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Elektrischer Speicher
BMWi
Elektrochemischer Energiespeicher 31.12.2015

Die Abbildung zeigt die Probleme im elektrischen Netz ohne den Einsatz von Speichern.
© Tanja Kneiske/Fraunhofer IWES, 2013

Das Potenzial elektrochemischer Speicher

Wie können elektrochemische Energiespeicher Stromnetze stabiler, sicher und wirtschaftlicher machen? Um das herauszufinden, analysieren Wissenschaftler die technischen und wirtschaftlichen Aspekte für den Einsatz dieser Systeme.

Projektstatus Projekt fertiggestellt
Projektlaufzeit November 2012 bis Dezember 2015

Ziel des Projekts „Potenziale elektrochemischer Speicher in elektrischen Netzen in Konkurrenz zu anderen Technologien und Systemlösungen“ – kurz ESPEN – ist die Entwicklung von Handlungsempfehlungen zum Einsatz von elektrochemischen Speichern und deren Weiterentwicklung, sodass diese das zukünftige Energieversorgungssystem optimal unterstützen können. Zu diesem Zweck werden die Potenziale verschiedener elektrochemischer Speichertechnologien in Bezug auf ihren Beitrag zur Wirtschaftlichkeit, Stabilität und Sicherheit der zukünftigen Stromversorgung in Deutschland untersucht. Weiterhin werden alternative Speichertechnologien, wie zum Beispiel Pumpwasser- oder Druckluftspeicher sowie stoffliche Speicher, und Systemlösungen, wie etwa Möglichkeiten des Lastmanagements und des Netzausbaus betrachtet, um Anwendungsbereiche zu identifizieren, in denen elektrochemische Speicher wirtschaftlich und technisch besonders geeignet sind.

  • Die Abbildung zeigt die Probleme im elektrischen Netz ohne den Einsatz von Speichern. © Tanja Kneiske/Fraunhofer IWES, 2013
  • Die Abbildung zeigt eine entsprechende Verbesserung der Situation mit dem Einsatz von verteilten Speichern. © Tanja Kneiske/Fraunhofer IWES, 2013

Das Energieversorgungssystem aus verschiedenen Blickwinkeln

Die Wissenschaftler betrachten die Integration von elektrochemischen Speichern in das zukünftige elektrische Energieversorgungssystem unter verschiedenen Aspekten. Zum einen untersuchen sie technische Fragestellungen. So ermitteln sie beispielsweise die zu erwartenden Belastungsprofile in den Mittel- und Niederspannungsnetzen und deren Auswirkungen auf die Lebensdauer der eingesetzten Speicher und analysieren die möglichen Regelungs- und Kommunikationskonzepte. Auch die technischen Alternativen zum Einsatz von elektrochemischen Speichern stehen im Fokus. Je nach Anwendungsfall können sich diese technisch, oder auch wirtschaftlich als überlegen erweisen.
Weiterhin werden auch nicht-technische Themen bearbeitet. Dazu zählen neben der Untersuchung der möglichen volks- und betriebswirtschaftlichen Auswirkungen des Einsatzes von Speichern auch die Analyse und Bewertung der geltenden technischen und rechtlichen Richtlinien, die eine Teilnahme kleinerer Speichereinheiten am Energiemarkt hemmen beziehungsweise begünstigen können.

Untersuchungen bis Herbst 2015

Zu Beginn des Projekts werden hauptsächlich die Arbeitspakete 1 und 2, die sich mit der Definition der zu untersuchenden elektrischen Netze beschäftigen bearbeitet. Nach dem ersten Projektjahr werden Referenznetze zur Verfügung stehen, mit deren Hilfe im Anschluss die Anforderungen an verschiedenen Speichertechnologien ermittelt werden.
Die Betrachtung der rechtlichen und regulatorischen Rahmenbedingungen wird vornehmlich im dritten Projektjahr erfolgen. Ebenfalls werden zum Ende der Projektlaufzeit aus den Anforderungen an Speichern Handlungsempfehlungen für die Weiterentwicklung und den Einsatz von Speichersystemen erarbeitet.

Das Verbundprojekt ist auf drei Jahre (November 2012 bis Oktober 2015) angelegt und wird durch das Energie-Forschungszentrum Niedersachsen (EFZN) in Goslar koordiniert. Am Projekt sind Arbeitsgruppen der nachfolgend aufgeführten Institute beteiligt: Energie-Forschungszentrum Niedersachsen (EFZN) - Institut für Elektrische Energietechnik (TU Clausthal), Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES), Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE), Technische Universität München (TUM) - Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik (EES), Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg (OvGU) - Lehrstuhl Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen (LENA), Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (RWTH Aachen) - Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) - Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik, Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) - Fachgebiet Elektrochemische Akkumulatoren (ECA). Die am Projekt beteiligten Personen beziehungsweise Organisatoren sind Mitglied der Interessengemeinschaft für Batterien in elektrischen Netzen (IBN e. V.).

