Das Energiesystem im Umbruch - Speichertechnologien für die Welt von morgen - Dr. W. Weydanz, Technologiezentrum Energie Ruhstorf (TZE), 23. April ...
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Dr. W. Weydanz, Technologiezentrum Energie Ruhstorf (TZE), 23. April 2015 Das Energiesystem im Umbruch – Speichertechnologien für die Welt von morgen Unrestricted / © Siemens AG 2014. All Rights Reserved. siemens.com/answers
Vortag Energiespeicherung Motivation – Energiespeicherung Das Zusammenwachsen der Energienetze Elektrochemische Speichersysteme für stationäre Anwendungen Elektrochemische Speichersysteme für mobile Anwendungen Zusammenfassung und Ausblick Unrestricted / © Siemens AG 2015. All Rights Reserved.
Motivation - Energiespeicherung
Klassifizierung der Speicherformen
Chemische Wärme- Mechanische Elektrische
Energie Energie Energie Energie
Chem. Speicher Wärmespeicher Mech. Speicher Elektr. Speicher
• Wasserstoff • kaltes / warmes • Pumpspeicher • Doppelschicht-
• Methanol Wasser • Druckluftspeicher Kondensatoren DLC
• Methan • Dampf (CAES) • Batterien
• Geschmolz. Salze • Schwungrad Lithium-Ionen
• Biomasse
Redox-Flow
… • Phasenwechsel-Material ...
Blei-Säure
• Trinkwasser (PCM)
NiMH …
• lagerbare Produkte • Beton / Boden • Supral. Magnete
...
Seite 3 April 2015 Corporate Technology, UNRESTRICTED © Siemens AG, Corporate Technology
Zusammenwachsen – Multimodale Energiesysteme:
Das elektrische und das Gasnetz wachsen zusammen
Power Grid Gas Grid
Power to Gas
Gas to Power
He
at p P
um CH
p
Heat Storage
Electrochemical Gas Storage
Storage
CHP: Combined
Demand heat and power
Seite 4 April 2015 Corporate Technology, UNRESTRICTED © Siemens AG, Corporate Technology
Energiespeicher decken verschiedene Anwendungen
in Bezug auf Leistung und Kapazität ab
Wind Wind Electricity to
Turbine off-shore Chemical storage
Medium
Light Train
PV Farm
H2 / SNG Energy
eCar Power buffer Reserve
Days
Electricity to
HEV
Thermal storage Time
Redox-Flow-Batteries
CAES Pumped Shift
Hours
Hydro
Thermal storage
Batteries
for CSP
Minutes
Thermal Storage
Operating Reserve
Chemical Storage
Flywheel
Storage Electrochemical Storage
Power Quality
Mechanical Storage
Super
Seconds
capacitor Electrical Storage
SMES
Proposed Application
CAES: Compressed Air Energy Storage
SMES: Super-Magentic Energy Storage
1 kW 10 kW 100 kW 1 MW 10 MW 100 MW 1.000 MW
SNG: Synthetic Natural Gas
Source: Study of DNK/WEC “Energie für Deutschland 2011” H2: Hydrogen (Elektrolysis)
HEV: Hybrid Electric Vehicle
Page 5 Corporate Technology Restricted © Siemens AG 2015. All rights reserved
Vortag Energiespeicherung Motivation – Energiespeicherung Das Zusammenwachsen der Energienetze Elektrochemische Speichersysteme für stationäre Anwendungen Elektrochemische Speichersysteme für mobile Anwendungen Zusammenfassung und Ausblick Unrestricted / © Siemens AG 2015. All Rights Reserved.
