Strom speichern Perspektiven für die Wind

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Kompetenzzentrum Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie
University of Applied Sciences
Strom speichern
Perspektiven für die Wind-Energie
7. eco forum, Rendsburg, 18. Juni 2009
Speichermedien – die Herausforderung zur
sicheren Versorgung durch EE-Strom
Dr.-Ing. Roland Hamelmann, FH Lübeck
• eco-forum 090618
Gefördert durch
Europäischen Sozialfonds /
Land Schleswig-Holstein
Gliederung (1)
• Motivation
(Versorgung durch EE-Strom)
• Ansatz
(Speichermedien / Stromspeicher)
• Beispiele
(Dimensionen)
• Resümee
Gefördert durch
EE-Strom
Windkraftanlage
Kraftwerk
Leistungsdichte
Dezentral [MW/km²]
Zentral [GW/km²]
Investition
1.000 ... 2.000 €/kW 800 ... 1.200 €/kW
Verfügbarkeit
20 ... 40 %
45 ... 98 %
RB Leistung
PW = cp*ρ*ARot*½*c³
P = f(T,p)
(konst. Primärenergiedargebot)
Optik
Gefördert durch
Stromnetz
Pmin.
Pmax.
2006
[MW]
4.068
[MW]
6.343
2.275
2015
3.950
9.965
6.015
Jahr
ΔP
[MW]
Gefördert durch
Motivation
Fluktuierende Windstromeinspeisung führt zu
erhöhter Dynamik konventioneller Kraftwerke
Windkraftcharakteristik 2006
(e.on-Regelzone, onshore)
7000
Leistung [MW]
6000
e.on-Regelzone 22.10.2006
14000
WK Einspeisung
Netzlast
12000
5000
4000
3000
2000
1000
0
1.1
Netzlast [MW]
10000
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
Zeit
1.8
1.9
1.10
1.11 1.12
8000
4,73
GW
6000
4000
5,00
GW
6,39
GW
5,18
GW
10,47
GW
2000
0
00:00
03:00
06:00
09:00
12:00
15:00
18:00
21:00
Daten: www.eon-netz.com
Gefördert durch
Entwicklung Offshore
Nordsee
Pilot- / Ausbauph.
Genehmigt
2,2 / 10,3 GW
+ beantragt
... / 3,1 GW
Spanne (Δ P) fluktuierenden EE-Stroms steigt
 Stromspeicher zum Ausgleich (3 TWh nach dena II)
Gefördert durch
Gliederung (2)
• Motivation
• Ansatz
• Beispiele
(Dimensionen)
• Resümee
Gefördert durch
Prinzipien
Speicher ...
... art
... beschreibung
SMES
Elektrisch
E = ½*L*I²
*η(w)
3 ...15
Kondensator
Elektrisch
E = ½*C*U²
*η(w)
0,1 ... 0,3
Schwungrad
Mechanisch
E = ½*Jx*ω²
*η(w)
Batterie
Chemisch
E = Q*UZ
Pumpspeicher
Mechanisch
E = V*ρ*g*h
Druckluft
Mechanisch
E = V*cv*(T/v)NTP*(r-r1/κ) *η(w)
Wasserstoff
Chemisch
E = p*V/(R*T)*Hi
... dichte [kWh/m²]
*η(w)
*η(w)
*η(w)
50 ... 100
30 ... 100
0,2 ... 1,2
1 ... 12
10 ... 220
Gefördert durch
Ansatz Pumpspeicher
Quelle: http://tuuwi.wcms-file2.tu-dresden.de/download/urv/ws0809/hightech/Energiespeicherung.pdf
Gefördert durch
Ansatz Druckluftspeicher
Quelle: http://tuuwi.wcms-file2.tu-dresden.de/download/urv/ws0809/hightech/Energiespeicherung.pdf
Gefördert durch
Ansatz Wasserstofftechnik
Verstromung
in zentralem
Kraftwerk
Handel
Energie
Management
System
Vorzugsweise
Einspeisung
Stromnetz
O2
H2
Elektrolyse
H2-Speicher
Chemische
Nutzung
Mobilität
BHKW
Gefördert durch
Speicheroption Salz
• Salzkavernen mit V = 300.000 ... 750.000 m³
Nutzvolumen sind in Norddeutschland herstellbar
• Nutzbares Druckspiel hängt von Teufe ab
(bspw. p = 60 ... 180 bar bei 1.000 m)
• Eignung von Salzkavernen für H2-Speicherung
nachgewiesen (Teesside/UK, Texas/USA)
Bilder: KBB Underground Technologies GmbH
Gefördert durch
Gliederung (3)
• Motivation
• Ansatz
• Beispiele
(Dimensionen)
• Resümee
Gefördert durch
Speicherkapazität S-H
Ansatz: Speicher soll ausreichend Kapazität haben für
 4 (bzw. 14) Tage Überbrückung der
 „Windgrundlast“ von 20% der
 in 2015 voraussichtlich installierten Leistung.
