Energietechnologien der Zukunft

Das vorliegende Buch beschäftigt sich mit der Bewertung und Einordnung von Technologien des Stromversorgungssystems. Hierbei wird die gesamte Bandbreite von der Stromerzeugung, dem Transport bzw. der Verteilung bis hin zum Stromverbrauch dargestellt. Dabei wird der Energiewende, eines der großen Themen unserer Zeit, mit ihren implizierten Veränderungen und Herausforderungen Rechnung getragen.

Zunächst zeigt ein Rückblick auf die letzten 40 Jahre der Energieforschung die Entwicklung und Veränderung der Forschungsthemen, welche getrieben ist durch sich stetig wandelnde Herausforderungen an die Energiewirtschaft. Daran anknüpfend wird der anstehende Transformationsprozess skizziert. Es schließt sich die Auswahl der in dem Buch behandelten Technologiefelder sowie das Vorgehen bei der Technologiebeschreibung und dem Erstellen einer Roadmap für die jeweilige Technologie an.

Energieszenarien beschreiben mögliche Formen einer zukünftigen Energieversorgung unter Berücksichtigung komplexer und vielfältiger Interdependenzen des Energiesystems. Szenarienaussagen werden maßgeblich durch Rahmenbedingungen (Gesellschaft, Ökonomie, Technik) beeinflusst. Ziel dieses Kapitels ist es, die Treiber für die energiewirtschaftliche Entwicklung zu identifizieren, die in einer zukünftigen Welt am wahrscheinlichsten anzutreffen sind. Hierunter fallen beispielsweise die Entwicklung des Primärenergiebedarfs, Energieträgerpreisentwicklungen oder auch politische Zielsetzungen inklusive der dahinter stehenden Maßnahmen und Instrumente. Im Folgenden werden Studien betrachtet, welche die globale, europäische oder nationale Energiebedarfsentwicklung untersuchen, um maßgebliche, robuste Treiber zu identifizieren. Die Auswahlkriterien für die Studien sind dabei ihre Aktualität (nicht älter als 2011), die energiepolitische Relevanz sowie der betrachtete Zeithorizont (mind. bis 2035).

Der Anteil kohlegefeuerter Kraftwerke an der deutschen Bruttostromerzeugung betrug im Jahr 2013 ca. 45%. Etwa 26% der installierten gesamten Kraftwerksleistung sind kohlegefeuerte Kraftwerke (2014: Steinkohle: 26,9GW, Braunkohle: 20,9GW). Nach Angaben der Bundesnetzagentur werden in Deutschland bis zum Jahr 2016 neue kohlegefeuerte Kraftwerke mit einer Leistung von 4,3GW in Betrieb genommen. Dem steht eine endgültige Stilllegung veralteter kohlegefeuerter Anlagen von etwa 3,4GW gegenüber (vgl. [1–4]).

Kohlekraftwerke tragen in der Europäischen Union mit etwa 26% zur Bruttostromerzeugung bei. Der Anteil der Kohleverstromung ist in den EU-Mitgliedsstaaten unterschiedlich ausgeprägt. In Ländern wie Polen und Estland ist die Kohleverstromung mit einem Anteil von fast 90% besonders signifikant. Weitere Länder mit einem relativ hohen Kohleverstromungsanteil (> 40%) sind Tschechien, Griechenland, Bulgarien sowie Dänemark.

Der Anteil gasgefeuerter Kraftwerke an der deutschen Bruttostromerzeugung beträgt aktuell etwa 14%. Die installierte Kapazität beträgt ca. 26,5GW, was einem Anteil von 16% an der gesamten installierten Kraftwerksleistung entspricht. Nach dem Netzentwicklungsplan (NEP) 2013 [1] wird der Kapazitätszubau bis zum Jahr 2015 knapp 1,4GW (heute in Bau befindliche Kraftwerke) betragen. Diesem Zubau steht eine Stilllegung veralteter Anlagen von 140MW gegenüber.