Smart Grid:
Multi-modale Energiesysteme und Speicherung - Power to Gas
Stromerzeugung Umwandlung & Speicherung Nutzung
Direkte Nutzung
Photovoltaik
H2 Verkehr
H2 Treibstoff
PEM-Elektrolyse NG Treibstoff
M3 Benzin
H2 Speicher
H2
Windkraft Fluktuierend
Stromerzeugung
Wieder-
SOE Q verstromung
Einspeisung in NG Netz CH4
GuD-Turbine
CH4
Biogas-KW H2 H2
Netz
Industrie
CO2 Nutzung Nutzung von H2
CO2
CH3OH Industrie
Fossiles KW Stationär
CO2
SOE: Solid Oxide Electrolyzer (Horizont ~2020)
Stationär Treibstoffersatz M3 Benzin: mit 3% Methanol-Zusatz
Seite 7 April 2015 Corporate Technology, UNRESTRICTED © Siemens AG, Corporate Technology
Energiespeicherung
Wasserstoff-Elektrolyse aus überschüssigem Strom
§ PEM-Elektrolyseur als Schlüsselkomponente im Projekt
CO2RRECT (Umwandlung von CO2
mit H2 zu Methan), gefördert vom BMBF
§ “Power to Gas” – chemische Energiespeicherung mit
Wasserstoff aus überschüssiger regenerativer Energie
§ Design und Konstruktion eines Container-basierten Prototypen
des PEM-Elektrolyseurs
§ Projektpartner: RWE, Bayer (Technology Services, Bayer
Material Sciences), und Siemens I DT LD HY
§ Installation beim Kunden (RWE)
Installation des PEM-Elektrolyseurs bei RWE in Niederaußem
Technische Daten
• Nenn- / Spitzenleistung: 100 kWel / 300 kWel
• Startzeit: 10 min (Kaltstart),
Vortag Energiespeicherung Motivation – Energiespeicherung Das Zusammenwachsen der Energienetze Elektrochemische Speichersysteme für stationäre Anwendungen Elektrochemische Speichersysteme für mobile Anwendungen Zusammenfassung und Ausblick Unrestricted / © Siemens AG 2015. All Rights Reserved.
The complete picture:
Energy System of the Future is smart and multimodal
Water Water Transport
Production
Pumping Station Water Tanks
Smart Building
Gas Private Wind or Solar
w/ heat pump & thermal
Supplier Gas Transport storage
Gas Station
Water Distribution
Biomass Gas Distribution
Microgrid
C(C)HP** Heater, Chiller Controller
Power to gas (liquid, Heat Station District
chemical) heating Microgrid
cooling
Offshore Wind Park Industry Engine
Generator
Storage District heating with C(C)HP**
Storage Fuel cell
cooling
Thermal Solutions
Pumped Storage
Hydro
Onshore Electrical Vehicle
Wind Infrastructure
Onshore Wind Park
Network Control
Center Controllable LV transformer
Large Scale
PV Plant
Fossil Power Plant
Nanogrid
Power Station Power Station Power Station
within Building
(e.g. DC grid
Bulk Generation Transmission Distribution & DER* Customer and Industry in Data Center)
Smart Meter Power AC Heat / Cold
Energy Management System (Production
Smart Energy Agent Power DC
Plant) Gas * Distributed Energy Resources
Multimodal Access Point Water supply ** Combined (Cooling) Heat & Power
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Building Energy Management SystemShift in power production leads to challenges in ensuring grid stability Unrestricted / © Siemens AG 2015. All Rights Reserved.
Application example: Peak load management
Avoidance of incremental cost due to production peaks
Challenges
§ Need of continuous available power
(Industry, network operators…)
§ Volatile load curve (production peaks, time shifting…)
§ Need to prevent expensive peak loads
Charging (required by the supplying utility)
Off peak hour § Limits of the power capacity
(regulation of permitted peak loads)
Solution and benefits
§ Avoiding of the major surcharge for peak power
(batch processing)
§ Contract of power supply with lower feedback rates
Discharging § Protection of the components (transformers, cables…)
Peak hour and related cost saving
§ Availability of power supply 24/7 for continuous
operation
Unrestricted / © Siemens AG 2015. All Rights Reserved.Application example: T&D deferral (grid relief)
Avoidance of the capacity extension of the grid by buffering power
P max /
P rated
Challenges
Excess
1,2
of energy § Volatile infeed from PV or wind generation
1
Rated power
§ Overload capacity of the power plants at certain times
of T&D system
§ Lost of power generated by PV or wind power plant
0,5
§ Grid components are not designed for distributed
Time generation: Grid capacity extension is necessary
shifting
0
8:00 12:00 16:00 18:00
Solution and benefits
Time of the day
§ Power buffering: SIESTORAGE recognizes the
P max / unplanned peak load and provides the available
P rated
Charging energy at off-peak times (low-load periods)
Peak hour
§ Avoidance of bottlenecks in the grid
1
Rated power
§ Protection of the grid’s LV and MV components
of T&D system
§ No expensive grid extension and reduction of
Discharging
Power
buffering
the related approval procedures and costs
off peak hour
§ Additional power buffering for fast charging stations
Time (e.g. e-car)
Unrestricted / © Siemens AG 2015. All Rights Reserved.Application example: Offset diesel
Improvement of the size and efficiency of generator sets
Challenges
50 MW
§ Grids supplied only by diesel generators
A
40
(island grids, isolated grids, microgrids)
§ Volatile load curve of supplied areas due to integration
Efficiency (%)
30
B of renewables
+§ No regulatory power to improve efficiency
20
load
10
-§ High diesel prices
0
80 100
-§ Large diesel generators influence the environmental
20 40 60
Output (% Rated Power)
Only Diesel Generator h
- footprint (high fuel consumption and gas emissions)
Pmax
MW
B Solution and benefits
load
§ Optimization of the size of generators
100%
E-Storage
80%
(SIESTORAGE as “range-extender” to smaller gensets)
to operate at higher loads
Diesel Generation
§ Switch off at lower loads
Diesel Generator + Storage h § Higher efficiency of diesel generator
§ Reduced run time of diesel generator
§ Reduced fuel consumption and gas emissions
Unrestricted / © Siemens AG 2015. All Rights Reserved.Our answer: SIESTORAGE
Comprehensive competence to ensure a reliable power supply
Consistent SIESTORAGE advanced technology
Energy automation and
+ Solution and implementation
expertise
grid integration
Experience with network
Medium-voltage switchgear operators
Transformer E-house manufacturing
+ Power packaging solution
expertise
Power electronics One of the leaders in smart
+ systems
Li-ion battery modules
Unrestricted / © Siemens AG 2015. All Rights Reserved.SIESTORAGE The modular energy storage concept Unrestricted / © Siemens AG 2015. All Rights Reserved.