Kapazität: 20% * 6.015 MW * 96 h (bzw. 336 h) =
a) 115,5 GWh
b) 402,2 GWh
Gefördert durch
Maßstäbe
Druckluftspeicher
Huntorf
Pumpspeicher
Goldisthal
Quelle: www.thema-energie.de
Quelle: www.zueblin.de
„H2-Speicher
Huntorf“
Quelle: www.vde.com
V = 0,3 Mio m³
V = 13,5 Mio m³
V = 0,3 Mio m³
p = 50-70 bar
H = ca. 300 m
p = 60 bar
ENutz = 580 MWh
ENutz = 8.480 MWh
ENutz = 16.733 MWh
(14,94 Mio Nm³ H2, η = 40%,
Hs = 3,00 kWh/Nm³)
Gefördert durch
Dimensionen
Szenario
a) 4 Tage
( 96 h)
199
14
7
b) 14 Tage
(336 h)
697
48
24
Gefördert durch
Wirkung 20-30-50
6796
100%
6116
90%
5437
80%
4757
70%
4078
60%
3398
50%
2718
40%
2039
30%
1359
20%
680
10%
31.12
3.12
5.11
8.10
10.9
13.8
16.7
18.6
21.5
23.4
26.3
26.2
0%
29.1
0
1.1
Eingespeiste Windleistung [MW]
Windstrom 2006 (eon-Regelzone)
Kappung
( 101 GWh = 0,8 %)
Elektrolyse
( 1.083 GWh = 8,3 %)
( ≅ 531 VBh)
Einspeisung
(11.801 GWh = 90,9 %)
( ≅ 3.473 VBh)
( ≅ 1.911 VBh
ohne Speicher)
Gefördert durch
Wirkung 20-40-40
6796
100%
6116
90%
5437
80%
4757
70%
4078
60%
3398
50%
2718
40%
2039
30%
1359
20%
680
10%
Kappung
( 101 GWh = 0,8 %)
Elektrolyse
( 1.954 GWh = 15,0 %)
( ≅ 719 VBh)
Einspeisung
(10.930 GWh = 84,2 %)
( ≅ 4.021 VBh)
31.12
3.12
5.11
8.10
10.9
13.8
16.7
18.6
21.5
23.4
26.3
26.2
0%
29.1
0
1.1
Gefördert durch
Wirkung 20-50-30
6796
100%
6116
90%
5437
80%
4757
70%
4078
60%
3398
50%
2718
40%
2039
30%
1359
20%
680
10%
31.12
3.12
5.11
8.10
10.9
13.8
16.7
18.6
21.5
23.4
26.3
26.2
0%
29.1
0
1.1
Kappung
( 101 GWh = 0,8 %)
Elektrolyse
(3.236 GWh = 24,9 %)
( ≅ 952 VBh)
Einspeisung
(9.647 GWh = 74,3 %)
( ≅ 4.731 VBh)
Gefördert durch
Wirkung 30-40-30
6796
100%
6116
90%
5437
80%
4757
70%
4078
60%
3398
50%
2718
40%
2039
30%
1359
20%
680
10%
31.12
3.12
5.11
8.10
10.9
13.8
16.7
18.6
21.5
23.4
26.3
26.2
0%
29.1
0
1.1
Kappung
( 299 GWh = 2,3 %)
Elektrolyse
(3.037 GWh = 23,4 %)
( ≅ 1.117 VBh)
Einspeisung
(9.647 GWh = 74,3 %)
( ≅ 4.731 VBh)
Gefördert durch
Wirkung 30-50-20
6796
100%
6116
90%
5437
80%
4757
70%
4078
60%
3398
50%
2718
40%
2039
30%
1359
20%
680
10%
31.12
3.12
5.11
8.10
10.9
13.8
16.7
18.6
21.5
23.4
26.3
26.2
0%
29.1
0
1.1
Kappung
( 299 GWh = 2,3 %)
Elektrolyse
(4.935 GWh = 38,0 %)
( ≅ 1.452 VBh)
Einspeisung
(7.749 GWh = 59,7 %)
( ≅ 5.702 VBh)
Gefördert durch
Wirkung (Übersicht)
Leistungsbezogene Szenarien Energienutzungsgrad
(ηSpeicher = 25%)
Kappung
Speicher
Einspeisung
Einspeisung bzw. Gesamt
20 %
30 %
50 %
90,9 % bzw. 93,0 %
20 %
40 %
40 %
84,2 % bzw. 87,9 %
20 %
50 %
30 %
74,3 % bzw. 80,5 %
30 %
40 %
30 %
74,3 % bzw. 80,1 %
30 %
50 %
