Energiespeicher - Bedarf, Technologien, Integration (eBook)

Prof. Dr. Ing. Michael Sterner erforscht und lehrt an der Technischen Hochschule Regensburg in der Fakultat Elektro und Informationstechnik die Bereiche Energiespeicher, Energiewirtschaft und Integration erneuerbarer Energien. Zuvor war er am Fraunhofer IWES in leitender Funktion verantwortlich fur die Bereiche Systemanalyse und Energiewirtschaft und hat mit Kollegen die Speichertechnologie Power-to-Gas entwickelt. Der Ingenieur arbeitet ehrenamtlich in der Energietechnischen Gesellschaft des VDE, dem bayerischen Wirtschaftsministerium und dem Weltklimarat (IPCC), leitet Speicherkonferenzen von VDI und OTTI, ist beratend fur die Bundesregierung tatig und im wissenschaftlichen Beirat der International Renewable Energy Storage Conference der Eurosolar sowie der Energy Storage Dusseldorf. Prof. Dr.-Ing. habil. Ingo Stadler forscht und lehrt an der Fachhochschule Koln und ist dort fur die Erneuerbaren Energien und Energiewirtschaft verantwortlich. Er habilitierte an der Universitat Kassel. Seine Arbeiten umfassen die Netzintegration Erneuerbarer Energien und Energiesysteme mit hohen Anteilen an Erneuerbaren Energien und konzentriert sich auf die uber die Elektrizitat hinausgehenden, nichtelektrischen Speicher und das Lastmanagement. Er ist Mitglied des Beirats der International Renewable Energy Storage Conference sowie des International Centre for Sustainable Development of Energy, Water and Environment Systems. Uber ein Jahrzehnt arbeitete er im Photovoltaik-Programm der Internationalen Energieagentur IEA.

Widmung 5
Vorwort 6
Danksagung 8
Inhaltsverzeichnis 9
Inhaltsverzeichnis 12
I 20
Teil I Bedeutung und Einordnung von Speichern in der Energieversorgung 20
Kapitel-1 21
Energiespeicher im Wandel der Zeit 21
1.1100 % erneuerbare Energie vor der industriellen Revolution 22
1.1.1Photosynthese – Kernprozess der natürlichen Energiespeicherung 22
1.1.2Holz, Torf, Energiepflanzen – Nutzung der gespeicherten Solarenergie 27
1.2Fossile Energie im fossilen Zeitalter 32
1.2.1Entstehung fossiler Energie 32
1.2.2Nutzung und Emissionen fossiler Energie: Status quo 34
1.3Übergang und Rückführung zum Zeitalter der erneuerbaren Energien 36
1.3.1Klimawandel und Ressourcenknappheit – Treiber der globalen Energiewende 36
1.3.2Das Zeitalter der erneuerbaren Energien als verbleibende Frage der Zeit – Szenarien zur Wende 38
1.4 Zusammenfassung 39
Literatur 40
Kapitel-2 42
Definition und Klassifizierung von Energiespeichern 42
2.1Definition und Anwendung 43
2.2Nutzen von Speichern 50
2.3Klassifizierung von Speichern 52
2.3.1Physikalisch-energetische Klassifizierung 52
2.3.2Berechnung der wichtigsten Größen 54
2.3.3Zeitliche Klassifizierung 58
2.3.4Räumliche Klassifizierung 59
2.3.5Ökonomische Klassifizierung 60
2.4 Zusammenfassung 61
Literatur 63
II 64
Teil II Bedarf an Energiespeicherung 64
Kapitel-3 65
Speicherbedarf in der Stromversorgung 65
3.1Speicherbedarf und Überschüsse – Einflussfaktoren und Definitionen 66
3.1.1Grundsätzliche Einflüsse auf den Speicherbedarf 66
3.1.2Definition Speicherbedarf 67
3.1.3Unterscheidung marktbasierter und netzbasierter Stromüberschuss 68