SIESTORAGE
Typical layout of a battery cabinet
Nominal Characteristics LG Chem Rack _Power LG Chem Rack _Energy
Voltage 725 V 725 V
Capacity (1C) 50 Ah 60 Ah
Energy 38.4 kWh 44.9 kWh
Physical Characteristics
Width 600 mm 600 mm
Depth (With Fan & Duct assy) 650 mm 650 mm
Height 2000 mm 2000 mm
Weight (Approx) 700 kg 700 kg
Electrical Characteristics
Voltage Range 580 to 820 V 580 to 820 V
2P196S 2P196S
Cell Series/Parallel Configuration
(14 modules in series) (14 modules in series)
Components
Rack 19 inch standard rack 19 inch standard rack
Module M4850P1B1 M4860P2B1
DC Protection Rack BMS, Circuit breaker, contactor, sensor etc. Rack BMS, Circuit breaker, contactor, sensor etc.
Wire harness Power / Communication cable Power / Communication cable
Condition
Cooling Strategy Air-cooled (Forced or Natural convection) Air-cooled (Forced or Natural convection)
Operation
Unrestricted / © Siemens AG 2015. All Rights condition
Reserved. 23℃ +/-5 23℃ +/-5SIESTORAGE
The 12 PS power conversion system
12 PS
The 12PS Power Block consists of
(Power Stack)
• 1 Control Cabinet (to control up to 12
inverters)
• 6 Inverter Cabinets each with 2 inverters Apparent Power
(118kVA each inverter) S = 1416 kVA
•SIESTORAGE Example of the layout concept of a 2 MWh/2,8 MW system – inside view Unrestricted / © Siemens AG 2015. All Rights Reserved.
SIESTORAGE
ENEL Italy 1MW / 500 kWh
Unrestricted / © Siemens AG 2015. All Rights Reserved.
Commissioning in February 2012Enel Produzione SPA
Energy Storage Ventotene
Challenge Picture & Caption
Picture: JPEG , resolution of 144 ppi (e.g.
• The Mediterranean island of Ventotene has an area of 153 hectares and is
customer representative (quote))
located about 100 kilometers south of Rome.
• It is not connected to the Italian national power supply grid, and the island’s
power supply is provided by 4 diesel engines (600 kVA).
• The main limitations, are primarily concerned with the ability to manage the
electricity from PV plants during periods of base load, except during the summer. Caption (Arial 12 point)
Solution
• 500 kW / 600 kWh SIESTORAGE system
• Microgrid Management Controller to control storage system that will result to
diesel engines operation in the maximum efficiency range for fuel savings, life
extension, O&M minimization and for the optimization of reserve assets.
• Network stabilization with infeed of power generated from decentralized,
renewable sources.
Results & Benefits
§ Expert solutions from a single source – compact technology, modular expansion.
§ Investment will reduce CO2 emissions as well as the plant’s dependency on diesel
fuel.
§ Siemens plays a leading role supporting islands communities to achieve sustainable
local growth and to increase local job opportunities and tourist image in respect
to local conditions.
© Siemens AG 2015 All rights reserved.SIESTORAGE energy storage system VEO (Vulkan Energie Oderbrücke GmbH), Eisenhüttenstadt, Germany Unrestricted / © Siemens AG 2015. All Rights Reserved.