Der vergleichbare Anteil von Gaskraftwerken an der EU-weiten Stromerzeugung beträgt ca. 23%. Innerhalb der EU ist die Gasverstromung in Großbritannien, Niederlande, Irland und Italien mit Anteilen von über 40% besonders ausgeprägt. Weitere Länder mit einem relativ hohen Gasverstromungsanteil von über 30% sind Portugal, Belgien und Spanien. In den einschlägigen Energieprojektionenwird davon ausgegangen, dass der Einsatz von Gaskraftwerken EU-weit zunehmen wird (vgl. Kap. 2). Gasgefeuerte Kraftwerke stellen gesicherte Leistung zur Verfügung und werden heute vorzugsweise zur Mittel- und Spitzenlasterzeugung eingesetzt. Im Vergleich zu bestehenden Kohlekraftwerken weisen sie in der Regel bessere Flexibilitätseigenschaften auf, die insbesondere vor dem Hintergrund der Zunahme volatiler Stromerzeugung immer wichtiger werden. Ein weiterer Vorteil sind die im Vergleich zu Kohlekraftwerken deutlich niedrigeren spezifischen Investitionen. Nachteilig sind die relativ hohen und volatilen Brennstoffkosten. In aktuellen Energieprojektionen wird davon ausgegangen, dass diese zukünftig weiter steigen werden (vgl. Kap. 2).

Bei der energetischen Nutzung fossiler Energieträger wird Kohlendioxid (CO₂) erzeugt. CO₂ gilt als Klimagas. Es besteht die Möglichkeit, die Freisetzung von CO₂ zu reduzieren, indem es aus dem Rauchgas von Kohlekraftwerken oder aus dem Synthesegas von Vergasungsanlagen abgeschieden und gespeichert wird. Die Prozesskette aus CO₂-Abscheidung und CO₂-Speicherung wird als Carbon Capture and Storage (CCS)-Technik bezeichnet. Für die CO₂-Abscheidung stehen verschiedene technische Verfahren zur Auswahl. Die drei favorisierten Verfahrensrouten sind: Post-Combustion, Oxyfuel und Pre-Combustion. Nachfolgend wird eine Beschreibung vom Stand der Technik, der Vor- und Nachteile sowie ein Ausblick über technische Weiterentwicklungen dieser Verfahren gegeben. Informationen zu den Verfahren finden sich in [1–4].

Vor dem Hintergrund einer möglichen Kohlendioxid(CO₂)-Abscheidung bei Kraftwerken (Kap. 5) und den damit anfallenden CO₂-Mengen kann die stoffliche Nutzung des CO₂ einen Beitrag zur Reduktion der CO₂-Emission und eine Ergänzung zur CO₂-Speicherung liefern. Die CO₂-Abscheidung mit anschließender Nutzung wird als Carbon-Capture-and- Utilization(CCU)-, die CO₂-Abscheidung mit anschließender Speicherung als Carbon- Capture-and-Storage(CCS)-Technik bezeichnet. Bisherige Nutzungen von CO₂ basieren auf industriellen Quellen, bei denen CO₂ als Kuppelprodukt oder Emission anfällt. Das CO₂ kann sowohl physikalisch, chemisch als auch biologisch genutzt werden. Es dient beispielsweise als Inertgas zur Erdölexploration oder als Werkstoff für die Herstellung von Chemikalien, Kraft- und Kunststoffen. Die Klimaschutzrelevanz der verschiedenen Nutzungsmöglichkeiten hängt neben der eingesetzten Menge von der Dauer der Fixierung und der Energiebilanz ab. Die bisherigen Nutzungen sind bezüglich der Klimarelevanz von geringer Bedeutung [1, 2].

Im Gegensatz zu der direkten Sonnenenergie ist die Windenergie eine indirekte Art der Sonnenenergie. Die Einstrahlung der Sonne erwärmt die Erdoberfläche und die darüber liegenden Luftschichten unterschiedlich – d. h., wegen ihrer niedrigen Wärmekapazität werden im Sommerhalbjahr die Kontinentalflächen bei Tag stärker erwärmt als die Ozeane. Dies bewirkt auf verschiedenen Gebieten der Erdoberfläche Dichte- und Druckunterschiede, die in fluktuierenden Luftströmungen ihren Ausgleich finden. Diese fluktuierenden Luftströmungen bzw.Winde können technisch durchWindenergieanlagen (WEA) genutzt werden, die in den strömenden Luftmassen enthaltene kinetische Energie in elektrische Energie umwandeln. Dabei wird die Energie des Windes über die Rotorblätter zunächst in mechanische Rotationsenergie und dann über einen Generator in elektrische Energie umgewandelt (Abb. 7.1).

