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Speichersysteme – welcher Speicher
für welches Einsatzgebiet?
DI (FH) Sterrer Roland, MSc
Amstetten, am 27. November 2013
Energiezukunft Mostviertel - Klima- und Energiemodellregion Amstetten
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FH Technikum Wien – Institut für Erneuerbare Energie:
Speichersysteme – welcher Speicher für welches Einsatzgebiet? – Roland Sterrer
Was machen wir?
• Bachelor-Studium "Urbane Erneuerbare
Energietechnologien" und Master-Studium
„Erneuerbare Urbane Energiesysteme"
• Angewandte F&E auf dem Gebiet der
Erneuerbaren Energie (nationale und EU-
Forschungsprojekte)
• Aktive Mitarbeit in Arbeitsgruppen der
Internationalen Energie Agentur (IEA)
sowie diversen Technologieplattformen
Unsere Themengebiete?
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Wichtige Technologiethemen -
Zukunftsmarkt Energiespeicher:
1. Mobile Internet
2. Automation of knowlege work
3. The internet of things
4. Cloud technology
5. Advanced robotics
6. Autonomous and near-autonomous vehicles
7. Next-generation genomics
8. Energy storage
9. 3D printing
10.Advanced materials
11.Advanced oil and gas exploration and recovery
12.Renewable energy Quelle: McKinsey Global Institute: “Disruptive technologies: Advances that will transform
life, business, and the global economy “, May 2013
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Frequenzhaltung im Drehstromsystem:
Quelle: Gawlik, Wolfgang: „Systemübergreifende dezentrale Energiespeicher im
Universal Grid“, Konferenz Erneuerbare Energie Kärnten, Velden, November2013.
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Fazit:
Das elektrische Energiesystem verfügt über
praktisch keine eigene Speichermöglichkeit.
Erzeugung und Verbrauch elektrischer Energie
müssen zu jedem Zeitpunkt genau übereinstimmen.
Die Bedeutung von Energiespeichern steigt mit
zunehmender Volatilität auf der Erzeugungsseite
(Wind- und Solarenergie).
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Elektrische Speicher
im Energiesystem der Zukunft:
Unumstritten ist, dass je höher der Anteil fluktuierender erneuerbarer
Energiequellen ist, umso mehr Speicherkapazitäten im E-Netz
integriert werden müssen. Der wissenschaftliche Diskurs über die
erforderlichen Speicherkapazitäten ist derzeit voll im Gange. (VDE-
Studie, Juni 2012)
Eine Versorgung mit elektrischer Energie aus überwiegend
erneuerbarer Energiequellen ohne Speicher wird weder wirtschaftlich
sinnvoll noch technisch möglich sein.
Energiespeicher nehmen im Energieversorgungs-
system der Zukunft somit eine Schlüsselstellung ein.
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Elektrische Speicher
im Energiesystem der Zukunft:
Die Integration von erneuerbaren Energie muss zukünftig durch
folgende Optimierung und Anpassungen des bestehenden Strom-
versorgungssystem unterstützt werden:
Erzeugung: Flexible konventionelle
Kraftwerke
Systemverantwortung
für Erneuerbare
Verbraucher: Lastmanagement
(z.B. DSM)
Netz: Netzoptimierung
Netzausbau
Speicher: Kurz- & Langzeitspeicher
zentrale & dezentrale
Speicher
stationäre & mobile
Speicher
Smart Grid
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Dienstleistungen von Speichersystemen:
Netzsicherheit (Stabilität, Bereitstellung
von Regelleistung,…)
Versorgungs-
sicherheit (Spannungsqualität)
Last- und Erzeugungs-
Management (Spitzenreduktion, Vermeidung von
Engpässen und Überbelastungen)
Energie-
Speicher
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Einsatzort und Nutzen von Energiespeichern:
Energiemanagement
Versorgungsqualität
Netz Kunde
Bilanzkreis Regelzone Prozess Kunde
Prozessoptimierung,
Prozessstörung
Energieoptimierung,
Bezugsleistung,
Netzanschluss
Prognose-
Abweichungen
Regelleistung,
Reserveleistung,
Erzeugungs-
Ausgleich
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Spektrum des Speichereinsatzes:
große Leistung große Kapazität
Versorgungsqualität Energiemanagement
Sekunden:
•Spannungsregelung
•Blindleistungsregelung
•Primär- &
Sekundärregelenergie
Minuten: Stunden
•Sekundär- &
Tertiärregelenergie
•Unterbrechungsfreie
Stromversorgung
•Blackstart
•Load shifting
•Peak shaving
•Energiehandel
•Integration von
erneuerbare Energie
•Inselbetrieb
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Möglichkeiten zur Stabilisierung des
Übertragungs- und Verteilernetzes:
380 kV
110 kV/220 kV
Übertragungs-
netz
10 - 30 kV
400 V
Verteilungs-
netz Speicher
Netzausbau DSM
Vehicle-to-Grid
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Dezentrale Speicher in Verteilnetzen:
Prioritär ist grundsätzlich die Erhöhung der Energieeffizienz, erst
danach sollen Maßnahmen zur Erhöhung des Eigenverbrauches
durch Lastverschiebung und Speicherung umgesetzt werden (z.B.
