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Techno-ökonomischer Benchmark von Flüssigluftenergiespeichern und Lithium-Ionen Batterien in Verbindung mit Photovoltaik am Standort Andasol 3

Marc Fiebrandt, Julian Röder, Hermann-Josef Wagner

16. Symposium Energieinnovation

Graz, Donnerstag, 13. Februar 2020

Techno-ökonomischer BenchmarkStandort Andasol 3

Einleitung

▪ Motivation

▪ Zentrale Forschungsfrage

▪ Wie funktioniert ein adiabater Flüssigluftenergiespeicher?

Techno-ökonomischer Benchmark: 16. Symposium Energieinnovation | Graz | 13. Februar 2020

Methodik und Rahmenbedingungen

▪ Methodik

▪ Techno-ökonomische Rahmenbedingungen

Ergebnisse

▪ Techno-ökonomische Kennzahlen

▪ Sensitivitätsanalysen

Schlussfolgerungen und Ausblick

DD

DD

DD


Einleitung

▪ Motivation





▪ Methodik


Ergebnisse




DD

DD

4Techno-ökonomischer Benchmark: 16. Symposium Energieinnovation | Graz | 13. Februar 2020

▪ Zeitliche Verschiebung von erneuerbarer volatiler elektrischer Energie.

▪ Verstetigung der Netzeinspeisung am Ort der Erzeugung mittels Energiespeicher (ESS)

zur Minderung der energetischen Ausgleichsmaßnahmen im Verbundnetz.

▪ Flexibilitätsoption erfordert großtechnische Tagesspeicher ohne Standortrestriktionen.

Restriktionen sind z.B.: unterirdische Kavernen (Druckluftspeicher)

oder Höhenunterschiede (Pumpspeicherkraftwerke)

▪ Anforderungen erfüllt durch:

• Neuartigen adiabaten Flüssigluftenergiespeicher (A-LAES)

• International im Mittelpunkt stehende Lithium-Ionen Batteriespeicher (BESS)

EinleitungMotivation


▪ Ist eine Kombination aus adiabaten Flüssigluftenergiespeicher (A-LAES) und einachsig

nachgeführten PV-System technisch und wirtschaftlich konkurrenzfähig gegenüber

am Markt etablierten Technologien in Bezug auf die zeitliche Verschiebung und die

Verstetigung von Energie?

▪ Vergleich der wirtschaftlichen Konkurrenzfähigkeit erfolgt anhand von

Stromgestehungskosten (LCOE).

▪ Am Markt tendenziell etablierte Systeme sind:

• Solarthermische Kraftwerke mit thermischen Speichern (CSP mit TES)

• Einachsig nachgeführte PV-Systeme mit Lithium-Ionen Batteriespeicher

▪ Hinweis: Teil des Verbundvorhaben Kryolens ‚Kryogene Luftspeicherung‘ (03ET7068F).

EinleitungZentrale Forschungsfrage


EinleitungWie funktioniert ein adiabater Flüssigluftenergiespeicher?


EinleitungWie funktioniert ein adiabater Flüssigluftenergiespeicher?

Annahme: Einspeicherung kann zwischen 1 bis 4 Verflüssigungsstränge variiert werden.


Einleitung

▪ Motivation





▪ Methodik


Ergebnisse




DD


▪ Stündlich aufgelöste Simulation für PV-System und A-LAES sowie für PV-System und

BESS (kein Bezug von Energie für ESS aus Verbundnetz, PV speist ins Verbundnetz).

• Äußere Parameter: Einstrahlung, Umgebungstemperatur und Windgeschwindigkeit

• Die Speisung von Strom aus dem PV-System in die ESS erfolgt anhand ermittelter

leistungsabhängiger Grenzen, ab derer der Strom als PV-Überschuss deklariert ist.

▪ Auslegung der ESS Kapazitäten berücksichtigt Anfahrverluste, Selbstentladeraten,

Sicherheitsfaktoren (A-LAES), Überdimensionierung (Entladetiefe und Zelldegradation).

▪ Leistungs- bzw. kapazitätsabhängige Skaleneffekte für spezifische Installationskosten.

▪ Analyse realer Daten des CSP Andasol 3 (Spanien) liefert techno-ökonomische

Kennzahlen für die Auslegung und das Betriebsverhalten der Simulation (Referenz).