Ein Schwarm von Speichern kann
Netzdienstleistungen erbringen
Speicherschwarm für Netzdienstleistungen: Bestandteile und Interaktion mit Netz
Power grid
Verteiltes Speicherkraftwerk
PV PV
Speicher Speicher
Verbraucher Verbraucher
PV
Speicher
Fabrik Verbraucher
PV Leitstelle
Pump- Speicher
speicher-
kraftwerk Verbraucher
… Öffentliches
Kommunikations-
GuD-
PV netz
Kraftwerk
Speicher
Verbraucher
PV = Photovoltaikanlage
Quelle: Caterva
Seite 23 April 2015 Corporate Technology, UNRESTRICTED © Siemens AG, Corporate TechnologyEin Schwarm von Speichern kann Netzdienstleistungen erbringen Speicherschwarm für Netzdienstleistungen: Systemübersicht Die Leistungselektronik besteht aus langlebigen, ausgereiften Industriekomponenten der Siemens AG Caterva verbaut insgesamt 10 Synerion Module mit einer Gesamtkapazität von 21 kWh von SAFT. • Leistungsfähiger Stromspeicher mit 20 kW Leistung und 21 kWh Kapazität • Geringere Stromkosten durch hohe Eigendeckung von bis zu 80% • Integrierbar mit allen PV Anlagen bis 15 kWp, unabhängig ob diese 1-,2- oder 3-phasig ausgeführt sind • Monitoring über Internet auf internetfähigen Geräten möglich • Hochmoderne und sichere Lithium-Ionen-Batterien ausgelegt für eine Lebensdauer von 20 Jahren • Integrierter, dreiphasiger und hocheffizienter Wechselrichter • Intelligente Vernetzung mit anderen ESS Einheiten PV = Photovoltaikanlage Quelle: Caterva (www.caterva.de) Seite 24 April 2015 Corporate Technology, UNRESTRICTED © Siemens AG, Corporate Technology
Energiespeicherung in Smart und Micro Grids
Kleine Speichereinheiten zu großen Kapazitäten bündeln
Smart Grids und Kleine / Insel-Netze:
Lokale Pro-Sumers und Verbraucher nutzen z.B. eine LEX - Marktstruktur, e.g. “local energy exchange” als
Platform zum Leistungs- / Energeiausgleich
Vorteile: Kleinindustrie Biogas
- Entlastete Übertragungsnetze Kraftwerk
- Flexibler, individueller Aufbau
- Integration von vielen kleinen
Speichereinheiten (CES, eCar, Privathaus,
Sekundärprodukte) Privathäuser
- Erzeugung entflechten,
Area Administrator
Speicherung & Verbrauch
eCar
Requirements:
- Offenen Energiemarkt
CES1
- Intelligente Zähler Blockheiz-
- Area Administrator (Steuerintelligenz) kraftwerk
- CES als Primärreserve
(Batterie, z.B. Lithium-Ionen)
1) Community Energy Storage Source: Siemens AG, I DT CC
Seite 25 April 2015 Corporate Technology Frei verwendbar © Siemens AG 2013. All rights reservedVortag Energiespeicherung Motivation – Energiespeicherung Das Zusammenwachsen der Energienetze Elektrochemische Speichersysteme für stationäre Anwendungen Elektrochemische Speichersysteme für mobile Anwendungen Zusammenfassung und Ausblick Unrestricted / © Siemens AG 2014. All Rights Reserved.
Siemens als Pionier der Elektromobilität
Erste elektrische Elektrische Inside e-Car Volvo
Erster Hybridauto Prototyp Velaro E/Rus
Lokomotive "Victoria" Kooperation
1879 1881/82 1905 1979 1992 1998 2001/06 2008 2010 2011
Erster elektrischer Diesel-elektrischer ELFA System
"Elektromote" Erstes Hybrid- Kransystem
Lastwagen Minenlastwagen für Stadtbusse
19tes Jahrhundert 20tes Jahrhundert 21tes Jahrhundert
Pionier der elektrisch angetriebenen Führender Lieferant von Weltweiter Lieferant von „low-emission“
Fahrzeuge elektrischen Antrieben Mobilitätssystemen
Seite 27 April 2015 Corporate Technology, UNRESTRICTED © Siemens AG, Corporate TechnologyEinsparpotenzial durch
Rekuperation der Bremsleistung
Vergleich zwischen 12m Bus und PKW
PKW: m = 1500 kg, Cw = 0,3; AF = 2 m2 und Cr = 0,015 hrekup = 0,7
Bus: m = 18000 kg, Cw = 0,3; AF = 8,26 m2 und Cr = 0,008 hrekup = 0,7
70%
Verbrauchsersparnis bei v= 40km/h
60%
Ein Bus bietet durch die kurzen
50% Bus im Halteabstände und die hohe Masse bei
Stadtverkehr
Verbrauchsersparnis
40% relativ geringen Fahrwiderständen ein
PKW
30%
PKW im Bus deutlich höheres Einsparpotenzial als ein
Stadtverkehr
PKW.
