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Energiespeicher für die Energiewende Zusatzkosten vs. Zusatznutzen? Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner et al. FENES, OTH Regensburg
Ringvorlesung Kraftakt Energiewende II 05.11.13 Universität Leipzig, IIRM Akademischer Energieverein Leipzig e.V. Deutsch-Russisches Institut für Energie-politik und Energie-wirtschaft e.V.
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 2
Inhalt
1) Speicher im Kontext Energiewende
2) Speicherbedarf – Ergebnisse VDE Studie
3) Speichertechnologien – Fokus Verteilnetz
4) Ausblick Verkehr – Strombasierte Kraftstoffe - Segelenergie
5) Zusammenfassung
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 3
Energiebedingte Emissionen zw. 1750 und 2006
Quelle: Sterner, 2009
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 4
Die Energieversorgung wird wieder oberirdisch Das fossile Zeitalter: Ein infinitesimal kleines Zeitfenster der Erdgeschichte
Erneuerbar Oberirdisch
2000
Fossil Unterirdisch
0 1000 3000
Verbrauch
Zeit
Wind
Solar
WasserBiomasse
Wasser
Biomasse
Wind Solar
Erneuerbar Oberirdisch
Energie-effizienzVereinfachte Darstellung aller fossiler Quellen
Energiewende = Erneuerbare Energien und Energieeffizienz
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 5
Technisches Potential erneuerbarer Energien global
Quelle: Sterner, 2009
Beispiel Strom Größte Herausforderung von Wind und Solar: Meteorologische Abhängigkeit
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 6
Installierte EE-Leistung übersteigt bald Lastbänder System rotierender Massen à Inverterbasiertes System
Quelle: Trost, 2013 nach BMU Langfristszenarien A, 2012
Ausbau erneuerbarer Stromerzeugung bis 2050
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 7
Wind und Photovoltaik werden zur leitenden Größe à Technologie und Markt danach ausrichten
Nationaler Aktionsplan erneuerbare Energien: 2020 – 39% EE-Anteil
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 8
Wir brauchen Flexibilitäten
1. Hoch flexible Kraftwerke
2. Flexible Verbraucher
3. Stromnetze
4. Speicher
Kurzzeit (Pumpsp., Batterien, Druckluft) Langzeit (Pumpsp., Gasnetz & -speicher)
Wind & Solar schaffen Energiewende nicht alleine
à Power-to-Gas à Gasspeicher Wind Solar
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 9
Ersatz von AKW in Süddeutschland große Herausforderung Kostengünstigste Lösung: Windenergie + Gastechnologien
à Wind fördern, nicht bremsen (Mythen: „Umzingelung“, Rentabilität, Lärm) à Gaskraftwerke / Gasturbinen vorausschauend planen à Kein n-1 Versorgungssicherheitsproblem, wenn Thüringer Brücke nicht kommt
Quelle: ITE, 2012 (Gorshkov, Müller-Kirchenbauer)
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 10
Inhalt
1) Speicher im Kontext Energiewende
2) Speicherbedarf – Ergebnisse VDE Studie
3) Speichertechnologien – Fokus Verteilnetz
4) Ausblick Verkehr – Strombasierte Kraftstoffe - Segelenergie
5) Zusammenfassung
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 11
Überschüsse vorwiegend durch Netz-Engpässe Stromüberschüsse in Deutschland 2010 – 2050
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 12
§ Bilanzierung von Verbrauch & Erzeugung § Kurzzeitspeicher § Langzeitspeicher § Flexible Kraftwerke & KWK § Flexible EE-Erzeugung
(Abregeln, Biogas)
VDE ETG Studie: Energiespeicher für die Energiewende (2012) Fragestellung
Quelle: VDE ETG, 2012
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 13
Annahmen in der Studie Zwei Speicherklassen
Quelle: VDE ETG, 2012; IAEW, 2013
Kurzzeitspeicher z.B. Pumpspeicher, CAES, Batteriespeicher hoher Zykluswirkungsgrad (>75%) geringe Energiedichte
Wirkungsgrad: 80% Energie/Leistung: 5 Wh/W
Langzeitspeicher z.B. Power-to-Gas niedriger Zykluswirkungsgrad (<50%) praktisch unbegrenzter Energieinhalt
Wirkungsgrad: 40% Energie/Leistung: ∞
Modell
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 14
40% EE Speichernutzung Auslastung 600 – 900 h Zyklen 150
Auslastung 100 – 400 h Zyklen 1
Kurzzeitspeicher - Zyklen
Langzeitspeicher - Zyklen
Kurzzeitspeicher
Langzeitspeicher
Entladen
Entladen
Laden
Laden
EE-Abregelung ohne Speicher: 0,11% mit Speicher: 0,01%
Quelle: VDE ETG, 2012
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 15
§ Speicher erhöhen Braunkohleanteil § Speicher verdrängen Gas-KW § Minimaler Nutzen für EE
Veränderung der Stromerzeugung durch Speicherzubau
EE-Anteil: 40 % EE-Anteil: 80 %
-9
-6
-3
0
3
6
9
D-A E-A
nichtabgeregelteEEBiomasse
KWK
Erdgas, Erdöl -45
-30
-15
0
15
30
45
D-A E-A
nichtabgeregelte EEBiomasse
KWK
Erdgas, Erdöl
Steinkohle
TWh TWh
§ Speicher vorwiegend für EE § Speicher ersetzen Gas-KW
Quelle: VDE ETG, 2012; IAEW, 2013
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 16 Quelle: VDE, 2012
Energiewende: Stromgestehungskosten steigen selbst mit Speichereinsatz nur um ca. 10%.
