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2014 | Buch

Energiespeicher - Bedarf, Technologien, Integration

verfasst von: Michael Sterner, Ingo Stadler

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Im Kontext der Energiewende sind Energiespeicher ein zentrales technisches, wirtschaftliches und energiepolitisches Thema.Die Autoren dieses kompakten Werkes geben einen umfassenden Uberblick uber die verschiedenen Aspekte der Energiespeicherung. Sie beschreiben zunachst die Bedeutung von Energiespeichern in der Energieversorgung und definieren ihre Rolle darin. Dann gehen sie auf den Speicherbedarf in der Strom, Warme und Kraftstoffversorgung im Kontext der Energiewende ein. Im Hauptteil werden die verschiedenen Speichertechnologien ausfuhrlich vorgestellt sowie ihre Vor- und Nachteile diskutiert. Praktische Anwendungsbeispiele und die Integration von Speichern uber alle Energiesektoren hinweg runden das Buch ab. Zahlreiche Grafiken und Beispiele veranschaulichen das gesamte Feld der Energiespeicher und sind als Erganzung samt Animationen online in Farbe verfugbar.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

ERRATUM zu Sterner/Stadler „Energiespeicher“

Übersicht

Im Druck ist die Zuordnung der Mitautorenschaft je Kapitel verloren gegangen. Auf den Internetseiten des Verlags erscheinen nur die beiden Hauptautoren.

Michael Sterner, Ingo Stadler

Bedeutung und Einordnung von Speichern in der Energieversorgung

Frontmatter

1. Energiespeicher im Wandel der Zeit

Übersicht

Seit Anbeginn der Zeit nutzt der Mensch Energiespeicher. Vor etwa 2 Mrd. Jahren setzte die Photosynthese als erster Speicherprozess ein. Sie speichert Solarenergie in Form organischer Verbindungen und speist damit sämtliches Leben auf der Erde. Im Zusammenhang mit der Entdeckung des Feuers vor ungefähr 1,5 Mio. Jahren wurde dieser „Energiespeicher“ in Form von Feuerholz vom Menschen erschlossen und genutzt. Erst in jüngster Geschichte, seit der industriellen Revolution, greift der Mensch auf fossile Energieträger zurück, die eine ältere Form der Biomasse darstellen. Langfristig gilt es, den Speicherprozess der Biomasse nachhaltig zu nutzen, ihn technisch nachzubilden und weitere Speichertechnologien zu erschließen.

In diesem Kapitel wird die Geschichte der Energiespeicher mit Blick auf den Kohlenstoffkreislauf behandelt, angefangen bei dem natürlichen Speicherprozess der Photosynthese, über die Speicherprodukte Biomasse, Torf und fossile Energieträger bis hin zu den Speichertechnologien im Zeitalter der erneuerbaren Energien. Darüber hinaus wird auch die Bedeutung der Nutzung von Speichern herausgestellt. Der Fokus in diesem Kapitel liegt auf biogener und fossiler Energiespeicherung. Auf die Geschichte anderer Speichertechnologien wie Batterien, Pumpspeicher oder Power-to-Gas wird zu Beginn der jeweiligen Technologiekapitel eingegangen.

Michael Sterner, Ingo Stadler

2. Definition und Klassifizierung von Energiespeichern

Übersicht

Ohne Energiespeicher ist die Energieversorgung nahezu unmöglich. Sie sind elementarer Baustein unseres Energiesystems. Oft diskutiert wird die Rolle, die ein Speicher im Energiesystem spielt: Sind Energiespeicher Teil der Energienetze oder doch „Erzeuger“ und „Verbraucher“? An welcher Stelle werden die Kosten der Speicher verortet? Zur energiewirtschaftlichen Einordnung von Speichern sind Definitionen hilfreich.

Wie Speicher und Energiespeicher definiert, ihr Nutzen erfasst und nach physikalischen, energetischen, zeitlichen, räumlichen und ökonomischen Kriterien klassifiziert werden kann, wird in diesem Kapitel behandelt.

Michael Sterner, Ingo Stadler

Bedarf an Energiespeicherung

Frontmatter

3. Speicherbedarf in der Stromversorgung

Übersicht

Energiespeicher sind – gestern wie heute – ein entscheidender Faktor in der Energieversorgung. Wie sich der Speicherbedarf in der Zukunft in den Bereichen Strom, Wärme und Mobilität entwickeln wird, ist Gegenstand der folgenden drei Kapitel. Den Schwerpunkt bildet das vorliegende Kapitel, das den Stromsektor zum Nukleus der Energieversorgung herausbilden und wesentliche Brücken zu den beiden anderen Sektoren Wärme und Mobilität und darüber hinaus zur chemischen Industrie schlagen wird.

