Beschreibung
Die weltweite Energienachfrage ist in den letzten zehn Jahren stark angestiegen. Gründe dafür sind unter anderem das Wirtschaftswachstum, das Bevölkerungswachstum und die Industrialisierung der Entwicklungsländer. Dieser Energiebedarf sollte so stabil und nachhaltig wie möglich und mit erneuerbaren Energien gedeckt werden(Proton OnSite, 2016). Die variable Stromerzeugung ist ein häufiges Phänomen beim Umgang mit erneuerbaren Ressourcen wie Wind und Sonne. So kann es zu einer Diskrepanz zwischen der erzeugten Energie und den Verbrauchsmustern kommen, was dazu führt, dass die Energie nicht unbedingt zu dem Zeitpunkt erzeugt wird, zu dem sie benötigt wird. Außerdem wird die Energie aufgrund der dezentralen und weit verbreiteten Energieerzeugung durch erneuerbare Quellen nicht unbedingt dort erzeugt, wo sie auch nachgefragt wird. Speicherkapazitäten entkoppeln Energieerzeugung und -verbrauch und können somit zum Ausgleich des Systems beitragen, indem sie Energie, die derzeit verfügbar ist, aber nicht benötigt wird, für eine spätere Verwendung speichern(Distributed Control Methods and Cyber Security Issues in Microgrids, 2020).
Zu lösende Probleme
Indirekt durch verstärkte Integration erneuerbarer Energien:
Energieerzeugung aus fossilen Brennstoffen | Kohlenstoffemissionen | Beeinträchtigung der Luftqualität | Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen |
Unmittelbar durch Speicherlösungen:
Spannungs- und Frequenzregulierung | Instabilität der Netze | Geografische Ungleichgewichte | Spitzenlastabdeckung | Effizienz der erneuerbaren Energien | Nutzungsgrad der erneuerbaren Erzeugung |
Vorteile
Das Hauptziel von Energiespeichersystemen ist es, die Nutzung von erneuerbaren Energien zu erleichtern. Es spart Energie und gleicht dadurch Unterschiede in der Erzeugungs- und Verbrauchszeit aus. Während einige Vorteile bereits mit einer Basisimplementierung der Lösung erfüllt werden können, hängt die Erfüllung der potenziellen Vorteile von den in einem spezifischen Projekt implementierten Funktionen ab.
Wichtigste Vorteile
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Verbesserung der Effizienz der Energienutzung
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Erhöhter PV-Eigenverbrauch
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Senkung der Nachfragegebühren
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Effiziente Integration von erneuerbaren Energien
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Reservestrom
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Angemessenheit der Ressourcen
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Reduzierung des Verbrauchs von Fossilien
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Steigender Anteil erneuerbarer Energien
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Zunehmende Energie-Autarkie
Potenzielle Vorteile
Reduzierung der Energiekosten
Verbessert die Netzstabilität
Reduzierung der lokalen Luftverschmutzung
Erschließung neuer Geschäftsmöglichkeiten
Verbesserung der Lebensqualität
Funktionen
Funktionen helfen Ihnen zu verstehen, was die Produkte für Sie tun können und welche Ihnen helfen werden, Ihre Ziele zu erreichen.
Jede Lösung hat mindestens eine Hauptfunktion, die zum Erreichen des grundlegenden Zwecks der Lösung erforderlich ist, und mehrere Zusatzfunktionen, die hinzugefügt werden können, um zusätzliche Vorteile zu bieten.
Hauptfunktionen
Störung energy
Thermische oder elektrische Speicher für die spätere Nutzung
Entkoppelung demand from production
Ausreichende Speicherkapazität für Spitzenverschiebungen
Management of energy
Fähigkeit zum bedarfs- und produktionsgerechten Energiemanagement
Zusatzfunktionen
Visualisierung energy consumption
Anzeige des Energiebedarfs der versorgten Anlage
Stabilisierung of microgrid
Gegen erhöhte Spannungs- und Frequenzschwankungen und veränderte Stromflussmuster
Kontrolle of energy market participation
Akute Kontrolle für Zeiträume mit niedrigen und hohen Marktpreisen
Varianten
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Energiespeichersysteme zu klassifizieren, um Vergleichbarkeit zu schaffen. Die bekanntesten sind Klassifizierungen nach physikalischen, energetischen, zeitlichen, räumlichen und wirtschaftlichen Eigenschaften. Die energetische Klassifizierung unterscheidet in die übergeordneten Kategorien Leistung und Energie, die zeitliche in kurz- und langfristig, die räumliche in zentral, dezentral, stationär und mobil, die wirtschaftliche in Märkte, Kapitalkosten und Betriebskosten. Aufgrund der Popularität, der hohen Anzahl von Kategorien und des technischen Verständnisses werden die verschiedenen Speichersysteme physikalisch-energetisch klassifiziert und erklärt.(Sterner, Stadtler, 2017)
Beschreibung
Mechanische Speichersysteme nutzen die Energie, die ein Medium aufgrund seiner Lage (Potenzial), seiner Geschwindigkeit (Kinematik) oder seines thermodynamischen Zustands (Druck) besitzt. Sie sind hauptsächlich sekundäre Energieträger.