0
20
40
60
80
100
120
2010 40%-‐A 80%-‐E 100%-‐D
Variable Stromgestehungskosten
Investitionskosten Speicher
Investitionskosten Kraftwerke
78€/MWh
79€/MWh
84€/MWh
100 €/MWh
€/MWh
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 17
Gestehungskosten Strom Wind & Sonne gleichauf / am Günstigsten
0
2
4
6
8
10
12
Wind PV Gas & Dampf Steinkohle Kernkraft
Gestehungskosten für neue Kraftwerke in €-ct. / kWh 2013
Source: Agora 2013, EWI 2011 - 2013
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 18
Inhalt
1) Speicher im Kontext Energiewende
2) Speicherbedarf – Ergebnisse VDE Studie
3) Speichertechnologien – Fokus Verteilnetz
4) Ausblick Verkehr – Strombasierte Kraftstoffe - Segelenergie
5) Zusammenfassung
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 19
Speichertechnologien im Vergleich: Kapazität und Reichweite
Quelle: TH Regensburg FENES, 2013
Ausbau- und Innovationsbedarf der elektrischen Verteilnetze für die Energiewende Prof. Dr.-Ing. Christian Rehtanz
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 21 Quelle: A123; NGK Insulators, 2013; TU Dortmund
Netzstabilität
Hausspeicher
Bewährt bei USV Unverzichtbar für die
Elektromobilität Hausspeicher für PV
nur im netzkonformen Betrieb sinnvoll
Als Systemspeicher für Netzstabilität sinnvoll
Speicher je nach Einsatz sinnvoll oder nicht
2030 Varianten für Szenario ‘NEP B 2012‘ für NS-, MS- und HS-Ebene
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 22
Netzstützung durch Primärregelleistung Berlin: Erstmals kommerzieller Einsatz eines BKW in PRL
Quelle: Younicos
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 23
- Größe 5 MW / 5 MWh Batteriepark - Technik Li-Ionen – 20 Jahre Garantie von Samsung - Betreiber Stadtwerk Wemag - Standort Schwerin
- Rendite (IRR) 6,5% - Eigenkapital IRR 17% - Inbetriebnahme Mitte 2014
Primärregelleistung mit Batteriekraftwerk Beispiel Stadtwerke WEMAG & Younicos AG
Quelle: Younicos
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 24
Pumpspeicher Riedl u. a. Etablierte Technologie – Akzeptanz durch Verbindung mit EE
Quelle: RegioWiki
PSW können gute Speicher für erneuerbaren Strom aus der Region für die Region sein Voraussetzung: Betrieb im Takt von Wind und Sonne
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 25
Betriebsweise von Pumpspeichern: Optimierung des Kraftwerksparks (PSW aus)
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 26
Einsatz von Pumpspeichern: Optimierung des Kraftwerksparks (PSW an)
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 27
Power-to-Heat
Für Wind: günstigster Speicher heute & technisch einfach umsetzbar Für Solar: Erhöhung des Eigenverbrauchs, günstige Integration im Haus Nicht gelöst: Rückverstromung & Mobilität à p2g
Quelle: SW Münster, Linz AG, DREWAG
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 28
Entwicklungsschritte Integration EE bis Power-to-Gas
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2000
4000
6000
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10000
12000
14.1 15.1 16.1 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1
Day
Pow
er [M
W]
OnlineForecast D+1Forecast 4HForecast 2H
Numerisches Wettermodell Windleistungsprognose für eine Regelzone
Quelle: Lange / Rohrig, 2008
Wind Power Cluster Management Kombikraftwerk
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 29
Wie speichert die Natur Energie über lange Zeiträume?