Methodik und RahmenbedingungenMethodik


Methodik und RahmenbedingungenMethodikÜberdimensionierung der BESS Kapazität

Auslegungskapazität

+

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+

-

+

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+

-

+

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+

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Zusätzliche Kapazität




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+

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+

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+

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▪ Erweiterung der

Kapazität aufgrund:

• Entladetiefe 90 %


+

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+

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+

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+

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+

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+

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+

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+

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+

-

+

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+

-

▪ Erweiterung der

Kapazität aufgrund:

• Entladetiefe 90 %

• Variable

Zelldegradation

über Lebenszeit

von 15 Jahren

▪ Auswirkungen auf

Investitionen und

Betriebskosten


+

-

+

-

+

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+

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+

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+

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+

-


Methodik und RahmenbedingungenTechno-ökonomische Rahmenbedingungen

Kennzahl Einheit CSP Referenz PV + A-LAES PV + BESS

Ø Umgebungstemperatur °C 12,9 12,9

PV-Neigungswinkel Grad (°) 36

Datengrundlage Ø 2006 – 2015

InvCSP (max. – min.) Mio. Euro 315,0 – 200,0

LCOECSP (max. – min.) ct/kWh 27,1 – 10,1

WACC % 2,94; 2,00 / 6,00 / 10,00

Spez. Kosten PV, 1-achsig Euro/kWp 864 (50 MWp) bis 777 (100 MWp)

Spez. Kosten A-LAES * Euro/kWh 1.622 bis 466

Spez. Kosten BESS ** Euro/kWh 814 bis 639

* Bezogen auf Speicherkapazitäten von 3,0 h bis 24,0 h für 4 Verflüssigungsstränge, inkl. zusätzlicher Kapazitäten

** Bezogen auf Speicherkapazitäten von 3,0 h bis 24,0 h, inkl. zusätzlicher Kapazitäten


Methodik und RahmenbedingungenTechno-ökonomische Rahmenbedingungen

Kennzahl Einheit CSP Referenz PV + A-LAES PV + BESS

Einspeicherleistung MWel 99,00 (AC) 54,61 (DC)

Ausspeicherleistung MWel 50,00 (AC, η: 50%) 50,00 (AC, η: 95%)

Überschussleistung PV MWel ab 35,00 (AC) ab 35,00 (AC)

Nennleistung MWel 50,00 50,00 50,00

Kapazität ESS h / MWh 7,5 / 375 7,5 / 375 7,5 / 375

Netzeinspeisung MWh / a 175.000 175.000 175.000

Teillast Einspeicherung * % 70 bis 100 0 bis 100

Teillast Ausspeicherung % 40 bis 100 0 bis 100

Betrachtungszeitraum a 30 30

* Bei 1 Verflüssigungsstrang ist eine Einspeicherleistung von 69,00 MW (70,00 %) bis 99,00 MW (100,00%) möglich.

* Bei 4 Verflüssigungssträngen ist eine Einspeicherleistung von vier mal 17,35 MW (70,00 %) bis 24,75 MW (100,00 %) möglich.


Einleitung

▪ Motivation





▪ Methodik


Ergebnisse





ErgebnisseTechno-ökonomische Kennzahlen

68,0 68,0 69,4 76,2 68,7

278,7 291,9 302,2 310,9272,5

346,7 359,8 371,6 387,2341,3

272,0

1xVerfl.

2xVerfl.

3xVerfl.

4xVerfl.

BESS CSPAndasol 3

0,0050,00

100,00150,00

200,00

250,00

300,00

350,00

400,00

450,00

500,00

Investition*

[Mio

. E

uro

]

PV Speicher Gesamt

Kennzahl Einheit 1x Verfl. 2x Verfl. 3x Verfl. 4x Verfl. BESS

PV-Peakleistung MWp 84,90 84,90 87,10 97,64 86,09

Investitionen*

* Inklusive zusätzlicher Kapazitäten

Darstellung eines Unsicherheitsbereichs

von ± 20,00 %. Nicht gültig für CSP,

da diese auf Literaturwerte basieren.


1,01 1,01 1,03 1,16 1,02

2,79 2,92 3,02 3,11

5,45

3,79 3,93 4,05 4,27

6,475,69

1xVerfl.

2xVerfl.

3xVerfl.

4xVerfl.

BESS CSPAndasol 3

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

Betr

iebskoste

n*

**[M

io. E

uro

/ a

]

PV Speicher Gesamt




Betriebskosten* **

* Inklusive zusätzlicher Kapazitäten

** Entspricht 1 % (A-LAES) bzw. 2 % (BESS) der ESS Investition. Basiert für CSP auf Literaturwerten.


201,3 177,5

154,7136,4 131,0

2,7 20,338,7 44,0

175,0 175,0 175,0 175,0 175,0 175,0

1xVerfl.

2xVerfl.

3xVerfl.

4xVerfl.