Die Photovoltaik (PV)-Technologien wandeln mittels photoelektrischen Effekts solare Strahlung direkt in elektrische Energie um. Ein PV-System besteht im Allgemeinen aus den folgenden Komponenten: Solarmodule, Wechselrichter, Verkabelung und Aufständerung. In den Modulen wandeln die PV-Zellen die solare Strahlungsenergie in elektrische Energie, in Gleichstrom, um. Wechselrichter transformieren diesen in Wechselstrom, um ihn in das Stromnetz einspeisen zu können. Die Verkabelung dient der Zusammenführung des in den Modulen erzeugten Stromes und der Anbindung an das Stromnetz. Mittels Aufständerung oder anderen Halterungssystemen wird das PV-System auf ein Dach angebracht oder in der Freifläche aufgestellt. Zusätzlich kann über die Aufständerung der Winkel der PV-Module zur Einstrahlungsrichtung festgelegt werden.

PV-Module bestehen aus mehreren miteinander verschalteten PV-Zellen. Die zugrunde liegendenMaterial- und Zellkonzepte dienen der technologischen Klassifizierung der PVSysteme. In den folgenden Unterkapiteln werden verschiedene Konzepte beschrieben.

Die solarthermische Stromerzeugung basiert grundsätzlich auf der Absorption von Sonnenenergie durch ein Arbeitsmedium. Das hierdurch erhitzte Arbeitsmedium wird anschließend zum Antrieb eines thermodynamischen Arbeitsprozesses genutzt und somit elektrische Energie erzeugt. Kurz gesagt, entspricht ein solarthermisches Kraftwerk einem konventionellen Kraftwerk mit dem Unterschied, dass die benötigte Wärme zum Kraftwerksbetrieb aus konzentrierter Solarstrahlung gewonnen wird. In technischer Hinsicht zeichnet sich die solarthermische Stromerzeugung durch folgende Merkmale aus:

- hohe Wirkungsgrade bis über 20% möglich,

- bedarfsgerechte Stromerzeugung durch kostengünstige Integration von hocheffizienten thermischen Speichern und

- gesicherte Kapazität durch optionale Hybridisierung mittels Zusatzfeuerung.

Wieder aufladbare Batterien, die als Sekundärbatterien bezeichnet werden (im Gegensatz zu nicht aufladbaren Batterien, den sogenannten Primärbatterien), bestehen aus einer oder mehreren elektrochemischen Zellen. In diesen laufen reversible elektrochemische Reaktionen ab, welche beim Wechsel von Lade- und Entladeprozessen umgekehrt werden. Die Einzelzellen bestehen aus einer Kombination von zwei Elektroden (Kathode und Anode) aus verschiedenen Materialien, einem ionenleitenden Elektrolyten, der den Ladungstransport ermöglicht, und einem Separator. Während des Ladevorgangs wird die zu speichernde elektrische Energie in chemisches Potenzial umgewandelt, welches reversibel als Entladestrom (Gleichstrom) wieder abgegeben werden kann. Für den netzgekoppelten Betrieb von Batteriesystemen sind Stromrichter erforderlich, die beim Laden den Netz- Wechselstrom in Gleichstrom und beim Entladen den Gleichstrom aus der Batterie in Wechselstrom umwandeln.

In Druckluftspeichern (engl. Compressed Air Energy Storage – CAES) wird elektrische Energie mechanisch in Form von komprimierter Luft gespeichert. Man unterscheidet im Allgemeinen zwischen diabaten, adiabaten und isothermen Konzepten.