Chem. Energie (fossil, bio)
Effizienz: ca. 1%
© IWES, 2010
Energiespeicherung
Kernprozess: 1) Spalten von Wasser 2) H2 reagiert mit CO2
Quelle: Sterner, 2009
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 30
Quelle: Sterner, 2009 Specht et al, 2010
Power-to-Gas Das Original Energiespeicherung durch Kopplung von Strom- und Gasnetz à Technische Nachbildung der Photosynthese
Quelle: Sterner, 2009 Specht et al, 2010
Sterner, M. (2009): Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable energy systems. Limiting global warming by transforming energy systems. Kassel University, Dissertation. http://www.upress.uni-kassel.de/publi/abstract.php?978-3-89958-798-2
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 31
Pilot- & Demoanlagen: Entwicklung in Stuttgart & Kassel
Quelle: Solarfuel, ZSW, IWES 2009 – 2012
2012 250 kW 2009 25 kW
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 32
E-ON Power-to-Gas Falkenhagen 2013 2 MW
Quelle: E-On, 2013
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 33 Source: Enertrag, 2012
Methangas: Audi g-tron Projekt 2013 6,3 MW
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 34
Wind- und Solarkraftstoffe entschärfen Tank-Teller-Konflikt Hektarertrag für regenerativen Kraftstoff in t Benzin-Äquivalente
Quelle: IWES 2011, FNR 2011, DESTATIS 2011
Größter Vorteil von Windkraftstoff: kombinierte Energie- und Landwirtschaft
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 35
Sichere, stabile Energieversorgung möglich durch Koppelung der Energienetze
Quelle: Sterner, 2011
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 36
Inhalt
1) Speicher im Kontext Energiewende
2) Speicherbedarf – Ergebnisse VDE Studie
3) Speichertechnologien – Fokus Verteilnetz
4) Ausblick Verkehr – Strombasierte Kraftstoffe - Segelenergie
5) Zusammenfassung
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 37
Stromwende
Erneuerbare Anteile 2011
Wärmewende
Verkehrswende
?Herausforderungen “Energiewende”
Quelle: BMU, BMWi Statistiken, 2012
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 38
Herausforderung nachhaltige Mobilität / Kraftstoffe
Biomasse - Flächenpotential - Akzeptanz / Nachhaltigkeit
(Tank-Teller)
Elektromobilität - Reichweite - Kosten
Strombasierte Kraftstoffe die Lösung? - Power-to-Gas - Power-to-Liquids
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 39
Herausforderung nachhaltige Mobilität / Kraftstoffe
Biomasse - Flächenpotential - Akzeptanz / Nachhaltigkeit
(Tank-Teller)
Elektromobilität - Reichweite - Kosten
Strombasierte Kraftstoffe die Lösung? - Power-to-Gas - Power-to-Liquids
Gesamtpotential Stromüberschüsse bei 100%: ca. 50 TWh 25 TWh Kraftstoff von heute ca. 700 TWh Bedarf
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 40
Weiterer Ausbau von Wind & Solar: Kernprobleme Fluktuationen & Akzeptanz
Landnutzung begrenzt - Flächenpotential - Akzeptanz - Nachhaltigkeit Meer: größtes Flächenpotential für Erneuerbare - Offshore-Windkraft - Meeresströmungsturbinen
Fluktuationen, Anbindung, Potential }
Follow the wind Grundidee des neuen Konzepts:
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 41
Wie können wir
„dem Wind folgen“?