Energiemanagementsystem).
Eine dezentrale, also erzeugungs- bzw. und verbrauchernahe
Speicherung hat den wesentlichen Vorteil von niedrigen Transport-
Verlusten sowie Vermeidung/Reduzierung des Netzausbaus.
Aufgrund steigender Strompreise werden dezentrale PV-Speicher-
Systeme in Privathaushalten aus betriebswirtschaftlicher Sicht des
Einzelnen zunehmend interessanter.
Jedoch ist der volkswirtschaftliche Nutzen von dezentralen
Speichern zur Erhöhung des Eigenverbrauches umstritten; gezielte
Regelungen sind erforderlich, um damit auch eine Entlastung in
Verteilnetzen zu erreichen (Systemdienstleistungen).
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Konventioneller Speichereinsatz:
Quelle: Energie-Forschungszentrum Niedersachsen :”Studie Eignung von
Speichertechnologien zum Erhalt der Systemsicherheit“, März 2013
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Netzoptimierter Speichereinsatz:
Quelle: Energie-Forschungszentrum Niedersachsen :”Studie Eignung von
Speichertechnologien zum Erhalt der Systemsicherheit“, März 2013
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Machbarkeit
Wir
tschaftlic
hkeit
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Wirtschaftlichkeit von Energiespeichern:
Spannungsstabilisierung Vermeidung
Netzausbau
Off-Grid (Insel-
Anwendungen)
Einfamilienhaus
Anwendungen
Preis-Abitrage zentral
dezentral
zentral & dezentral
Regelenergie
Industrielles
Peak-Shaving
Marktvolumen:
Erzeugungs-
Stabilisierung
Black-Start
Anwendungen
>50
Mrd €
25- 50
Mrd €
<25
Mrd €
Quelle: The Boston Consulting Group: “Revisiting Energy Storage – There is a Business Case”, Februar 2011
schwierig leicht
ge
rin
g
ho
ch
Schwungmassen-
speicher
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Einsatzbereiche elektrischer Energiespeicher:
1 kW 10 kW 1 MW 10 MW 100 MW 100 kW 1000 MW
Kondensatoren Supra-
leitende
Spulen
Flow-Batterien
Batterien
Wasserstoff / Methan
(Power-to-Gas)
Druckluft-
speicher
Pump-
speicher
mechanische Speicher
elektrochemische Speicher
elektrische Speicher
Sekunden
M
inute
n
Stu
nden
Tag /
Monate
Quelle: Neubarth, Jürgen: Integration erneuerbarer Energien in das
Stromversorgungssystem, in Energiewirtschaftliche Tagesfragen 8/2011
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Weltweit installierte Speicherkapazitäten (Stand 2012):
Quelle: Fraunhofer Institut, EPRI, , Pr. Nat. Sci. 19 (Chen et.al), ABB
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Bedeutung von Pumpspeicherkraftwerken
in Österreich (Stand 2012):
Quelle: Gruber, Heinz: „Österreichs Wasserkraft in der Speicherwelt von morgen“, Konferenz Erneuerbare Energie Kärnten, Velden, 2013.
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Speichertechnologien:
Quelle: Kloess, Maximilian: „Wirtschaftliche Bewertung von Stromspeichertechnologien”; 12. Symposium Energieinnovation, Graz, 2012
Adiabater
Druckluftspeicher:
(Advanced Adiabatic-
Compressed Air Energy
Storage – AA-CAES)
Diabater
Druckluftspeicher :
(Compressed Air Energy
Storage – CAES)
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Power-to-Gas:
Quelle: Kloess, Maximilian: „Wirtschaftliche Bewertung von Stromspeichertechnologien”; 12. Symposium Energieinnovation, Graz, 2012
Wasserstoffspeicher:
Methanspeicher:
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Technologien – elektrochemische Speicher:
1. Blei-Säure Batterie (Pb-Säure Batterie)
2. Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ionen):
• Nano-Phosphat-Lithium-Ionen (LiFePO4)
• Lithium-Ion-Polymer
• Lithium-Titanat
3. Redox-Flow Batterien:
• Eisen-Chrom
• Vanadium Redox Flow
• Vanadium-Brom Redox Flow
• Natrium-Polysulfid-Bromid
4. Hybrid Flow Batterien:
• Zink-Brom
• Cer-Zink
5. Metall-Luft Batterien: Zink, Aluminium, Magnesium-Luft
6. Nickelbasierte Batterien: z.B. Ni-Cd, Ni-MH, Ni-Zn
7. Flüssigmetall-Batterien (Hochtemperaturbatterien)
• Natrium-Schwefel (NaS)
• Natrium-Nickel-Chlorid (Na-NiCl - ZEBRA-Batterie)
Quellen:
Oertel, Dagmar :”Energiespeicher –Stand
und Perspektiven”, Sachstandsbericht zum
Monitoring »Nachhaltige
Energieversorgung«, 2008
Felberbauer, K.P.. et al.:
“ENERGIESPEICHER DER ZUKUNFT
Energiespeicher für erneuerbare Energie
als Schlüssel-Technologie für zukünftige
Energiesysteme”, Endbericht FFG-Projekt
Nr.: 821935, 2012
Speichersysteme – welcher Speicher für welches Einsatzgebiet? – Roland Sterrer
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Topologie von Batteriespeichersystemen:
Futamata 51 MW
Windanlage mit 34 MW
Natrium-Schwefel-
Batterien,
am Netz seit 2008,
Japan Wind
Development Co.