Nach heutigen Abschätzungen wird der Speicherbedarf beim Stromnetzausbau nach Plan und der Nutzung von Flexibilitäten in Erzeugung und Verbrauch erst ab einem Anteil von 60–80 % erneuerbarer Energien an der Stromversorgung relevante Größenordnungen erreichen. Der Netzausbau hat großen Einfluss auf den Speicherbedarf, ebenso die flexible Stromerzeugung in Kraftwerken und bei der Kraft-Wärme-Kopplung sowie der flexible Verbrauch über das Lastmanagement.

Exemplarisch werden drei Studien zum Speicherbedarf und zur Rolle von Energiespeichern im Kontext der Flexibilitäten ausführlich vorgestellt. An diesen Studien, die außerdem durch laufende Arbeiten ergänzt werden, waren die Autoren und Coautoren selbst beteiligt. In ▶ Abschn. 3.6 werden die Ergebnisse studienübergreifend zusammengefasst und mit sechs weiteren Studien verglichen.

Michael Sterner, Ingo Stadler

4. Speicherbedarf in der Wärmeversorgung

Übersicht

Im Gegensatz zum Stromsektor steht der Speicherbedarf in der Wärme- und Kälteversorgung deutlich weniger im Fokus der öffentlichen Aufmerksamkeit. Das liegt daran, dass dieser Speicherbedarf meist bereits gedeckt ist und sich in Zukunft nicht in dem Maße verändern wird wie im Stromsektor, wo eine deutliche Verschiebung von der Primärenergiespeicherung hin zu Strom- und Endenergiespeichern abzusehen ist.

Beiden Sektoren gemeinsam ist ein ausgeprägter Speicherbedarf. Fast jeder Haushalt hat einen Wärmepuffer, so auch erneuerbare Heizsysteme wie Pelletheizungen, Erdwärme- oder Solarwärmeanlagen. Einige Haushalte mit Flüssiggas- oder Ölheizungen verfügen sogar über zwei Speicher: einen Kraftstoffspeicher und ein Wärmepuffer. Ausnahmen sind die Heizsysteme mit vorgelagertem Speicher wie ein Fernwärmenetz oder ein Gasspeicher. In Zukunft wird die gegenseitige Integration von Strom- und Wärmesektor über die Kraft-Wärme-Kopplung, Wärmepumpen, Power-to-Heat und Power-to-Gas eine große Rolle bei der Nutzung erneuerbarer Energien spielen und einen Paradigmenwechsel anstoßen.

Die Entwicklung der Wärmeversorgung in Deutschland und der damit verbundene Bedarf an Wärmespeichern werden exemplarisch anhand verschiedener Studien dargestellt. Eine Abschätzung zu Überschüssen und Speicherpotenzialen runden das Kapitel ab. Der Kältebedarf wird an dieser Stelle als „Prozesskälte“ unter „Prozesswärme“ und „Raumkälte“ über „Raumwärme“ mitgeführt und ist vorwiegend im Strombedarf integriert.

Michael Sterner, Ingo Stadler

5. Speicherbedarf im Verkehrssektor

Übersicht

Im Verkehrssektor steht die Energiewende noch am Anfang: Der erneuerbare Anteil an Kraftstoffen beträgt 5 % und beschränkt sich neben geringen Anteilen am elektrischen Schienenverkehr fast ausschließlich auf Biokraftstoffe. Dabei verbraucht der Verkehrssektor, also der Straßen-, Luft-, Schiffs- und Schienenverkehr, etwa 30 % der Endenergie Deutschlands, und die Abhängigkeit vom Energieträger Erdöl ist mit über 90 % noch sehr hoch. Damit verbunden liegt der Anteil der Klimagas-Emissionen dieses Sektors bei 20 %.

Der dadurch notwendige Strukturwandel in der Mobilität ist eng verknüpft mit der Frage der Antriebsenergie und damit der Energiespeicherung. Mit Ausnahme von Fahrzeugen, die direkt wind- und solarbetrieben sind, ist Mobilität ohne Speicherung nicht möglich: Kraftstofftanks in Automobilen, Tankstellen und Flugzeugen sind allgegenwärtig.