Speichertechnologien:
- Pumpspeicherkraftwerke
- Druckluftspeicherung
- Schwungrad-Energiespeicher
(Sterner, Stadtler, 2017)
Beschreibung
Da die Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen am wirtschaftlichsten ist, wenn sie in Form von Elektrizität verwendet wird, ist die elektrische Speicherung eine naheliegende Option. Der Vorteil liegt darin, dass elektrische Energie nicht in andere Energieformen umgewandelt werden muss und somit teilweise hohe Umwandlungsverluste vermieden werden können. Dem steht der Nachteil der extrem geringen Energiedichten in Bezug auf Volumen und Gewicht gegenüber - und die exorbitant hohen Kosten (Sterner, Stadtler, 2017Aus diesem Grund ist ihr Einsatz derzeit nur auf Nischenanwendungen beschränkt. (Kurzweil, Dietlmeier, 2015)
Kondensatoren werden zur dezentralen Kurzschlussstromversorgung und für Anwendungen mit höchsten Anforderungen an die Reaktionszeit (z.B. Spannungsqualität) eingesetzt.
Speichertechnologien:
- Kondensatoren und Spulen
- Magnetische Supraleiter-Energiespeicher
- Superkondensator-Energiespeicher
Unterstützende lokale Faktore
Kurz- und langfristige Speicherung
- Vorhandensein von Anlagen zur kohlenstoffarmen Energieerzeugung.
- Zusammen mit anderen Erzeugungsanlagen (PV und Wind)
Beschreibung
Elektrochemische Speichersysteme bestehen aus Elektroden, die chemisch miteinander verbunden sind. Die elektrische Energie wird durch chemische Reaktionen beim Laden und Entladen übertragen. Es gibt elektrochemische Systeme, die nur entladen werden können. Diese werden als Primärbatterien bezeichnet. Systeme, die wiederholt geladen und entladen werden können, werden als Sekundärbatterien (Akkumulatoren) bezeichnet. Bei chemischen Speichern hingegen handelt es sich um stoffliche Energiequellen wie Kohlenwasserstoffe oder energietragende Stoffe. Die Energie kann in gasförmigen Medien (Wasserstoff, Biogas), flüssigen Medien (Kraftstoffe wie Ethylen, Methanol) oder in festen Medien (Biomasse, Kohle) gespeichert werden. Die Ladeprozesse finden in der Natur statt (Photosynthese) oder werden technisch umgesetzt (Strom zu Gas, Strom zu Flüssigkeit). Die Entladung erfolgt durch Verbrennungsprozesse oder Umwandlung von thermischer in mechanische oder elektrische Energie.
Funktion: Chemische Speicher fungieren als Langzeitspeicher für den Stromsektor, aber auch als Kraftstofflieferant für Mobilität und Wärme.
Speichertechnologien:
Batteriespeichersysteme:
- Niedertemperatur-Batterien (Blei-Säure-Batterie, Nickel-Batterien, Lithium-Batterien)
- Hochtemperaturbatterien (Natrium-Schwefel-Batterien)
- Batterien mit externer Speicherung (Redox-Flow-Batterien)
Chemische Lagerung:
- Konventionelle chemische Lagerung (Rohöl, Flüssiggas)
- Biokraftstoffe (Bioethanol)
- Power-to-Gas (Wasserstoffspeicher, Methanspeicher)
(Sterner, Stadtler, 2017)
Anwendungsfälle
Energiespeicheranlagen
Energiespeichersystem mit Li-Ion-Batterien, das bidirektionale Flexibilität bietet. Es ist für den dynamischen Zyklus gedacht.