Teilprojekte

Arbeitspaket 1: Beschreibung von Referenznetzen

In diesem Arbeitspaket werden Referenznetze (Mittel- und Niederspannungsnetze) für die verschiedenen Anwendungsszenarien für elektrochemische Speicher erstellt. Es werden sowohl Netzstrukturen mit vornehmlich zentraler, als auch solche mit hauptsächlich dezentralen Erzeugungsanlagen betrachtet. Weiterhin werden quantifizierbare Zielvorgaben für den Einsatz von Speichern für die vier definierten Anwendungsfälle - Speicher zur Spannungsstabilisierung in Mittel- und Niederspannungsnetzen, Speicher zur Überbrückung begrenzter Einspeisung aus erneuerbaren Quellen, Leistungsspeicher zur Sicherstellung des globalen Energiegleichgewichts und der Frequenzstabilität und Energiespeicher bei Netzüberlastung - in Netzen erarbeitet.

Arbeitspaket 2: Benötigte Speicherkapazität auf den unterschiedlichen Netzebenen und technisch-wirtschaftliche Anforderungen an Speicher

Aufbauend auf den Ergebnissen aus Arbeitspaket 1 werden detailliertere Anwendungsszenarien für den Speichereinsatz innerhalb der vier vorgegebenen Bereiche definiert und sowohl qualitativ als auch quantitativ bewertet, um die technisch und wirtschaftlich beste Lösung zu erarbeiten.

Arbeitspaket 3: Alternative und ergänzende Lösungen zum Einsatz von Energiespeichern

In diesem Arbeitspaket werden mögliche Alternativen des Speichereinsatzes, wie der konventionelle Netzausbau, Konzepte des Lastmanagements sowie der Einsatz von Spitzenlastkraftwerken und Zusatzlasten, betrachtet, und die jeweiligen Kosten und Auswirkungen auf die Netzqualität und die Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit der Versorgung analysiert. Weiterhin werden gesellschaftliche und volkswirtschaftliche Aspekte betrachtet, mit dem Ziel Anwendungsgebiete zu identifizieren, in denen elektrochemische Speicher den betrachteten Alternativen überlegen sind.

Arbeitspaket 4: Charakterisierung, Auswahl und Tests von elektrochemischen Energiespeichern

In diesem Arbeitspaket werden die bisher wenig bekannten Auswirkungen dynamischer Belastungen von Speichern mit hohen Strömen und vergleichsweise geringen Ladezustandsänderungen untersucht. Die dafür notwendigen Lastkollektive werden aus den Ergebnissen des Arbeitspaketes 2 mittels verschiedener Methoden ermittelt.

Arbeitspaket 5: Nutzung von Energiespeichern im Netz, die für andere Anwendungen vorgesehen sind

In diesem Arbeitspaket wird die Nutzung von Energiespeichern, die eigentlich nicht zur energiewirtschaftlichen Nutzung vorgesehen sind, untersucht. Dazu zählen Energiespeicher in USV-Anlagen für Telekommunikationsanlagen und Rechenzentren, Notbeleuchtungsanlagen und abgesicherte Schaltanlagen in Mittel- und Hochspannungsnetzen. Im Wesentlichen soll betrachtet werden, welche Auswirkungen eine zusätzliche Nutzung dieser Energiespeicher für energiewirtschaftliche Zwecke für die Versorgung der besonders abgesicherten Verbraucher bedeuten würde.

Arbeitspaket 6: Lebenszyklus-Kostenberechnung für Energiespeichersysteme

Die Berechnung von Lebenszykluskosten von Energiespeichern muss anhand von umfangreichen Technologieparametersätzen und konkreten Belastungsfällen durchgeführt werden. Die benötigten Parameter werden in den Arbeitspaketen 2, 4 und 5 ermittelt, die dynamischen Belastungsprofile stammen aus Arbeitspaket 2. Ziel dieses Arbeitspaketes ist es, die im Projekt gewonnenen Parametersätze zusammenzuführen und ein Berechnungstool zu entwickeln, das unter Berücksichtigung der oben genannten Parameter und Eingangsgrößen die Energiedurchsatzkosten für einen optimal dimensionierten Energiespeicher der jeweiligen Technologie berechnet.