3.2Langfristszenarien des Bundesumweltministeriums 69
3.2.1Entwicklung des Primär-, End- und Nutzenergiebedarfs 69
3.2.2Entwicklung des Strommix 72
3.2.3Auswirkung von Mindesterzeugung und Import/Export auf den Speicherbedarf 75
3.2.4Auswirkung von Lastmanagement auf den Speicherbedarf 77
3.2.5Speichereinsatz bei erneuerbaren Anteilen von 40 %, 63 % und 85 % 79
3.2.6Zusammenfassung 81
3.3»100 % Strom aus erneuerbaren Quellen« laut Umweltbundesamt 82
3.3.1Annahmen zum Stromverbrauch in 2050 82
3.3.1.1Rahmenbedingungen und Übersicht 82
3.3.1.2Herleitung der Einsparpotenziale und sektorielle Entwicklung 83
3.3.2Technisch-ökologische Potenziale von erneuerbaren Energien, Speichern und Lastmanagement 84
3.3.2.1Potenziale erneuerbarer Energien 84
3.3.2.2Potenziale der Speicher 86
3.3.2.3Potenziale des Lastmanagements 87
3.3.3Annahmen und Modellierung des Szenarios für 2050 88
3.3.3.1Das Szenario »Regionenverbund« 88
3.3.3.2Modellbildung und Simulation des Szenarios 89
3.3.4Ergebnisse zu Speicherbedarf und Versorgungssicherheit 90
3.3.4.1Einspeiseverhalten erneuerbarer Energien über verschiedene Jahre 90
3.3.4.2Auswertung der Residuallast als Indikator für Überschüsse und Defizite 92
3.3.4.3Speichereinsatz in einer zu 100 % erneuerbaren Stromversorgung 93
3.3.5Zusammenfassung 98
3.4VDE-ETG-Studie zum marktbasierten Speicherbedarf 99
3.4.1Methodik 100
3.4.2Annahmen der Modellbildung und Eingangsdaten 102
3.4.2.1Allgemeine Annahmen 102
3.4.2.2Annahmen zur Ermittlung der Residuallast 102
3.4.2.3 Annahmen der Jahresbetriebssimulation 103
3.4.2.4Annahmen der Kostenanalyse 104
3.4.3Szenarien-übergreifende Erkenntnisse 104
3.4.3.1Anlagen im Stromversorgungssystem flexibilisieren 104
3.4.3.2Auslegung der Speicher auf Leistungsspitzen vermeiden 104
3.4.4Erkenntnisse aus dem 40 %-Szenario 106
3.4.4.1Thermische Kraftwerke und erneuerbares Einspeisemanagement kosteneffizient 106
3.4.4.2Speicher nur in geringem Umfang für erneuerbaren Strom benötigt 106
3.4.5Erkenntnisse aus dem 80 %-Szenario 107
3.4.5.1Kurz- und Langzeitspeicher im Einsatz für den Klimaschutz 107
3.4.5.2Kombination aus Kurz- und Langzeitspeicherung sowie Abregelung empfehlenswert 108
3.4.6Erkenntnisse aus dem 100 %-Szenario 110
3.4.7Zusammenfassung 111
3.5Untersuchungen zum netzbasierten Speicherbedarf 112
3.5.1Methodisches Vorgehen zur Unterscheidung von markt- und netzbasiertem Speicherbedarf 112
3.5.2Fallstudie Power-to-Gas in Deutschland im Jahr 2022 bei verzögertem Netzausbau 112
3.5.3Minimaler Speicherbedarf im europäischen Netzverbund 115
3.5.4Zusammenfassung 115
3.6Gegenüberstellung und Einordnung der Ergebnisse 116
3.6.1Gegenüberstellung der Ergebnisse der drei Studien 116
3.6.2Einordnung der Ergebnisse im Vergleich zu weiteren Studien 116
3.6.2.1DIW-Studie »Stromspeicher als zentrales Element der Integration von Strom aus erneuerbaren Energien« 118
3.6.2.2NOW-Studie »Integration von Wind-Wasserstoff-Systemen in das Energiesystem« 120
3.6.2.3SRU-Sondergutachten »Wege zur 100 % erneuerbaren Stromversorgung« 122
3.6.2.4Fraunhofer IWES-Studie »Geschäftsmodell Energiewende« 124