20 %
59,7 % bzw. 69,2 %
Gefördert durch
Nutzungsszenarien
Verstromung
in zentralem
Kraftwerk
Handel
Energie
Management
System
Vorzugsweise
Einspeisung
Stromnetz
O2
H2
Elektrolyse
H2-Speicher
Chemische
Nutzung
Mobilität
BHKW
Gefördert durch
Bsp. mobile Nutzung
GM Chevrolet Equinox
MAN ARGEMUC
www.h2cars.de
www.h2cars.de
20-30-50:
20-40-40:
20-50-30:
30-40-30:
30-50-20:
80.000 PKW
144.000 PKW
239.000 PKW
224.000 PKW
364.000 PKW
@ 20.000 km/a, 1,4 kg H2 / 100 km
20-30-50:
20-40-40:
20-50-30:
30-40-30:
30-50-20:
1.923 Busse
3.466 Busse
5.741 Busse
5.388 Busse
8.755 Busse
@ 90.000 km/a, 13 kg H2 / 100 km
Gefördert durch
Bsp. Stationäre Nutzung
Option Beifeuerung
www.sps-magazin .de
Option BHKW
www.sokratherm.de
Mikro-BHKW
www.otag.de
76 MW
137 MW
226 MW
212 MW
345 MW
265 x 200kW
477 x 200kW
790 x 200kW
741 x 200kW
1.205 x 200kW
15.800 x 2kW
28.430 x 2kW
47.080 x 2kW
44.200 x 2kW
71.800 x 2kW
@ 4.000 h/a, ηel= 40 %
@ 5.000 h/a, ηel= 35 %
@ 6.000 h/a, ηel= 25 %
20-30-50:
20-40-40:
20-50-30:
30-40-30:
30-50-20:
Gefördert durch
Gliederung (4)
• Motivation
• Ansatz
• Beispiele
(Dimensionen)
• Resümee
Gefördert durch
Zusammenfassung
1. Mit der Entwicklung der Windkraftnutzung sollten
verstärkt Stromspeicher ins Netz integriert werden
2. Mit Speichern hoher Kapazität wird die Windstromleistung bei hoher Energienutzung markant gesenkt
3. Unter den Großstromspeichern ist Wasserstoff der
Pfad mit der (mit Abstand) höchsten Speicherkapazität
4. Wasserstofftechniken sind geeignet, um die
aufkommende Windstromproblematik zu entschärfen
5. Die Wasserstoffnutzung kann mobil und/oder stationär
auf (konkurrierenden) Pfaden erfolgen
6. Stromspeicher werden als Kombination der
Technologien besonders interessant!
Gefördert durch
Zum Schluß ...
... vielen Dank!
Gefördert durch
Koordinaten und Details
Kontakt
Fachhochschule Lübeck
- Dr.-Ing. R. Hamelmann Mönkhofer Weg 239
D - 23562 Lübeck
T ++49 - 451 - 300 – 5507
F ++49 - 451 - 300 – 5567
E [email protected]
Details
„Studie zur Dämpfung der Netzbelastung durch Wasserstoffsysteme“
Abrufbar unter http://www.kwb-sh.de/downloads
Gefördert durch
Ansatz Elektromobilität
„Können Batterie- und Hybrid-Fahrzeuge im Verbund als
Stromspeicher im Netzmaßstab dienen?“
Beispielrechnung
• 1.000.000 Fahrzeuge (20 kWh / 100 km)
• 10 kWh netzverfügbar (25 ... 50 %)
Speicherkapazität 10 GWh
x 10 =
6
Netzrelevant, aber nicht ausreichend für Windstromszenarien!
Gefördert durch

Strom speichern Perspektiven für die Wind

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