Arbeitspaket 7: Regelung der Energiespeicher, Aktivierung und Überwachung

In diesem Arbeitspaket werden folgende Aspekte der definierten Anwendungsfälle für elektrochemische Speicher betrachtet. Zunächst werden die Möglichkeiten und Grenzen der Netzstabilisierung mittels Energiespeichern und Lasten, die lediglich in Abhängigkeit der Netzgrößen Frequenz und Spannungen betrieben werden, analysiert. Weiterhin muss sichergestellt werden, dass zu jedem Zeitpunkt eine ausreichend große Zahl von Energiespeichern mit entsprechend großer Aufnahme- und Abgabekapazität für Energie zur Verfügung steht. Schließlich werden verschiedene Regelkonzepte hinsichtlich des Erreichens der in Arbeitspaket 1 festgelegten Ziele untersucht.

Arbeitspaket 8: Rolle und Wert von Kommunikationssystemen zur Überwachung und zum Einsatz von Speichern

Zur Sicherstellung der Netzstabilität müssen dezentral vorhandene Energiespeicher auch bei Ausfall von Kommunikationssystemen in der Lage sein, einen Beitrag zur Stabilität und Versorgungssicherheit zu liefern. Für die Optimierung des Gesamtsystems sind aber Kommunikationssysteme sinnvoll und notwendig. Aufgabe dieses Arbeitspaketes ist, den Zusatzwert von Kommunikationssystemen unterschiedlicher Art (zum Beispiel bidirektional, hinsichtlich der Übertragungsrate und der Häufigkeit des Informationsaustauschs, etc.) zu beschreiben und gegen die dadurch verursachten Mehrkosten abzuwägen. Inhalt dieses Arbeitspaketes ist ebenfalls die Untersuchung, ob die Kommunikationssysteme, die für die in Arbeitspaket 7 festgelegten Regekonzepte benötigt werden, umgesetzt und gegebenenfalls für andere Leistungen genutzt werden können.

Arbeitspaket 9: Rechtliche Rahmenbedingungen bei Bereitstellung von Speicherkapazität durch kleine, dezentral im Netz vorhandene Energiespeicher

Ziel des Arbeitspakets ist die Erarbeitung von Adaptionsmöglichkeiten bestehender rechtlicher Rahmenbedingungen auf den Betrieb kleiner Speicheranlagen. Darüber hinaus erfolgt eine Lokalisierung des Erweiterungsbedarfs, bezüglich bestehender Regularien, welcher in konkrete Erweiterungsempfehlungen, zwecks Anpassung der rechtlichen Rahmenbedingungen überführt wird.

Arbeitspaket 10: Akzeptanzproblematik bei Bereitstellung von Speicherkapazität durch kleine, dezentral im Netz vorhandene Energiespeicher und dezentrales Lastmanagement

In diesem Arbeitspakets wird untersucht, mit welchen technischen Mitteln und welchen Vergütungen - Struktur und Höhe - die Akzeptanz dezentraler Speichereinheiten mit zentraler Steuerung durch die Energieversorgungsunternehmen beziehungsweise Netzbetreiber herstellbar ist beziehungsweise welche Sanktionen bei Nichteinhaltung der vereinbarten Vorgehensweise beide Seiten tragen müssen. Ziel ist es, anhand von Konzepten für Lebenszyklusanalysen, Umgang mit Gefahren, Wirtschaftlichkeit und möglichen Betreibermodellen zu erarbeiten, wie das Potential dezentraler Speicher in privaten Haushalten oder Industrieunternehmen möglichst vollständig erschlossen werden kann.

Arbeitspaket 11: Dissemination der Ergebnisse und Schaffung eines Konsenses mit der Energiewirtschaft

Die Umsetzbarkeit der Ergebnisse hängt entscheidend davon ab, dass die Ergebnisse offen kommuniziert werden und mit Industrieunternehmen, vor allem Energieversorgungsunternehmen und Netzbetreibern, sowie politischen Akteuren intensiv diskutiert werden. Es werden deshalb eine Serie von offenen Veranstaltungen zu verschiedenen Themen durchgeführt werden. Die thematische Ausrichtung wird sich dabei an den vier beschriebenen Anwendungsbereichen orientieren, sowie an den im Arbeitspaket 1 festgelegten quantitativen Zielen. Weiterhin wird ein projektbegleitender Ausschuss gebildet, um die Unternehmen in die aktive Diskussion einzubinden, um einen möglichst breiten Konsens herbeizuführen beziehungsweise unterschiedliche Ansichten deutlich herauszuarbeiten.