3.6.2.5Fraunhofer ISE-Studie »Energiesystem Deutschland 2050« 125
3.6.2.6BMU-Studie »Flexibilitäts- und Speicheroptionen« 126
3.6.2.7Agora-Studie »Energiespeicher in der Energiewende« und BMU-Studie »Roadmap Speicher« 128
3.7 Zusammenfassung 129
Literatur 132
Kapitel-4 134
Speicherbedarf in der Wärmeversorgung 134
4.1Grundlagen und Ziele 135
4.2Entwicklung des Wärmebedarfs 135
4.3Entwicklung des Wärmemix 136
4.3.1Fossile Wärmebereitstellung 136
4.3.2Erneuerbare Wärmebereitstellung 136
4.3.3Beispiel Raumwärme 137
4.4Paradigmenwechsel im Wärmesektor 138
4.4.1Beispiel Wandel Erdöl – Erdgas – erneuerbare Energien 138
4.4.2Strom als Primärenergie 139
4.5Speicherbedarf in einem Klimazielszenario für das Energiesystem Deutschland im Jahr 2050 140
4.5.1Szenariorahmen, Modell und Annahmen 140
4.5.2Ergebnisse zum Speichereinsatz im Wärmebereich 141
4.6Überschüsse, Speicherbedarf und Speicherpotenziale 143
4.6.1Überschüsse im Wärmesektor 143
4.6.2Entwicklung des Speicherbedarfs 145
4.6.3Speicherpotenziale 147
4.7Zusammenfassung 153
Literatur 154
Kapitel-5 155
Speicherbedarf im Verkehrssektor 155
5.1Grundlagen und Ziele 156
5.1.1Ausgangslage und Entwicklung der letzten Jahrzehnte 156
5.1.2Zielsetzungen im Verkehrssektor 156
5.2Entwicklung des Mobilitätsbedarfs 157
5.2.1Entwicklung der Bevölkerung 157
5.2.2Entwicklung der Wirtschaftsleistung 158
5.2.3Bandbreite der Entwicklung des Bedarfs in Personen- und Güterverkehr 158
5.3Entwicklung der Energie- und Kraftstoffversorgung 158
5.3.1Entwicklung im Personenverkehr 158
5.3.2Entwicklung im Güterverkehr 160
5.3.3Entwicklung des Energiemix im Verkehrssektor 161
5.4Paradigmenwechsel im Verkehrssektor 164
5.4.1Elektrifizierung der Mobilität über Batterien und Stromkraftstoffe 164
5.4.2Integration erneuerbarer Energien als Grundpfeiler der Mobilität 167
5.5Speicherbedarf 167
5.5.1Heutiger Speicherbedarf 167
5.5.2Speicherbedarf in einem zu 50 % erneuerbar versorgten Mobilitätssektor 169
5.5.3Speicherbedarf für Verkehr in der Studie des Fraunhofer ISE 170
5.6Zusammenfassung 170
Literatur 172
III 174
Teil III Technologien der Energiespeicherung 174
Kapitel-6 175
Elektrische Energiespeicher 175
6.1 Kondensatoren – Supercaps 176
6.1.1 Grundlagen eines Kondensators 176
6.1.2 Vom Kondensator zum Doppelschichtkondensator 179
6.1.2.1 Die Doppelschichtkapazität 179
6.1.2.2 Die Pseudokapazität 180
6.1.2.3 Bestimmung der Kapazität 180
6.1.2.4 Aufbau 181
6.1.3 Ladung und Entladung 182
6.1.3.1 Aufladung des Kondensators 182
6.1.3.2 Entladung des Kondensators 184
6.1.3.3 Lade- und Entladeverhalten von Superkondensatoren 186
6.1.4 Verluste, Wirkungsgrad und weitere Kennwerte 188
6.1.5 Lebensdauer 192
6.1.6 Anwendungsgebiete 195
6.2 Supraleitfähige elektromagnetische Energiespeicher 196
6.2.1 Grundlagen der Supraleitung 197
6.2.2 Supraleitfähiger elektromagnetischer Energiespeicher 198
6.2.2.1 Wirkungsgrad und Verluste von SMES 203
6.2.2.2 Einsatzgebiete von SMES 205
6.3 Zusammenfassung 206
Literatur 206
Kapitel-7 208
Elektrochemische Energiespeicher 208
7.1Grundlagen 209
7.1.1Physikalische Grundzusammenhänge 209
7.1.2Potenzialausbildung an Elektroden 210
7.1.3Elektrodengleichgewicht 212