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Vanadium-Redox-Flow-Batterie:
Die elektrochemischen Reaktionen (Redox-Reaktion):
1
2
Reduktion
Oxidation
1 2 2
Größe: 4,5 x 2,2 x 2,4 m (L x B x H)
Gewicht: 10.300 kg
Tankvolumen: 2 x 2.500 l
1
Quelle: Cellstrom
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Multifunktionales Batteriespeichersystem:
Das netzgekoppelte elektrische Energiespeichersystem besteht aus:
Vanadium-Redox-Flow Batterie (VRF-Batterie): Cellstrom FB10/100
(Nennspeicherkapazität von 100 kWh)
PV-Anlage mit insgesamt 15 kWPeak
Kleinwindkraftanlage (KWKA) mit 1,5 kW Nennleistung
Speichersysteme – welcher Speicher für welches Einsatzgebiet? – Roland Sterrer
Sterrer, R. et al.(2013): Multifunktionales Batteriespeichersystem – MBS; Endbericht, Industrielle Forschung im
Rahmen der österreichischen Programmlinie Neue Energie 2020, 3. Ausschreibung
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Kenngrößen Batteriespeichersystemen (1):
Speichersysteme – welcher Speicher für welches Einsatzgebiet? – Roland Sterrer
Parameter Einheit Erläuterung
Speicherkapazität [J] oder [Wh] Gibt die nutzbare Energie eines Energiespeichers in
Joule [J] oder Wattstunden [Wh] an.
Speicherleistung [W] Gibt die maximale abrufbare Energie eines Energie-
speichers pro Zeiteinheit an. Ihre Einheit ist das Watt [W].
Wirkungsgrad [%] Gibt das Verhältnis von abgegebener zu zugeführter
Leistung für einen stationären Zustand eines Energie-
speichers an. Er ist ein Maß für die Energieeffizienz und
den notwendigen Ressourceneinsatz. Er wird häufig in
Prozent angegeben.
Nutzungsgrad [%] Gibt das Verhältnis von abgegebener zu zugeführter
Energie über einen bestimmten Zeitraum an und wird
auch in Prozent angegeben.
Be- und
Entladezeit
Sekunden, Stunden,
Wochen , Monate
Gibt die Zeit an, die benötigt wird, um eine bestimmte
Energiemenge zuzuführen oder zu entnehmen.
Speicherzyklus Sekunden, Stunden,
Wochen, Monate
Die Dauer eines Speicherzyklus ergibt sich aus der
Summe von Lade-, Halte- und Entladezeit.
Entladetiefe [%] Gibt die maximal entnommene Energiemenge eines
Zyklus bezogen auf die Speicherkapazität in Prozent an.
Quelle: : Felberbauer, K.P. et al. “ENERGIESPEICHER DER ZUKUNFT Energiespeicher für erneuerbare Energie als Schlüssel-
Technologie für zukünftige Energiesysteme”, Endbericht FFG-Projekt Nr.: 821935, 2012
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Kenngrößen Batteriespeichersystemen (2):
Quelle: Felberbauer, K.P. et al.: “ENERGIESPEICHER DER ZUKUNFT Energiespeicher für erneuerbare Energie als Schlüssel-
Technologie für zukünftige Energiesysteme”, Endbericht FFG-Projekt Nr.: 821935, 2012
Speichersysteme – welcher Speicher für welches Einsatzgebiet? – Roland Sterrer
Parameter Einheit Erläuterung
Verluste [%/Tag] Verluste können bei der Ladung und Entladung auftreten und treten
meist zeitabhängig als Selbstentladeverluste auf. Sie werden oft in
Prozent pro Zeitintervall angegeben.
