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Technologien zur Energiespeicherung im Stromnetz

Daniel Chartouni, ABB Schweiz, Forschungszentrum SES Tagung Bern, 27. Nov. 2012

© ABB Switzerland Ltd, Corporate Research November 27, 2012 | Slide 1


Die nächsten 30 Minuten

§  Überblick über die Anwendungen – weshalb Energiespeicherung?

§  Technologien – wie kann man Energie speichern? §  Pumpspeicher

§  Batterien

§  Adiabatischer Druckluftspeicher

§  Elektro-thermischer Speicher

§  Schlussfolgerungen

Herausforderungen moderner Stromnetze Was kann Technologie beitragen?

Treiber Zu lösende Probleme Technologien

Weit entfernte Erzeugung Energietransport; Netzkapazität; …

Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ); >2 GW Übertragung; FACTS; …

Dezentrale Erzeugung Bi-direktionales Verteilnetz …

Steuerung und Schutz für Verteilnetze

Volatilität der Erzeugung Energiespeicher …

Elektrisch: Pumpspeicher, Batterien; Thermo-elektrische Speicher; E-Autos (?)

Volatilität der Erzeugung Flexibles Lastmanagement …

Smart Grid (active demand); Flexibilisierung der Produktion

Wachsender Energiebedarf Energieeffizienz …

Netzeffizienz; Industrielle Energieeffizienz; …

…

GW – Giga Watt, FACTS – flexible alternating current transmission system

Speicherung grosser Energiemengen

Unterstation/Einspeiser Netzunterstützung

Energiemanagement beim Endverbraucher

ESS

Integration erneuerbarer Energien 1-100 MW, 10h

ESS

Begrenzung der Spitzenlast

0.5-10 MW, 1h

220 kV

110 kV 20 kV Netzwerkring

20 kV

Zentrale Produktion

Verteilte Produktion

220 kV Hochspannungsleitung

Lastausgleich Auf Produktions- seite 100 MW, 4h

ESS

110 kV

Anwendungen von Energiespeichersystemen

Schwer- industrie

Last

20 kV

ESS Reserve

Bei Leitungsausfall 10-100 MW, 0.25-1 h

Lastausgleich Zur Verzögerung der Leitungs-Investitionen 1-10 MW, 6h

ESS

ESS Frequenz- regulierung 1-50 MW, 0.25-1h


Technologien zur Energiespeicherung

Batterien Wasserstoff

Supra- leitung (SMES)

Kondensator Supercaps

Pump- speicher

Druckluft (CAES)

Schwungrad

Vanadium ZnBr

Elektro-lyseur & Brenn-stoffzelle

Bleisäure Ni-Cd NaS Lithium Metall-

Luft

Durchfluss Zellen

Adiabatischer CAES

Druck

Druck Wärme

Gravitation

Kinetisch

Elektrisch

Magnetisch

Mechanisch Thermo-dynamisch

Elektro- magnetisch

Elektrochemisch

Thermo-elektrisch

Wärme

Power zu Gas


Energiespeicherung im Stromnetz (2012)

127’000 MW

Natrium-Schwefelbatterien, 316 MW

Druckluftspeicher, 440 MW

Lithium-Ionenbatterien, 88 MW

Bleisäurebatterien, 50 MW

Schwungräder, 25 MW

Redox Durchflussbatterien, 5 MW

Über 99% der gesamten Speicherkapazität

Quelle: Fraunhofer Institut, EPRI, , Pr. Nat. Sci. 19 (Chen et.al), ABB

Pumpspeicher


Pumpspeicher: Die dominierende Technologie

§  Speicherung der Gravitationsenergie §  Etablierte und effiziente Technologie

§  Häufigste Anwendung (2012): Lastmanagement auf Produktionsseite

§  In Konkurrenz mit Gaskraftwerken

Eigenschaften der Pumpspeicher Wirkungsgrad 80%

Dauer der Einspeisung Stunden (bis Tage)

Leistung 10 MW bis 1 GW

Kapitalkosten (500 MW Anlage)

1500-2000 $/kW (Erweiterung 650-850 $/kW)

Grösster Nachteil Geografisch limitiert

Unteres Reservoir

Elektro-mechanische

Maschinen

Oberes Reservoir

1060 MW, 8 h PHS Goldisthal (D)


Batterien für verteilte Energiespeicherung

§  Speicherung in Form von chemischer Energie, viele verschiedene Batterietypen

§  Hohe Energie- und Leistungsdichte

§  Schnelle Reaktions- und Umschaltfähigkeit (zwischen Laden und Entladen)

§  Trend: Kontainer-Lösungen

34 MW, 245 MWh Natrium-Schwefel (NaS) Installation für 51 MW Windfarm (Japan) Typische Batteriespeicher-Eigenschaften

Wirkungsgrad 80%

Dauer der Einspeisung 1 - 10 Stunden

Leistung 1 - 50 MW


2500 $/kW

Grösster Nachteil Lineare Skalierung (keine “economy of size”)


Topologie von Batteriespeichersystemen (BESS)

DC

AC Bat

terie

U

UPCS

AC Netz

UAC

Umrichter Transformator +

-


Integration von Erneuerbaren: Sicherung der Kapazität


Futamata 51 MW Windanlage mit 34 MW Natrium-Schwefel-Batterien, am Netz seit 2008, Japan Wind Development Co.