Wiederverwendung von EV-Batterien zur Energiespeicherung
Lösungen für die Wiederverwendung der relativ schnell abbauenden, aber wertvollen Batterien von Elektrofahrzeugen. EV-Taxis des privaten Unternehmens OU Takso in Tartu werden teilweise mit erneuerbarer Energie aufgeladen, die vor Ort mit PV-Paneelen erzeugt und in gebrauchten EV-Batterien gespeichert wird, um die Ausbeute der Batterien zu verbessern.
Intelligente Energie und autarker Block
Der intelligente und energieautarke Block zielt darauf ab, den Stromverbrauch in den Gebäuden des Tertiärbereichs durch erneuerbare Energien, insbesondere Photovoltaik, zu senken.
Beschreibung
Es gibt drei Haupttypen von thermischen Energiespeichersystemen - sensible, latente und thermochemische. Während die sensible Energiespeicherung durch eine Temperaturänderung funktioniert, funktioniert die latente Energiespeicherung aufgrund einer Phasenänderung des verwendeten Materials. Bei thermochemischen Speichern wird eine chemische Reaktion mit hohem Energieaufwand zur Energiespeicherung genutzt. Sensible thermische Speicher haben einen hohen Entwicklungsstand, aber eine niedrige Energiedichte und thermochemische Speicher umgekehrt. Die Latentspeicherung liegt bei beiden Parametern in der Mitte.
Speichertechnologien:
Sensiblethermische Speicherung
Latente Wärmespeicherung
- Flüssig fest
- Flüssig gasförmig
- Fest-fest
Thermochemische Wärmespeicherung
- Sorption
- Chemisch reversibel
Die in der Netzflexibilitätslösung erwähnte Speicherlösung Salzschmelze fällt in die Kategorie der sensiblen Wärmespeicher.
Funktion:
Sensible Wärmespeicher fungieren als kurzzeitige bis saisonale Speicher, vom Niedertemperaturniveau für die Brauchwassererwärmung bis zur Hochtemperaturspeicherung in der Stromerzeugung (Salzschmelze für solarthermische Kraftwerke), mobilen und stationären Anwendungen.
(Sterner & Stadler, 2017)
Stadtkontext
The composition of the electricity price can influence the economic performance of an energy storage system. Legal regulations have a huge influence and can promote or inhibit storage systems in countries, regions, and cities. Since electricity storage is mainly related to renewable energies, a proximity to a renewable energy plant ensures a holistic approach to maximise emission savings within the drawn boundaries. For example, the electricity generated by a wind turbine or photovoltaic system can be stored in a storage system.
Unterstützende Faktoren
- Prevalence of local renewable energy sources (wind/solar/CHP operated with renewable energies)
- Grid modernisation, such as the transition to smart grids, helps to integrate electricity storage systems
- Local regulations that support energy storage systems (see Government Initiatives)
Regierungsinitiativen
The economic performance of many generation and storage technologies strongly depends on the regulatory framework, especially with regards to taxes and levies. Climate policy and CO2 price implications have the potential to clearly push low carbon emission technologies. Then, the allowance price is added to the variable costs of each fossil-based technologies. For example, many countries in Europe have a carbon tax. Portugal, Sweden, Spain and Poland are just a few examples (taxfoundation, 2020). There have been several EU initiatives on batteries, such as Batteries Europe, SET Plan action, BRIDGE projects on batteries or the BATSTORM project (European Commission, 2020). Most countries in the EU do not have a specific support mechanism for energy storage systems. However, some countries do. In Germany, for example, there is a subsidy program for distributing battery storage systems. It aims to ensure that solar PV systems have a greater benefit to the overall system by smoothing their export. While some energy storage solutions are commercially viable without subsidies, larger infrastructure-heavy projects, such as larger-scale pumped storage plants, currently struggle to attract investment due to the high revenue risk (cms, 2018).
