Stromspeicherung und Lastverschiebung im Smart Grid Prof. Dr. R. Simon Juni 2012
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Transferstelle für Rationelle und Regenerative Energienutzung Bingen Wissenschaftliche Leitung:
WIR STELLEN UNS VOR… Das Team:
+ ca. 20 Studierende Aushilfen
Prof. Dr. Ralf Simon simon@tsb-energie.de
Hochschullehrer der Fachhochschule Bingen
Wissenschaftlicher Leiter der Transferstelle fĂźr rationelle u. regenerative Energienutzung Wissenschaftlicher Leiter des Institut fĂźr geothermisches Ressourcenmanagement
Energiebeirat des Landes Rheinland – Pfalz zur Beratung der Landesregierung in energiepolitischen Fragen
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Überregionale Lieferung von Regelenergie durch virtuelle Kraftwerke Virtuelles Kraftwerk made in Rheinland-Pfalz Betrieb und Weiterentwicklung von diversen virtuellen Kraftwerken in Deutschland Systembereitsteller
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gefördert vom Ministerium für Umwelt, Forsten u. Verbraucherschutz (MUFV), Rheinland-Pfalz
Randbedingungen einer zuk체nftigen Energiewirtschaft Methoden der Stromspeicherung
Bedeutung des Smart Grid / Virtuellen Kraftwerks und Entwicklung von Gesch채ftsmodellen
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Bruttostromerzeugung aus erneuerbaren Energien und Strombedarf in Deutschland bis 2050
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Quelle: Schmid J., IWES Kassel Jun. 2010
Nutzenergiebereitstellung f체r W채rme aus erneuerbaren Energien in Deutschland bis 2050
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Quelle: Schmid J., IWES Kassel Jun. 2010
Herausforderung: Regelfähigkeit und Stromspeicherung Residuale Last = Last minus ungesteuerte EE- Einspeisung minus ungesteuerte KWK - Einspeisung
Abweichungen zwischen Windstromprognose und tatsächlicher Windstromerzeugung u. U. hohe Gradienten der Laständerung unterschiedlich lange Phasen des Überschusses bzw. des Mangels Bildquelle: BMU Leitstudie 2050; EE – Anteil 78%
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Herausforderung: Regelfähigkeit und Stromspeicherung Residuale Last = Last minus ungesteuerte EE- Einspeisung minus ungesteuerte KWK - Einspeisung
Zukünftige residuale Last verlangt Stromspeicher verschiedenster Art
Bildquelle: BMU Leitstudie 2050; EE – Anteil 78%
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Speicher notwendig, um o Frequenz im Übertragungsnetz zu stabilisieren o Spannung im Verteilnetz zu garantieren Dezentrale Speicher brauchen eine Einbindung in ein smart Grid / virtuelles Kraftwerk
Fl채chendeckende Abschaltungen von Windkraftanlagen finden heute schon statt.
Abschaltungen in 2010 11
Quelle: neue energie, November 2011
Randbedingungen einer zuk체nftigen Energiewirtschaft Methoden der Stromspeicherung
Bedeutung des Smart Grid / Virtuellen Kraftwerks und Entwicklung von Gesch채ftsmodellen
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Stromspeicher 1 – Batterie bzw. Akkumulator Batterie als Stromspeicher z. Z. teuer Zukunftsthema
bei der Geschwindigkeit des Ausbaus der fluktuierenden EE muss die Geschwindigkeit der Batterieentwicklung deutlich erhöht werden
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Stromspeicher 1 – Batterie bzw. Akkumulator Viele verschiedene Möglichkeiten vorhanden: Nickel-Cadmium, Nickel-Metallhydrid, Lithium-Ionen, Polysulfid-Bromid, Vanadium Redox Flow, Zink-Bromid, Natrium-Schwefel zu beachtende Kriterien: Energiedichte, Zyklenlebensdauer, Ressourcenverfügbarkeit, Umweltverträglichkeit, Kosten großer Vorteil:
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können in der Spannungshaltung (kleinere Anlagen) und in der Frequenzstabilisierung (größere Anlagen) und in der Elektromobilität eingesetzt werden
Stromspeicher 1 – Batterie bzw. Akkumulator LESSy (Lithium-ElektrizitätsSpeicher-System) +/- 1 MW; 700 kWh Opel Deis, 2012
10 - 15 kW; 100 kWh 6 MW; 46 MWh NGK 15
200 kW; 400 kWh Gildemeister
Stromspeicher 1 – Batterie bzw. Akkumulator Wh/l
400
Li-Metall
300
Li-Ion Ni-MH
200
NAS
Ni-Cd 100 Pb
0
50
100
150 Wh/kg
Energiedichte von Batterien H. Pütter, 2007 16
Stromspeicher 1 – Batterie bzw. Akkumulator
reine Speicherkosten
Quelle: VDE-Studie „Energiespeicher in Stromversorgungssystemen mit hohem Anteil erneuerbarer Energieträger 17