20%
10%
0%
0 1000 2000 3000 4000 5000 Abstand zwischen Halt / m
Seite 28 April 2015 Corporate Technology, UNRESTRICTED © Siemens AG, Corporate TechnologyHybridbus
Integration des Energiespeichers auf dem Fahrzeugdach (Konzeptansicht)
SuperCap-Speichermodule
auf einem Linienbus
Seite 29 April 2015 Corporate Technology, UNRESTRICTED © Siemens AG, Corporate TechnologyEnergiespeicherung – Industrielle Lösung
Beispiel: Öffentlicher Nahverkehr
Parameter DLC- NiMH-
Energiespeicher Traktionsbatterie
Spannung 190 V - 480 V 528 V
Maximal-Strom 2 x 300 A 220 A
Maximal-Leistung 2 x 144 kW 85 kW
Nutzbarer Energieinhalt 2 x 0.425 kWh 18 kWh
DLC, Double layer capacitor:
Doppelschichtkondensator
Traktionsbatterie für Sitras HES
Speicherung von Bremsenergie
DLC-
Oberleitungsfreies Fahren
Energiespeichereinheit Sitras MES
Seite 30 April 2015 Corporate Technology, UNRESTRICTED © Siemens AG, Corporate TechnologyEin neues Hybridkonzept der Energiespeichereinheiten
erhöht die Strecke des oberleitungsfreien Fahrens
Traktions- Umrichter
Doppelschichtkondensator
Traktionsbatterie
Wandler-System
Seite 31 April 2015 Corporate Technology, UNRESTRICTED © Siemens AG, Corporate TechnologySITRAS SES / MES
Eine Lösung für verschiedene Anwendungsfälle DLC
Battery
Anwendung Betriebsweisen der Energiespeicher
der Energie-
Speicherung Stabilisierung Oberleitungsloses
speicher
der Bremsenergie der Netzspannung Fahren
Stationär
Potenzial zur Erhöhung der
Energieeinsparung Verfügbarkeit der
bis zu Fahrzeuge durch
500 MWh pro Jahr Anheben der
und Einheit Netzspannung
Mobil
Energieeinsparung Kurze oberleitungs-
Erhöhung der
bis zu 30% der lose Strecken
Verfügbarkeit der
bezogenen Energie
Fahrzeuge durch
à bis zu 80 t Erweiterung dieser
Anheben der
weniger CO2 pro Strecken durch
Netzspannung
Jahr und Fahrzeug Hybridtechnik
Source: Siemens AG, IC SG MOL
Seite 32 April 2015 Corporate Technology, UNRESTRICTED © Siemens AG, Corporate TechnologyVortag Energiespeicherung Motivation – Energiespeicherung Das Zusammenwachsen der Energienetze Elektrochemische Speichersysteme für stationäre Anwendungen Elektrochemische Speichersysteme für mobile Anwendungen Zusammenfassung und Ausblick Unrestricted / © Siemens AG 2015. All Rights Reserved.
Zusammenfassung
§ Die moderne Welt braucht mehr und mehr Energiespeicher im stationären und mobilen Bereich
§ Elektrochemische Speicher sind ein Schlüssel für verschiedene mobile und stationäre
Anwendungen
§ Energiespeicherung ist ein Gebiet mit hoher Dynamik und einer Vielzahl neuer Technologien,
teils noch in der Entwicklungsphase
§ Abhängig vom Anwendungsfall (Zeit, Energiemenge, Leistungsanforderung, Lebensdauer,
Temperatur, Kosten…), werden verschiedene Speicher verwendet
§ Lithium Ionen Batterien ermöglichen eine große Zahl von elektrischen Energiespeicher-
systemen für viele verschiedene Anwendungen
§ Sehr großes Marktpotential besteht für Systemlösungen
èSiemens hat ein tiefes Verständnis für die verschiedenen Speichertechnologien UND die
diversen Anwendungen.
Unrestricted / © Siemens AG 2015. All Rights Reserved.Fragen? Wir haben die Antworten! Seite 35 April 2015 Corporate Technology, UNRESTRICTED © Siemens AG, Corporate Technology
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