Im Mittelpunkt der Betrachtungen zum Speicherbedarf im Verkehrssektor steht die Frage, wie diese Speicher mit erneuerbaren Energien über Bio- und Stromkraftstoffe genutzt werden können bzw. welchen Speicherumfang neue Antriebstechnologien wie die Elektromobilität benötigen. Zuvor wird ein Blick auf den Bedarf an Mobilität heute und in Zukunft geworfen.

Michael Sterner, Ingo Stadler

Technologien der Energiespeicherung

Frontmatter

6. Elektrische Energiespeicher

Übersicht

Die Technologien der Energiespeicherung zeichnen sich durch eine sehr große Vielfalt aus. Sie bilden den dritten Teil dieses Buches und betreffen die Grundlagen der Physik, der Chemie, des Maschinenbaus und der Elektrotechnik. Die Anfänge der Energiespeicherung liegen eher in der Biologie, heute als „chemische Energiespeicherung“ bezeichnet. Solarenergie war in Form von chemischen Bindungen in Kohlenwasserstoffen gespeichert, die bei ihrer Verbrennung Energie freigeben. Das fossile Potenzial chemischer Energiespeicher geht jedoch zur Neige und das nachhaltige Potenzial an Biomasse ist begrenzt (s. ▶ Kap. 1 und 2).

Für die Vollendung der Energiewende wird Strom ein bedeutender Primärenergieträger werden. Die tragenden Säulen werden Wind- und Solarenergie sein. Dies geht deutlich aus den Szenarien zur Ermittlung des Speicherbedarfs hervor (▶ Kap. 3–5). Da diese Quellen am ökonomischsten über die Stromerzeugung zu nutzen sind, ist ihre direkte Speicherung in Form von elektrischer Energie naheliegend.

Im vorliegenden Kapitel wird auf die direkte elektrische Energiespeicherung in Kondensatoren und in Spulen eingegangen. Für beide Fälle werden die physikalischen und elektrotechnischen Grundlagen erörtert, Kennwerte abgeleitet und ihre Funktionsweisen und Einsatzgebiete beschrieben.

Michael Sterner, Ingo Stadler

7. Elektrochemische Energiespeicher

Übersicht

Die direkte Speicherung elektrischer Energie über Kondensatoren und Spulen ist einerseits höchst effizient, aber andererseits in punkto Speicherkapazitäten sehr begrenzt und mit hohen Kosten verbunden. Diese Nachteile werden durch die elektrochemische Energiespeicherung überwunden, allerdings auf Kosten des Wirkungsgrades der rein elektrischen Energiespeicherung, die die effizienteste Art und Weise der Stromspeicherung ist.

Elektrochemische Energiespeicher werden durch die Begriffe Batterien und Akkumulatoren beschrieben. Elektrochemische Systeme bestehen aus Elektroden, die über einen Elektrolyten als ionenleitende Phase miteinander verbunden sind. Generell kann elektrochemischen Systemen elektrische Energie entnommen werden oder, im Fall von Akkumulatoren, sowohl entnommen als auch eingespeichert werden. Dabei laufen chemische Reaktionen ab, bei denen elektrische Ladungen übertragen werden.

Elektrochemische Energiespeicher werden in Niedertemperatur-Batterien wie z. B. Blei-, Nickel- und Lithium-Batterien und Hochtemperatur-Batterien wie Natrium-Schwefel-Batterien eingeteilt. Ferner wird zwischen Batterien mit externem Speicher wie Redox-Flow-Batterien und internem Speicher – was für die meisten Batterien zutrifft – unterschieden.

Michael Sterner, Ingo Stadler

8. Chemische Energiespeicher

Übersicht

Die rein elektrische Energiespeicherung ist die Stromspeichertechnologie mit der höchsten Effizienz, aber mitunter auch mit den höchsten Kosten und kleinsten Kapazitäten. Die elektrochemische Energiespeicherung erreicht höhere Kapazitäten bei geringeren Kosten – zulasten des Wirkungsgrades. Ähnlich setzt sich das Ganze mit chemischen Energiespeichern fort: Batterien (Akkumulatoren) kommen kapazitätsmäßig an ihre Grenzen, wenn es um eine verlustarme Langzeitspeicherung geht. Die chemische Energiespeicherung und -lagerung erfüllt diese Ansprüche vollends. Zwar ist das Einspeichern mit deutlichen Wirkungsgradverlusten verbunden, aber aus heutiger Sicht in Verbindung mit der vorhandenen Gas- und Kraftstoffinfrastruktur die einzige nationale Option zur Langzeitspeicherung erneuerbarer Energien.