Der Begriff „Power-to-Gas“ bezeichnet das Konzept, Strom in einen gasförmigen Energieträger zu überführen, der sich in großen Mengen und über einen langen Zeitraum speichern lässt. Dieser Energieträger kann entwederWasserstoff sein, der mittels Elektrolyse ausWasser und Strom gewonnen wurde, oder Methan, das durch die Methanisierung von Wasserstoff und Kohlendioxid entsteht. Im zweiten Fall spricht man dann von synthetischem Erdgas oder SNG (englische Abkürzung für „Synthetic Natural Gas“ bzw. „Substitute Natural Gas“). Aufgrund der größeren Speicherkapazität des Erdgasnetzes im Vergleich zum Stromnetz, ist zur Speicherung großer Gasmengen die Einspeisung des produzierten Synthesegases ins Erdgasnetz vorgesehen. Da es sowohl für die Beimischung vonWasserstoff ins Erdgasnetz als auch für dessen Nutzung in erdgasgefeuerten Stromerzeugungsanlagen Grenzen für den Wasserstoffanteil gibt, wird für die breite Nutzung die Methanisierung desWasserstoffs angestrebt. Das synthetische Erdgas kann unbegrenzt ins Gasnetz eingespeist werden, solange die Speicherkapazität des Netzes ausreicht.

Wasserstoffspeicherkraftwerke bestehen im Allgemeinen aus drei Hauptkomponenten: einem Elektrolyseur, einem Wasserstoffspeicher und einer Rückverstromungseinheit. Elektrische Energie wird dem Stromnetz entnommen und der Elektrolyse zugeführt. Der dort produzierteWasserstoff wird anschließend verdichtet und gespeichert. Zu einem späteren Zeitpunkt kann er dann rückverstromt werden. Auf konventionelle Pfade derWasserstofferzeugung wie z.B. die Erdgasreformierung wird an dieser Stelle nicht eingegangen, da mit derartigen Verfahren kein Strom-zu-Strom-Speicher aufgebaut werden kann. Zu einer Wasserstoffwirtschaft mit all seinen Facetten wird auf [17] verwiesen.

Kabeltechnologien und Freileitungssysteme stellen elementare Bestandteile der elektrischen Energieversorgungsinfrastruktur dar. Im Wesentlichen wird die Übertragungskapazität der Leiterseile durch ihre thermische Belastbarkeit limitiert. Im Betrieb erwärmen sich Leiterseile proportional zum führenden Strom. Die Erwärmung führt zu einer materialspezifischen Ausdehnung der Leiterseile, welche in einem stärkeren Durchhang resultiert. Speziell bei Freileitungen stellt deren maximal zulässige Leiterseiltemperatur und der damit verknüpfte Durchhang der Leiterseile bzw. minimale Abstand vom Boden die wesentliche Beschränkung der Strombelastbarkeit dar. Sowohl neuartige Hochtemperaturleiterseile (HT-Leiterseile) als auch das Freileitungsmonitoring (FLM) sind eine vieldiskutierte Möglichkeit, zeitnah und unter Vermeidung langwieriger Genehmigungsverfahren den Netzbetrieb zu optimieren, und somit kurzfristig oder dauerhaft eine Erhöhung der Übertragungskapazität der bestehenden Übertragungsnetze zu optimieren [1]. Damit bieten beide Technologien dieMöglichkeit, kurz- und mittelfristig eine höhere Flexibilität im Betrieb der Drehstromfreileitungen zur Verfügung zu stellen. Einerseits kann damit der Ausbau der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien weiterhin netzseitig unterstützt und andererseits Zeit für Forschung und Entwicklung von Stromnetzkonzepten für das zukünftige Energiesystem gewonnen werden. Allerdings kann mit FLM und HT-Leiterseilen als einzige Maßnahme ein grundsätzlicher Ausbaubedarf der Stromnetze kaum reduziert werden, da die notwendigen höheren Belastungsreserven nur zeitweise zur Verfügung gestellt werden können.

Der Weg zu einem nachhaltigen, regenerativen Energieversorgungssystem bedeutet auch und gerade für die Verteilungsnetze einen tiefgreifenden strukturellen Wandlungsprozess. In Abb. 15.1 ist der Aufbau des elektrischen Versorgungssystems mit den einzelnen Netzebenen (NE) und der Anfang 2014 installierten Erzeugungsleistung der erneuerbaren Energien (EE) je Netzebene für Deutschland dargestellt. Im Übertragungsnetz (Höchstspannung) sind vor allem konventionelle Großkraftwerke und einige große Windparks installiert. Im deutschen Verteilungsnetz (Hochspannung, Mittelspannung, Niederspannung) sind gegenwärtig etwa 97 % der Gesamtleistung der EE‐Anlagen installiert, insbesondere im Nieder‐ und Mittelspannungsnetz. Eine Anzahl von inzwischen über 1,5 Mio. EE‐Anlagen, insbesondere Photovoltaik und Windenergie, befindet sich in einer Netzinfrastruktur mit einem derzeit noch sehr geringen Grad an Netzüberwachung und Netzautomatisierung.