Zugriffszeiten Millisekunden,
Sekunden Minuten
Beschreiben die Zeitspanne, in der das System in der Lage ist, 50
% seiner Leistung abzugeben.
Volumetrische &
gravimetrische
Energiedichte
[Wh/l], [Wh/kg] Gibt das Verhältnis des nutzbaren Energieinhalts zu seiner Masse
oder seinem Volumen an. Dementsprechend spricht man von der
spezifischen gravimetrischen [Wh/kg] bzw. von der volumetrischen
Energiedichte [Wh/l].
Leistungsdichte [W/l], [W/kg]
Gibt das Verhältnis der maximalen Entladeleistung bezogen auf die
Masse [W/kg] oder das Volumen [W/l] des Speichermediums an.
Lebensdauer Zyklenzahl, Tage,
Monate, Jahre
Die Zyklenlebensdauer wird angegeben, wenn bei den Lade- und
Entladeprozessen Verschleißerscheinungen auftreten. Die
kalendarische Lebensdauer wird verwendet, wenn bei einem
System auch ohne Nutzung Verschleiß auftritt bzw. die typische
Zyklenzahl nicht der begrenzende Faktor für die Lebensdauer ist.
Leistungsgradient [W/s] Gibt an wie schnell ein System seine Leistungsabgabe variieren
kann. Er wird in der Einheit [W/s] angegeben.
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Vergleich von Batteriespeichern:
Quelle: : Felberbauer, K.P. et al. “ENERGIESPEICHER DER ZUKUNFT Energiespeicher für erneuerbare Energie als Schlüssel-
Technologie für zukünftige Energiesysteme”, Endbericht FFG-Projekt Nr.: 821935, 2012
Speichersysteme – welcher Speicher für welches Einsatzgebiet? – Roland Sterrer
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Vergleich Investitionskosten von Batteriespeichern:
Quelle: : Felberbauer, K.P. et al.: “ENERGIESPEICHER DER ZUKUNFT Energiespeicher für erneuerbare Energie als
Schlüssel-Technologie für zukünftige Energiesysteme”, Endbericht FFG-Projekt Nr.: 821935, 2012
Speichersysteme – welcher Speicher für welches Einsatzgebiet? – Roland Sterrer
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Vergleich Speicherwirkungsgrad von Batteriespeichern:
Quelle: Felberbauer, K.P. et al: “ENERGIESPEICHER DER ZUKUNFT Energiespeicher für erneuerbare Energie als
Schlüssel-Technologie für zukünftige Energiesysteme”, Endbericht FFG-Projekt Nr.: 821935, 2012
Speichersysteme – welcher Speicher für welches Einsatzgebiet? – Roland Sterrer
30 Speichersysteme – welcher Speicher für welches Einsatzgebiet? – Roland Sterrer
Vergleich der spezifischen Speicherkosten
von Speichertechnologien:
Quelle:
http://www.electricitystorage.org
31 Speichersysteme – welcher Speicher für welches Einsatzgebiet? – Roland Sterrer
Vergleich der Energiedichte von
Speichertechnologien:
Quelle:
http://www.electricitystorage.org
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• Pumpspeicher:
Im großen Leistungsbereich ökonomisch attraktivste Option (hoher
Wirkungsgrad, geringe kapazitätsabhängige Investitionskosten), in Osterreich
noch Potentiale vorhanden; Projekte jedoch hart an der
Wirtschaftlichkeitsgrenze (sinkende Ertrage 2007-2011).
• Adiabate Druckluftspeicher (AA-CAES):
Neue Technologie, Investitionskosten werden für die Wirtschaftlichkeit
entscheidend sein (Standort, Entwicklung der Technologie).
• Elektrochemische Speicher (NaS, Redox Flow, Li-Ionen):
hohe kapazitätsabhängige Investitionskosten, für Preisarbitrage nicht
geeignet, bei Regelenergie in Österreich starke Konkurrenz durch
Pumpspeicher, derzeit in Österreich nur wenige Anwendungen (z.B.
Energiemanagement) wirtschaftlich.
• Wasserstoff- und Methanspeicher (power-to-gas):
geringer Wirkungsgrad; als Tages- & Wochenspeicher ungeeignet evtl. als
Jahres-/Saisonspeicher geeignet, Investitionskosten und Großhandelspreis-
Verlauf werden entscheidend sein.
Zusammenfassung Technologievergleich:
Speichersysteme – welcher Speicher für welches Einsatzgebiet? – Roland Sterrer
Quelle: Felberbauer, K.P. et al.: “ENERGIESPEICHER DER ZUKUNFT Energiespeicher für erneuerbare Energie als Schlüssel-
Technologie für zukünftige Energiesysteme”, Endbericht FFG-Projekt Nr.: 821935, 2012
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