Chemische Energiespeicher sind heute das Rückgrat der konventionellen Energieversorgung. Feste (Holz, Kohle), flüssige (Erdöl) und gasförmige (Erdgas) Energieträger stellen selbst „Energiespeicher“ dar und werden über unterschiedliche Technologien gespeichert. Auch in der Energiewende kommt chemischen Energiespeichern eine tragende Rolle zu, vor allem in der Funktion als Langzeitspeicherung für den Stromsektor, aber auch als Brenn- und Kraftstofflieferant für Mobilität und Wärme. Neben den konventionellen Speichertechnologien wird daher in diesem Kapitel ausführlich auf die Speicherung von erneuerbaren Energien in Form von gasförmigen (Power-to-Gas) und flüssigen (Power-to-Liquid) Energieträgern für Strom, Wärme, Chemie und als Stromkraftstoffe eingegangen.

Michael Sterner, Ingo Stadler

9. Mechanische Energiespeicher

Übersicht

Die chemischen Energiespeicher nutzen Kavernen, Porenspeicher, Tanks und Lagerräume für die Speicherung der chemischen Energieträger. Kavernen, Hohlräume und Lagerstätten können auch für die Speicherung von gasförmigen Medien wie Luft, von flüssigen Medien wie Wasser und von festen Medien wie Gestein verwendet werden.

Die Prinzipien der mechanischen Energiespeicherung fußen auf der klassischen Newton’schen Mechanik und somit auf der Grundlage der Physik des 18. und 19. Jahrhunderts. Entsprechend gliedern sich die Funktionsprinzipien in Betrachtungen zur Speicherung von Energie in kinetischer und potenzieller Form oder als „Druckenergie“.

Im vorliegenden Kapitel werden die Speichermedien nach Aggregatszuständen gegliedert und in Funktion und Anwendung beschrieben: zunächst die Druckluftspeicher, gefolgt von der klassischen Stromspeicherart – den Pumpspeicherwerken. Im Anschluss werden innovative Varianten der Speicherung potenzieller Energie über das Medium Wasser beschrieben: Ringwallspeicher auf offenem Land, Kugelpumpspeicher in der Tiefsee, Staustufenspeicher an Flüssen und die Nachnutzung von Bergbaurevieren über Halden-Pumpspeicher, Unterflurpumpspeicher oder Untertage-Pumpspeicher und Tagebauspeicher.

Den Abschluss des Kapitels bilden klassische und moderne Schwungmassenspeicher, die eine jahrtausendealte Geschichte haben und eine neue Idee: Lageenergiespeicher als Kombination aus Pumpspeicher und Änderung der potenziellen Energie von Gesteinen bzw. großen Felsblöcken.

Michael Sterner, Ingo Stadler

10. Thermische Energiespeicher

Übersicht

Thermische Energiespeicher können auf dem Weg zu einer regenerativen und effizienten Energieversorgung von großer Bedeutung sein. Zumal der Wärme- und Kältesektor mit einem Anteil von ca. 50 % noch vor dem Transport- und Elektrizitätssektor den größten Teil des Endenergieverbrauchs in Europa ausmacht.

Die verwendeten Technologien können in drei grundlegende Systeme unterteilt werden. Das wohl bekannteste Beispiel ist die Speicherung sensibler Wärme, wie sie als Pufferspeicher in Heizungsanlagen Verwendung findet. Zudem kann thermische Energie in sogenannten Latentwärmespeichern oder in thermochemischen Speichern erhalten werden. Die Eigenschaften dieser drei Technologien werden nachfolgend ausführlich beschrieben.

Unter dem Begriff Thermische Energiespeicher sind sowohl Wärme- als auch Kältespeicher zu verstehen. Wärme- und Kältespeicher haben ein entgegengesetztes Funktionsprinzip. Während ein Wärmespeicher beim Einspeichern Energie aufnimmt, gibt der Kältespeicher hierbei Energie in Form von Wärme ab. Liegt die gespeicherte Energie in einem Temperaturniveau unter der Umgebungstemperatur vor, wird von einem Kältespeicher gesprochen. Bei einer Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur hingegen handelt es sich um einen Wärmespeicher.

Die verschiedenen Einsatzgebiete der Speichertechnologien umfassen Zeiträume von Kurzzeit- bis hin zu saisonalen Speichern, die von Niedertemperaturniveau zur Brauchwassererwärmung bis zu Hochtemperaturspeichern in der Elektrizitätserzeugung (solarthermische Kraftwerke) reichen. Des Weiteren wird auch zwischen mobilen und stationären Anwendungen für Wärmespeicher unterschieden.