Im Zusammenhang mit Vorstellungen und Planungen zur Dezentralisierung der Energie‐ bzw. der Stromerzeugung, wird über die vermehrte Einbindung der Sektoren „private Haushalte“ und „Kleinverbraucher“ in die allgemeine Strom‐ und auch Nahwärmeversorgung nachgedacht. Dabei geht es um Kraftwärmekopplungsanlagen, die in Wohn‐ sowie gewerblichen Gebäuden installiert werden und nicht nur zur hausinternen, sondern auch zur allgemeinen Versorgung beitragen können.

Da die gekoppelte Strom‐ und Wärmeerzeugung im Vergleich zur getrennten Erzeugung effizienter ist, soll sie entsprechend europäischer und nationaler Richtlinien gefördert und ausgebaut werden. In Deutschland soll der Anteil von KWK‐Strom an der gesamten Stromerzeugung von aktuell etwa 15 % bis 2020 auf dann 25 % ansteigen. Unter Berücksichtigung der bisherigen Gegebenheiten lässt sich der resultierende zusätzliche Bedarf an KWK‐Leistung mit mehr als 10 GW_el beziffern. Der Zubau soll im gesamten Leistungsbereich erfolgen, der sich von wenigen kW_el bis zu einigen 100 MW_el erstreckt.

Raumlufttechnische (RLT) Anlagen werden zur Konditionierung der Luftqualität in Gebäuden eingesetzt und lassen sich zunächst anhand der zur erfüllenden thermischen Luftbehandlungsfunktionen in Lüftungs‐, Teilklima‐ und Klimaanlagen unterteilen (Abb. 17.1). Klimaanlagen stellen den vollen Funktionsumfang durch Heizen, Kühlen sowie Be‐ und Entfeuchten der Raumluft bereit, während Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung nur eine Luftbehandlungsfunktion (Heizen) erfüllen. Die Aufbereitung der Außenluft erfolgt entweder zentral mit Verteilung der Zuluft über Luftkanäle im Gebäude oder dezentral direkt in den zu konditionierenden Räumen. Des Weiteren können die Systeme anhand des Mediums zur Einbringung der Kühl‐ und Wärmeenergie unterschieden werden. Bei Nur‐Luft‐Systemen erfolgt eine zentrale Aufbereitung ausschließlich über die zugeführte Frischluft. Darunter fallen zentrale Lüftungsanlagen sowie Klimaanlagen, mit denen Kühllasten durch Einbringung kalter Luft gedeckt werden. Luft‐Wasser‐Systeme verfügen neben einer RLT‐Anlage über einen zusätzlichen Kaltwasserkreislauf zur Abfuhr der Kühllast. Zur Einbringung der zentral konditionierten Außenluft werden dabei Induktionsanlagen und Gebläsekonvektoren eingesetzt. Bei Nur‐Wasser‐Systemen wird die Raumkühlung über die Bauteilaktivierung, welche die thermische Gebäudemasse nutzt, oder Flächenkühlsysteme wie Kühldecken erreicht. Ein Luftaustausch findet nicht statt oder wird durch eine separate Lüftungsanlage realisiert. Dezentrale Luft‐Kältemittel‐Systeme umfassen Raumklimageräte, bei denen die Kältemaschine ganz oder teilweise im zu klimatisierenden Raum aufgestellt ist. Bei Kompaktgeräten sind wie bei zentralen Klimakältesysteme alle Teile der Kältemaschine in einem Gerät verbaut, während Splitanlagen über eine Innen‐ und eine Außeneinheit verfügen. Bei Multisplitanlagen versorgt eine Außeneinheit mehrere Inneneinheiten.