§  Gleichzeitige Speicherung von Druck (komprimierte Luft) und Wärme

§  Vorteil: Keine Verbrennung von Erdgas (im Gegensatz zu bisherigen Druckluft-Speicher)

§  Umweltfreundlich

Adiabatischer Druckluftspeicher - Eigenschaften Wirkungsgrad Ziel: 70%

Dauer der Einspeisung Tage

Leistung 50 - 500 MW


Ziel: ≈1500 $/kW

Grösster Nachteil Geografisch gebunden


Zukünftige Alternative für die Integration von Erneuerbaren: Adiabatischer Druckluftspeicher

ADELE Projekt: 90 MW, 4h Demonstrator in Strassfurt (D) mit RWE, GE, Züblin und DLR Quelle: www.rwe.com,

Zukünftige Alternative für die Integration von Erneuerbaren: Elektro-thermischer Energiespeicher

Wärme Elektrizität

Wärme-pumpe

Wärme-speicher

Wärme-kraftmaschine

Elektrizität

Geografisch unabhängiges Speichersystem mit einer kommerziellen Zielgrösse von 50-100 MW, 6 h Speicherkapazität und 65% Wirkungsgrad


Elektro-Thermischer Energiespeicher – ETES

§  Speicherung von Elektrizität in Form von Wärme

§  Neuartige ABB-eigene Technologie für geografisch unabhängige Speicherung

§  Basiert auf Wasser als Speichermedium

§  Umweltfreundlich

ETES Eigenschaften Wirkungsgrad Ziel: 65%

Dauer der Einspeisung Stunden bis Tage

Leistung 5 - 500 MW


Ziel: ≈1500 $/kW

Grösster Nachteil Technologie noch nicht ausgereift

ETES Ladeprozess ETES Entladesprozess





ESS


ESS


0.5-10 MW, 1h

220 kV


20 kV

Zentrale Produktion




ESS

110 kV


Schwer- industrie

Last

20 kV

ESS Reserve



ESS



Frequenzregulierung

Das Gleichgewicht zwischen Stromverbrauch und Erzeugung muss immer gewährleistet sein.

Dies wird erreicht durch Reserveleistung, mit welcher auf Änderungen in der Netzfrequenz reagiert werden kann.


Li-ion Batterie Energiespeichersystem

1 MW (15 min) Pilotprojekt, Netzbetreiber: EKZ, Schweiz, Sonntags-Zeitung, 18. März 2012 © ABB Switzerland Ltd, Corporate Research November 27, 2012 | Slide 16




ESS


ESS


0.5-10 MW, 1h

220 kV


20 kV

Zentrale Produktion




ESS

110 kV


Schwer- industrie

Last

20 kV

ESS Reserve



ESS



Technische Reife


Endanschluss- und Verbraucher-Energiemanagement

Grossspeicherung

In E

ntw

ickl

ung

E

ntw

icke

lt

A

usge

reift

Pumpspeicher und BESS sind heutzutage die dominierenden Technologielösungen © ABB Switzerland Ltd, Corporate Research November 27, 2012 | Slide 18

Grossspeicherung Unterstation/Einspeiser Netzunterstützung

Endanschluss- und Verbraucher- Energiemanagement

Zykl

en-W

irkun

gsgr

ad [%

]

Der Zyklen-Wirkungsgrad hat einen grossen Einfluss auf die Kundenakzeptanz sowie auf die Kosten der gespeicherten Elektrizität

Elektrischer Gesamtwirkungsgrad


Energiespeicherung im Stromnetz Zusammenfassung

§  Speichersysteme erlangen immer grössere Bedeutung §  Integration von erneuerbaren Energien

§  Netzqualität und Versorgungssicherheit

§  Vermeidung von Netzausbauten

§  Verschiedene Speichertechnologien decken die Bedürfnisse ab

§  Pumpspeicher im Übertragungsnetz

§  Batteriespeicher im Verteilnetz §  Lithium-Ionen (kurze Entladezeit, > 1h) §  Bleisäure (mittlere Entladezeit) §  Natrium-Schwefel (lange Entladezeit, 5-8 h)

§  Zukünftige Energiespeicher dürften thermodynamische Technologien beinhalten

§  (Adiabatische) Druckluftspeicher

§  Elektro-thermische Energiespeicher

Date post:	19-Mar-2019
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