Stromspeicher 2 - Pumpspeicherkraftwerk Pumpspeicherkraftwerke bewährte Technik der zentral versorgten Stromwelt. keine dezentrale Lösung, nur im Sinne der Frequenzhaltung einsetzbar. Keine Spannungssteuerung im Verteilnetz möglich lange Bauzeiten, hohe Startinvestitionen wenig geeignete Möglichkeiten kurzzeitiger Speicher
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Stromspeicher 2 - Pumpspeicherkraftwerk Pumpspeicher in Deutschland
vorhandene Leistung:
~7 GW
in Planung bzw. in Bau: 2,4 GW Zusatzpotential: 3,5 GW
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Stromspeicher 2 - Pumpspeicherkraftwerk auch mit dezentralem Charakter möglich Ausnutzen von Höhenunterschieden, die sehr oft vorkommen Wettbewerb kreativer Ideen notwendig Pumpen-Turbinen Technik der KSB, Frankenthal
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Stromspeicher 2 - Pumpspeicherkraftwerk auch mit dezentralem Charakter möglich Nutzung vorhandener, nicht mehr benötigter Strukturen mit geringer Veränderung des Landschaftsbildes Nutzung von Gruben
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Stromspeicher 2 - Pumpspeicherkraftwerk auch mit dezentralem Charakter mÜglich Projekt Gaildorf Windleistung: 18 MW Turbinenleistung: 12 MW Speicherkapazität: 70 MWh
Quelle: Naturstromspeicher Gaildorf GmbH & Co. KG 22
Stromspeicher 3 – Wasserstoff und Methanisierung Hohes Potential, Im MegaWatt – Bereich als Prototyp im Aufbau, als Langzeitspeicher geeignet.
Erhöhung des Wirkungsgrads notwendig
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Bildquelle, JUWI bzw. Specht, ZSW 2009
Stromspeicher 3 – Wasserstoff
Quelle: T. Smolinka, FH ISE, 2012 24
Stromspeicher 3 – Wasserstoff Grenzen der H2 – Zumischung nach DVGW Regelwerken
Quelle: F. Graf, KIT, 2012 25
Stromspeicher 3 – Wasserstoff
Quelle: F. Graf, KIT, 2012 26
Stromspeicher 3 – Wasserstoff
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Versorgungsnetze
Stromspeicher 4 – virtueller Stromspeicher
KWK
Speicher Elektrolyse + Sabatier EHeizer, WP
Industrie/Gewerbe
Wärme
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Speicher
Gas Strom
Speicher Druckluft
Kälte
Produktion
Speicher
Speicher
Speicher
unvollständige Darstellung
Stromspeicher 4 – virtueller Stromspeicher Ausnutzen vorhandener Strukturen, wie KWK, Laststeuerung1, industrielle Kältespeicher, industrielle Druckluftspeicher2, elektrische Wärmeerzeuger wie Wärmepumpe, Elektroheizer mit Speicher
Win-Win-Situation zwischen Verteilnetzbetreiber und ansässiger Industrie / Gewerbe Symbiose zwischen Versorger und Industrie zum optimierten Netzmanagement
1: kommt aus dem Energiemanagementsystem, das z. Z. in vielen Firmen eingeführt wird 2: z. Z. werden Druckluftspeicher, Druckluftnetze während der Produktion genutzt. Warum sollten nicht während Phasen des Stromüberschusses nutzbar sein? Gleiches gilt für Kältespeicher 30
Stromspeicher 4 – virtueller Stromspeicher Schmid J.:
Benötigte Speicherleistung in 2050 im Bereich 50 GW Leistung1
Klobasa M.: Potential im Sektor Industrie
2,8 GW
Potential im Sektor Gewerbe/Handel
10,3 GW
Potential im Sektor Haushalt
20,6 GW
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Zur Einordnung: Potential in der Industrie entspricht dem kompletten Bedarf an Regelenergie im Bereich der Minutenreserve
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Dezentrale Energieversorgung und Speichertechnologien, Beirat WIE Okt. 2011 2 Klobasa M.: Dynamische Simulation eines Lastmanagements … Dissertation ETH Zürich, 2007 31
Schmid J.:
Gesetzliche Rahmenbedinungen
Einführung von Energiemanagementsystemen Ziel:
Realisieren der umfangreichen Effizienzverbesserungspotenziale in der Industrie • Ab 2013 werden Steuerermäßigungen im Bereich der Energie- und Stromsteuern mit einem nachweisbaren Beitrag zur Energieeinsparung gekoppelt. • Effizienzpotenziale sollen sichtbar gemacht werden. DIN EN ISO 50001 Energiekonzept der Bundesregierung, verabschiedet im Bundestag und Bundesrat am 28.09.2010
weitere Informationen unter: www.iso-50001.de
Gesetzliche Rahmenbedinungen
Einführung von Energiemanagementsystemen Ziel:
Realisieren der umfangreichen Effizienzverbesserungspotenziale in der Industrie 1. Referentenentwurf des BMF zu den energiesteuerlichen Entlastungen vorgestellt am 2. Energiesteuer•tagAb 2013 werden Steuerermäßigungen im vom 25.11.2011 Bereich der Energie- und Stromsteuern mit Eckpunkte: einem nachweisbaren Beitrag zur Energieeinsparung gekoppelt. Stufe 1 ab 2013: Start der Einführung von EnMS als Voraussetzung für Entlastungen. Abschluss bis •spätestens Effizienzpotenziale Ende 2014sollen sichtbar gemacht werden. Stufe 2 ab 2015: Erreichen von konkreten Einsparzielen der Unternehmen (0,9 % bei Energieerzeug DIN EN 16001 bzw. ISO 50001 nissen, 1,3% bei Strom) z. Z. in Ressortabstimmung. Abschluss des GesetzEnergiekonzept der Bundesregierung, verabschiedet im gebungsverfahrens vor parlamentarischer SommerBundestag pause 2012und Bundesrat am 28.09.2010
weitere Informationen unter: www.iso-50001.de
Randbedingungen einer zuk체nftigen Energiewirtschaft Methoden der Stromspeicherung
Bedeutung des Smart Grid / Virtuellen Kraftwerks und Entwicklung von Gesch채ftsmodellen
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Definition des virtuellen Kraftwerkes
virtuelles Kraftwerk = dezentrale Energiestationen + zentrale Ansteuerung
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Markt: EPEX – Stundenkontrakte dargestellt: Mittelwert der Preise fßr jede Stunde des Tages in 2011
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Markt: EPEX – Stundenkontrakte
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Markt: EPEX – Stundenkontrakte
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Positive Minutenreserve – Ausschreibungsergebnisse 2011
Leistungspreis: mittleres Ergebnis: für die Bereitstellung von Leistung wird im Jahresmittel ein Betrag von 2.751 €/MW a gezahlt
Arbeitspreis: mittleres Ergebnis: für erzeugten Strom wird im Jahresmittel ein Betrag von 365 €/MWh gezahlt
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www.energycontrol24.de
Negative Minutenreserve – Ausschreibungsergebnisse 2011
Leistungspreis: mittleres Ergebnis: für die Bereitstellung von Leistung wird im Jahresmittel ein Betrag von 37.034 €/MW a gezahlt
Arbeitspreis: mittleres Ergebnis: für aufgenommenen bzw. nicht erzeugten Strom wird im Jahresmittel ein Betrag von 75,3 €/MWh gezahlt
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www.energycontrol24.de
Positive Minutenreserve – Optimierung der Handelsstrategie
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www.energycontrol24.de
Negative Minutenreserve – Optimierung der Handelsstrategie
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www.energycontrol24.de
Stromnebenkosten Nebenkosten
€/MWh
Windpark direkt angebunden an Speicher
Stromlieferung über Netz an Speicher
EEG- Umlage
35,92
keine (1)
keine (1)
Stromsteuer
20,50
keine
keine
Netznutzung
ca. 15,00
keine
keine (2)
Konzession
1,10
keine
keine
KWK
0,30
keine
keine
(1) geplante Änderung des EEG, Clearingstelle EEG, April 2012 (2) Befreiung für 20 Jahre; ENWG Juli 2011 §118 Abs. 6, Nr 1
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Schaltvariante BHKW mit beheiztem Speicher: Stromnetz
Aufbau (Normalbetrieb)
Pufferspeicher Elektro-Erhitzer
BHKW Erdgas
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W채rme
W채rme
W채rmeverbraucher
Schaltvariante BHKW mit beheiztem Speicher: Stromnetz
Aufbau (Abruf Regelleistung)
Pufferspeicher Elektro-Erhitzer
BHKW Erdgas
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W채rme
W채rme
W채rmeverbraucher
Wärmepumpe in Gewerbe / Verwaltung / Krankenhaus, usw. Simulationsergebnisse Marktstrategie des Händlers: Arbeitspreis nach Gebotsoptimierung wählen, um hohe Jahreseinnahmen zu erzielen Leistungspreis so wählen, dass Pool in Vorhaltung
Betriebskosten in €/a Kosten Strombezug Einnahmen virtuelles Kraftwerk Betriebskosten Aufschlüsselung der Einnahmen Einnahmen MR Leistungspreis eingesparte Stromkosten MR Arbeitspreis Gesamt 47
35.369 -20.023 15.346 -15.991 -428 -3.604 -20.023
Zusammenfassung im zukünftigen Energiemix wächst die Bedeutung für das Thema Stromspeicherung Zunahme des Bedarfs an Regelenergie Volkswirtschaftlich ist es sinnvoll, die kostenarme Produktion von überschüssigem Windstrom zu reduzieren Aufbau von elektrischen Stromspeichern bzw. Möglichkeiten der Lastverschiebung notwendig. Erst die Integration in ein virtuelles Kraftwerk bewirkt einen Beitrag zur Netzstabilität
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Vielen Dank fĂźr Ihre Aufmerksamkeit
zum Schluss noch ein Hinweis ‌
Kontakt
Prof. Dr. Ralf Simon Transferstelle Bingen Am Langenstein 21 55411 Bingen
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simon@tsb-energie.de