BESS CSPAndasol 3

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

Netz

ein

speis

ung (

AC

)[G

Wh

/ a

]

PV-Erzeugung (AC) PV (AC) Speicher (AC) Gesamt (AC)




Netzeinspeisung (AC)


2,6 2,6 2,7 3,3 3,4

671,5

92,749,8

12,3 12,7 13,1 13,7 13,618,6

1xVerfl.

2xVerfl.

3xVerfl.

4xVerfl.

BESS CSPAndasol 3

1,00

10,00

100,00

1000,00

Str

om

geste

hungskoste

n[c

t / kW

h]

PV Speicher Gesamt




LCOE (max. – min.) ct/kWh 14,7 – 9,8 15,3 – 10,2 15,8 – 10,5 16,4 – 11,0 16,4 – 10,9

Stromgestehungskosten (LCOE)



0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

0 3 6 9 12 15 18 21

Le

istu

ng

[M

W]

Zeit [h]

AK-Leistung A-LAESEinspeicherleistung A-LAESKapazität A-LAES

1. Juli

4 Verflüssigungsstränge

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

0 3 6 9 12 15 18 21

Ka

pa

zitä

t [%

]

Zeit [h]AK-Leistung BESSEinspeicherleistung BESSKapazität BESS

1. Oktober


0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

Le

istu

ng

[M

W] 1. Januar


0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

Kapa

zität [%

]1. April


Einspeicherleistungs- und Kapazitätsverläufe

Leistung BESS KombinationLeistung A-LAES Kombination


3,34,2

28,944,8

7,515,0

2,83,9

15,7

37,8

4,7

17,4

3,0 h 7,5 h 12,0 h 16,0 h 20,0 h 24,0 h1,00

10,00

100,00

1000,00

Str

om

geste

hungskoste

n[c

t / kW

h]

PV Speicher GesamtA-LAES, 4 Verfl.-strängeBESS

ErgebnisseSensitivitätsanalysenStromgestehungskosten (LCOE), Variation der Speicherkapazität

Kennzahl Einheit 4x – 3,0 h 4x – 24,0 h BESS – 3,0 h BESS – 24,0 h

Spez. Installationsk. Euro/kWh 1.622 466 814 639

PV-Peakleistung: 180 MWp

▪ Ökonomische Vorteile der BESS Kombination bei Kapazitäten von unter 3,0 bis 12,0 h

▪ Ökonomische Vorteile der A-LAES Kombination bei Kapazitäten größer als 12,0 h


Einleitung

▪ Motivation





▪ Methodik


Ergebnisse





▪ Investitionsbereiche der Anlagenkombinationen und CSP überschneiden sich.

▪ Jährliche Betriebskosten der A-LAES Kombination sind geringer als die der BESS

Kombination infolge des notwendigen Zellaustauschs und der Überdimensionierung.

Die BESS Kombination weist die höchsten Betriebskosten auf.

▪ Verstetigte Fahrweise und zeitliche Verschiebung von Energie mit der A-LAES

Kombination infolge des eingeschränkten Teillastverhaltens nur bedingt möglich.

▪ A-LAES hat infolge der Wirkungsgradverluste energetische Nachteile.

Ausschließliche Nutzung der PV-Überschussleistung erscheint nicht zielführend.

▪ LCOE der Kombinationen konkurrenzfähig gegenüber CSP, wobei die geringere ESS-

Nutzung und die resultierende höhere PV-Netzeinspeisung die LCOE begünstigen.

▪ A-LAES Kombination bietet ökonomische Vorteile ab Kapazitäten größer als 12,0 h,

und die BESS Kombination bei Speicherkapazitäten unter 3,0 h bis 12,0 h.

Schlussfolgerungen und AusblickSchlussfolgerungen


▪ Kombination aus PV-System und sich parallel ergänzenden A-LAES (kapazitätsskaliert)

und BESS (leistungsskaliert) erscheint zur Verstetigung und zeitlichen Verschiebung von

Energiemengen unter synergetischer Ausnutzung der jeweiligen techno-ökonomischen

Vorteile zielführend.

▪ Die kapazitätsabhängige Kostenstruktur sollte um eine leistungsabhängige Skalierung

ergänzt werden, um die zu erwartenden Investitionen und Betriebskosten der

Energiespeicher anwendungsspezifischer darstellen zu können.

Schlussfolgerungen und AusblickAusblick


Vielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit!


▪ Lehrstuhl Energiesysteme und Energiewirtschaft

Prof. Dr. Valentin Bertsch

Prof. Dr.-Ing. Hermann-Josef Wagner

▪ Wirtschaftlichkeitsanalyse

Marc Fiebrandt

[email protected]

0234 / 32 - 26378

Kontaktpersonen

▪ Ökobilanzielle Bewertung

Dr.-Ing. Julian Röder

[email protected]

0234 / 32 - 25984

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