Bildquelle: Sylvia Riedl, pixelio.de
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 42
Segelenergie: Segeltechnik – ähnlich Windenergie
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 43 Quelle: Sterner, Raith, 2013, www.segelenergie.de
Wind + Wasserkraft + Speicher = Segelenergie Zweck: Dem Wind folgen und Energie ernten
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 44
Segelenergie: Energieschiff mit Flettner-Rotoren
Quelle: Sterner, Raith, 2013, www.segelenergie.de
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 45
Segelenergie: Energieschiff der 2 – 5 MW Klasse
Konstante Ernte von Windenergie Hohe Auslastung der Anlagen
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 46
Segelenergie: Vergleich mit Windkraft an Land Jährliche Erträge 2011
5%-Anteil (34 500 GWh Biokraftstoffe) = 2,4 Mio. ha Energiepflanzen = ca. 90 000 Traktoren im Einsatz = 2 200 Energieschiffe @ 5 MW auf See (hypothetisch)
Welthandelsflotte: 100 000 Schiffe auf 36 000 Mio. Hektar à im Schnitt 1 Schiff auf gut 360 000 ha
Kraftstoff
Quelle: Berechnungen auf Basis v. Stat. des BMU, BMWi, BMELV
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 47
Segelenergie: Potentiale vorhanden
Quelle: www.segelenergie.de auf Basis von www.windatlas.dk
Routenoptimierung: 80% Auslastung (Wind Grundlast) Gestehungskosten H2: ab 16 Cent/kWh - derzeitiger Marktpreis: 33 ct./kWh
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 48
Segelenergie: Routen optimieren Beispiel 3 Monate-Fahrt – insg. 7000 h (80%) Auslastung
Quelle: www.segelenergie.de
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 49
0 1 2 3 4 50
10
20
30
40
50
60
70
80
elekt. Leistung in MW
Kos
ten
inC
ent
kWh
Optimum
Mittel
Segelenergie: Kosten nach Schiffsgröße
Auslastung: 4000-7500 h Invest: 8 – 40 M€ Abschreib.: 15 J. ROI 4%
Wasserstoff
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 50
Zusammenfassung neue Technik „Segelenergie“
Segelenergie Wind-Wasser-Speicher-System
Vorzüge Konstant Wind als Grundlast ernten Kombination bekannter Technologien
Nutzt großes ungenutztes Potential Keine Konkurrenz zu Nahrung / Futter
Kein Einfluss auf das Landschaftsbild Kein „Not in my backyard“
Impuls für den Schiffbau & Green Ships
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 51
Inhalt
1) Speicher im Kontext Energiewende
2) Speicherbedarf – Ergebnisse VDE Studie
3) Speichertechnologien – Fokus Verteilnetz
4) Ausblick Verkehr – Strombasierte Kraftstoffe - Segelenergie
5) Zusammenfassung
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 52
Speicher im Kontext Energiewende Anteil EE 20% 35% 50% 65% 80%
Netze umbauen, Netze ausbauen, Energienetze koppeln
Power-to-Heat für Überschüsse einsetzen
Forschung, Entwicklung, Demoanlagen, Monitoring der Energiewende
Net
ze
Spe
iche
r
Quelle: Sterner, 2012
Kraftwerke flexibilisieren
Erz
eugu
ng
Verb
rauc
h
Nachfrage flexibilisieren, Lastmanagement ausbauen
Pumpspeicher
Power-to-Gas
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 53
Weiterlesen
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 54
Zusammenfassung
n Energiewende möglich– technisch, ökonomisch, ökolog.
n Wind & Solar günstigste Quellen – Bedarf an Ausgleich
n Effizienz & Netzausbau vorrangig zu Speichern
n Neues Marktdesign & Rahmenbd. für Speicher notwendig (Speicher in Verantwortung der Netzbetreiber à weniger Redispatch)
n CO2 Bepreisung als Treiber für Speicher (Kauf: 100 € / t CO2 vs. Entsorgung in der Atmosphäre: 4 € / t CO2)
n Subventionen f. fossile Energie und Atomkraft beseitigen (EU: 100 Bio. €/a für fossil & nuklear vs. 30 Bio. €/a für Erneuerbare)
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 55
Weiterlesen
Ab Anfang 2014
im Springer-Verlag
Sterner · Stadler
Energiespeicher
1
Energiespeicher
Michael SternerIngo Stadler
Bedarf · Technologien · Integration
Prof. Dr. Sterner, HS.R, S. 56
Kontakt
Prof. Dr.-Ing. Michael Sterner Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher (FENES) Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg + 49 – (0) 941 – 943 9888 michael.sterner @ hs-regensburg.de
www.segelenergie.de www.power-to-gas.de
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