Stakeholder Mapping
Stakeholder Map Energy Storage
Stakeholder Map of an energy storage system (BABLE, 2021)
Marktpotenzial
There are many projections for the future energy storage market. Some of these differ significantly, but one statement can be found in all projections: the energy storage market will grow. A study by Deloitte identifies various drivers for this growth:
- Decreasing costs for storage technologies
- Improving performance
- Grid modernisation and grid complexity will increase
- More renewable energies will be installed (regional to global)
- Participation of storage systems in wholesale electricity markets
- Financial incentives that support the use of storage technologies will be put in place
- Low or declining feed-in-tariffs (FITs) for renewables rise incentives for self-consumption of produced electricity
- Rising desire for self-sufficiency (energy autarchy), resilience or independence among consumers
- National regulations and policies promoting storage solutions to tackle specific challenges as e.g. import dependency, fill gaps in generation mix, move toward environmental goals and de-carbonisation targets
- Energy storage will also likely benefit from broad policy mandates linked to urbanisation and quality-of-life goals in developing nations
(deloitte, 2018)
In 2019, the global demand for energy storage systems amounted to 194.32 GW (Region, And Segment Forecasts, 2020). According to Bloomberg NEF, the energy storage market will cumulatively grow to 943 GW or 2,857 GWh by 2040. From 2018 to 2040, $620 billion will be invested in energy storage. By 2040, energy storage is expected to grow to account for 7% of total global installed electricity capacity. Initially, much electricity storage will be installed behind the meter, but by the mid-2030s, the majority of storage is expected to be in the utility-scale sector. The development of the market in the individual countries can be seen in the following figure (BloomberggNEF, 2018).
Figure: Projected global cumulative storage deployment by country 2018-2030 (deloitte, 2018)
Kostenstruktur
The costs for storage capacities are crucial for an energy system based on significant shares of renewable energy. The figure below presents an overview with specific prices per kWh for various electricity storage technologies in recent years. This incorporates battery systems, power to X technologies (electrolysis in brown colour), and pumps storage plants (pumped hydro in yellow colour) as the currently most utilised solution. The dependency between price and cumulative installed capacity is shown on the horizontal axes. Thus, a correlation between the installed capacity and cost reductions can be observed.
Figure: Experience curves for the costs and cumulative installed capacities of different electrical storage technologies (Schmidt, Hawkes, Gambhir, & Staffell, 2017)
In addition to the historic reduction of specific costs of electrical storage capacities, further cost reductions are expected. Studies project that Levelised Cost of Storages (LCoS) will reduce at least by one-third to one-half by 2030 and 2050. Moreover, it is expected that lithium ion likely to become most cost efficient for nearly all stationary battery applications from 2030 (ScienceDirect, 2019). The effect of cost reductions is not solely caused by economy of scale but also by the maturity-level of the technologies. A projection about the development of LCoS is given in the following figure.
Figure: Projected future costs of electrical storage technologies (Schmidt, Hawkes, Gambhir, & Staffell, 2017)
Betriebsmodelle
Operating model of an energy storage system (BABLE, 2021)
Rechtliche Anforderungen
EU level
France (norton rose fullbright, 2019)
- Energy Transition Law: sets ambitious 2030 targets for renewable energy in France, energy storage as a necessity to achieve environmental policy objectives
Netherlands (norton rose fullbright, 2019)
- Dutch Climate Act
- Climate Accord
Die Entwicklung dieser Lösung wurde mit EU-Mitteln unterstützt.
Anwendungsfälle
Wiederverwendung von EV-Batterien zur Energiespeicherung
Lösungen für die Wiederverwendung der relativ schnell abbauenden, aber wertvollen Batterien von Elektrofahrzeugen. EV-Taxis des privaten Unternehmens OU Takso in Tartu werden teilweise mit erneuerbarer Energie aufgeladen, die vor Ort mit PV-Paneelen erzeugt und in gebrauchten EV-Batterien gespeichert wird, um die Ausbeute der Batterien zu verbessern.
Intelligente Energie und autarker Block
Der intelligente und energieautarke Block zielt darauf ab, den Stromverbrauch in den Gebäuden des Tertiärbereichs durch erneuerbare Energien, insbesondere Photovoltaik, zu senken.
Energiespeicheranlagen
Energiespeichersystem mit Li-Ion-Batterien, das bidirektionale Flexibilität bietet. Es ist für den dynamischen Zyklus gedacht.
Energiegemeinschaften mit Agro-Photovoltaik-Projekten
Die Bürger sind an der Definition des tatsächlichen Bedarfs und der am besten geeigneten Lösungen für die Energiegemeinschaft beteiligt. Sie beteiligen sich auch an der Gestaltung der Energiegemeinschaft als Ganzes (Rechtsform, Struktur, Organisation, Betriebsregeln und Governance) und an der Verwaltung der Entscheidungen.
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