Die Wärmepumpe wendet in einem Kreisprozess technische Arbeit auf, um der Umgebung thermische Energie zu entziehen um dann durch Verdichtung eines verdampften Kältemittels auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen und sie Heizzwecken zuzuführen. Dabei sind die verfügbaren Wärmequellen Grund‐ und Oberflächenwasser, Außenluft, Erdreich und die Umwelt (Kombination aus Außenluft, Sonnenstrahlung, Regen und Wasserdampf). Ein Wärmepumpensystem zur Endenergiebereitstellung besteht aus den drei Systemelementen:

Die Wärmepumpen‐Systeme lassen sich nach dem Arbeitsprinzip unterteilen in Kompressions‐, Vuilleumier‐ und Sorptions‐Wärmepumpen. Im Folgenden wird auf die Funktionsweise und die wesentlichen technischen Eigenschaften der einzelnen Konzepte eingegangen. Zudem wird jedes Konzept in eines von vier Entwicklungsstadien eingeordnet und – sofern vorhanden – die bestehende Marktgröße evaluiert.

Im Vergleich mit der Stromerzeugung und der Energiebereitstellung im Allgemeinen ist die (End‐)Energieverwendung und damit verbunden das gesamte Feld der (End‐)Energieeffizienz sehr viel heterogener. Die Anzahl und Vielfalt der eingesetzten Technologien ist entsprechend den vielfältigen Anwendungszwecken sehr hoch und führt nicht nur zu einer starken Zersplitterung des Themenfeldes, sondern stellt eine große Herausforderung für analytische Untersuchungen in diesem Bereich dar. Entsprechend wird das Themenfeld Energieeffizienz zum einen über einzelne Technologiefelder abgedeckt (siehe Kap. 17 Raumklimatisierung und Kap. 18 Wärmepumpen) und zum anderen mit diesem eher breit ausgerichteten Kapitel vervollständigt. Entsprechend wird in diesem Kapitel eher ein Überblick über ein sehr breites Technologiefeld gegeben und weniger einzelne Technologien diskutiert. Dabei wird ein Schwerpunkt auf die Untersuchung des zukünftigen Strombedarfs gelegt. Hierzu werden Ergebnisse aktueller Szenariorechnungen mit dem Energiebedarfsmodell FORECAST ausgewertet. Es wird der Strombedarf in den Endverbrauchssektoren Haushalte, Gewerbe, Handel und Dienstleistungen (GHD) sowie Industrie untersucht. Alleine die Verwendung von Strom für Raumwärme und Warmwasser ist nicht Gegenstand dieses Kapitels, da sie eine hohe Interaktion mit anderen Brennstoffen aufweist und nicht isoliert bewertet werden kann.

Die politischen Ziele zur Erhöhung des Anteils der erneuerbaren Stromerzeugung am Energiemix sowie die Abkehr von der Kernenergie und fossiler Stromerzeugung haben einen Transformationsprozess des Stromversorgungssystems eingeleitet. Die Schwankungen von dezentraler Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen und der im Tagesverlauf variierende Strombedarf erfordern ein flexibles System. Neben flexiblen Kraftwerken und Speichern kann eine intelligente Verbrauchssteuerung dazu beitragen, die benötigte Flexibilität bereitzustellen.

Elektromobilität im weiten Sinn umfasst alle Fortbewegungsmittel, die mit einem Elektromotor angetrieben werden. Im Folgenden wird der Begriff „Elektrofahrzeug“ (Electric Vehicle, EV) auf Straßenfahrzeuge und weiter auf PKW und Kleintransporter fokussiert, die (nicht nur, aber auch) Antriebsenergie aus dem Stromversorgungsnetz beziehen können. Diese Definition schließt Hybrid‐ und Brennstoffzellenfahrzeuge ohne Netz‐Ladeoption aus. Nachfolgend sind zunächst die drei gängigen Antriebsschemata beschrieben. Diese Klassifizierung der Antriebsschemata ist inzwischen etabliert und konform mit der Klassifizierung durch die „Nationale Plattform Elektromobilität“.

Ein batterieelektrisches Fahrzeug (Battery Electric Vehicle, BEV) wird durch einen oder mehrere Elektromotoren angetrieben. Die elektrische Energie wird beim Fahren aus der Traktionsbatterie entnommen. Diese wird bei Bedarf aus dem Stromversorgungsnetz geladen.