehr hoch
Speicherstation (Gasflaschen, Kolbenspeicher) die kritische
Kostenkomponente
Entwicklungspotential bei Eigenbau von Kolbenspeicher und
Gasspeicher
weiterer F&E Bedarf
HDS-System mit aktuellen Standardkomponenten für
USV-Anwendung am vielversprechendsten einsetzbar
HD-Store
Zusammenfassung & Ausblick
Folie 14
Logo
FördergeberDieses Projekt wurde aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert
und im Rahmen des Energieforschungsprogramms 2016 durchgeführt.
Weiterführende Informationen:http://www.4wardenergy.at/hd-store
Dr. Hermann Edtmayer4ward Energy Research GmbH
Reininghausstraße 13A/EG/17
A-8020 Graz
t: +43 664 889 29 638
w: www.4wardenergy.at