Michael Sterner, Ingo Stadler

11. Lastmanagement als Energiespeicher

Übersicht

Wurden in den ▶ Kap. 6–9 vor allem Speicher diskutiert, die elektrische Energie in welcher Form auch immer speichern und im Anschluss diese wieder als Elektrizität freigeben, wurden in ▶ Kap. 10 thermische Energiespeicher zum Management des Wärmehaushalts behandelt.

Hier nun werden Managementmaßnahmen und somit Prozesse betrachtet, die meist elektrische Energie einsetzen, um diese in eine andere Form der Endenergie zu wandeln, welche ebenfalls gespeichert werden kann – häufig handelt es sich wieder um thermische Energie. Im Unterschied zu den vorangegangenen Kapiteln wird die gespeicherte Energie aber nicht wieder in Elektrizität gewandelt, sondern in der Form genutzt, in der sie auch gespeichert wurde.

Mit Sicht auf das Energieversorgungssystem erfüllen diese Maßnahmen exakt dieselbe Aufgabe wie Energiespeicher. Im Allgemeinen wird hier von Lastmanagement gesprochen.

Michael Sterner, Ingo Stadler

12. Vergleich der Speichersysteme

Übersicht

Energiespeicher können vielfältig klassifiziert werden (s. ▶ Kap. 1 und 2). Sie existieren in einer Vielzahl verschiedener Technologien in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten und Entwicklungsstadien (s. ▶ Kap. 3–5). Dieses Kapitel stellt die verschiedenen Möglichkeiten zur Energiespeicherung gegenüber und vergleicht sie nach folgenden Aspekten:

Speicherkapazität
Ausspeicherzeit
Energiedichte
Anwendungsfelder und Einsatzgebiete
Investitionskosten
Wirkungsgrad und Zyklenfestigkeit
Marktreife und technologische Verfügbarkeit

Damit wird ein vereinfachter Überblick über Speichersysteme gegeben und ein Vergleich im Rahmen der Möglichkeiten gezogen.

Michael Sterner, Ingo Stadler

Integration und Anwendung von Energiespeichern

Frontmatter

13. Speicherintegration in einzelnen Energiesektoren

Übersicht

Wie werden Energiespeicher in die Stromversorgung, die Wärmeversorgung und die Mobilität integriert und heute bereits eingesetzt? Diese Frage wird im vorliegenden Kapitel in Theorie und Praxis beantwortet. Der Fokus richtet sich dabei auf die Integration erneuerbarer Energien. Sektorenübergreifende Energiespeicher, mit deren Hilfe die Sektoren Elektrizität, Wärme und Mobilität verbunden werden können, werden in ▶ Kap. 14 dargestellt.

Den Schwerpunkt bildet hier die Speicherintegration im Stromsektor. Neben Betrachtungen zu Inselnetzen wird auf die unterschiedlichen Anwendungen von Speichern im Netzverbund anhand praktischer Beispiele eingegangen. Im Anschluss daran wird die Integration von Speichern im Wärme- und Verkehrssektor erläutert.

Michael Sterner, Ingo Stadler

14. Speicherintegration zur Kopplung unterschiedlicher Energiesektoren

Übersicht

Strom wird zur Primärenergie – dies wird vor allem in der Kopplung des Stromsektors mit den anderen Energiesektoren sichtbar.

Neben der bereits etablierten Zusammenführung von Strom- und Wärmesektor durch die Kraft-Wärme-Kopplung, die durch strombasierte Wärmebereitstellung über Elektrowärmepumpen und Power-to-Heat ergänzt wird, zeichnen sich weitere neue Verbindungen ab: im Strom- und Verkehrssektor über die Elektromobilität und Stromkraftstoffe; im Strom- und Gassektor über Power-to-Gas. Zukünftig wird auch die Herstellung von chemischen Grundstoffen wie Methanol oder Polymeren aus elektrischer Energie, Wasser und CO₂ eine Rolle spielen. Letzteres wird hier nicht explizit behandelt, die anderen Aspekte von Strom als Primärenergie und die Integration und Anwendung in Bezug auf Energiespeicher dagegen durchaus.

Michael Sterner, Ingo Stadler

Backmatter

Titel: Energiespeicher - Bedarf, Technologien, Integration
verfasst von: Michael Sterner
Ingo Stadler
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-642-37380-0
Print ISBN: 978-3-642-37379-4
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-37380-0