7.1.4Nernst‘sche Gleichung 213
7.1.5Elektrochemische Umsätze an Elektroden 214
7.1.6Elektrochemische Zellen und Zellreaktionen 214
7.1.7Elektroden- und Zellpolarisation 216
7.1.8Nebenreaktionen 218
7.1.9Energie- und Wirkungsgradbetrachtungen 218
7.1.10Typen elektrochemischer Energiespeicher und -wandler 219
7.1.11Elektrolyte 220
7.1.12Bauformen von Zellen 220
7.1.13Kenngrößen von Energiespeichern 222
7.2Blei-Säure-Batterien 223
7.2.1Aufbau 225
7.2.2Grundreaktionen, Gleichgewicht, Zellenspannung 226
7.2.3Stoffmengenbilanz, Speicherfähigkeit 228
7.2.4Entladecharakteristik 229
7.2.5Die Nebenreaktionen 231
7.2.6Laden von Bleibatterien 235
7.2.7Die verschlossene Bleibatterie 237
7.2.8Alterungsmechanismen 240
7.3Nickel-Batterien 242
7.3.1Nickel Cadmium-Batterien 243
7.3.1.1 Zellen 243
7.3.1.2 Positive Elektrode 244
7.3.1.3 Negative Elektrode 248
7.3.1.4 Elektrolyte 249
7.3.1.5 Technologien für alkalische Zellen 249
7.3.1.6 Eigenschaften von Nickel-Cadmium-Zellen 252
7.3.1.7 Aufbauformen und Anwendungsgebiete 253
7.3.1.8 Wasserzersetzung beim Laden 255
7.3.2Nickel-Metall-Hydrid Batterien 255
7.3.2.1Chemische Reaktionen 256
7.3.2.2Negative Speicherelektrode 256
7.3.2.3Anwendungen 258
7.4Lithium-Batterien 259
7.4.1Funktionsprinzip, chemische Reaktionen und Aktivmaterialien 261
7.4.2Zellspannung 262
7.4.3Elektrolyt und elektrochemisches Stabilitätsfenster 265
7.4.4Weitere Zellkomponenten 268
7.4.5Leitfähigkeit der Elektrodenmaterialien 270
7.4.6Bauformen und Anwendungsgebiete 272
7.4.7Betriebsweise und typische Leistungskenndaten 277
7.4.7.1 Laden- und Entladen von Lithium-Zellen 277
7.4.7.2 Entladecharakteristik 278
7.4.7.3 Temperaturverhalten 279
7.4.7.4 Lebensdauer und Selbstentladung 279
7.4.7.5 Sicherheit von Lithiumionen-Zellen 280
7.5Natrium-Schwefel-Batterien 282
7.5.1Die Elektroden 283
7.5.2 Der Elektrolyt/Separator 283
7.5.3Das Heizsystem 284
7.5.4Formen und Modulgrößen 286
7.5.5Lade- und Entladevorgang 286
7.5.6Zyklen, Kapazitäten und Lebensdauer 290
7.5.7Wirkungsgrad, Leistung und Energien 291
7.5.8Gefahren und Sicherheit 292
7.6Redox-Flow-Batterien 293
7.6.1Aufbau und Funktionsweise der Redox-Flow-Zelle 294
7.6.2Mögliche Materialpaarungen 298
7.6.3Lade- und Entladestrategien 299
7.6.4Energie-, Leistungsdichte und Wirkungsgrad 301
7.6.5Die Redox-Flow-Batterie im Vergleich 301
7.6.6Lebensdauer und lebensdauerverkürzende Mechanismen 302
7.6.7Anwendungsbereiche von Redox-Flow-Batterien 302
7.6.8Recycling, Umwelt und Sicherheit 303
Literatur 303
Kapitel-8 306
Chemische Energiespeicher 306
8.1Grundlagen 307
8.1.1Das C-H-O-System als Basis der chemischen Energiespeicherung 307
8.1.2Wasserstoff als Energieträger 309
8.1.3Wasserstoffherstellung 311
8.1.3.1Elektrolytische Verfahren 313
8.1.3.2Thermochemische Verfahren 314
8.1.3.3Photolytische Verfahren 318
8.1.4Thermodynamik der Wasserspaltung 319
8.1.4.1Gesamtreaktion und maximale Wirkungsgrade 319
8.1.4.2Nernst’sche Gleichung und zusätzliche Verluste 321
8.1.5Elektrolytische Leitfähigkeit 323
8.1.5.1Von der Ionenwanderung zum elektrischen Stromfluss 323
8.1.5.2Spezifische und molare Leitfähigkeit 326
8.1.5.3Messung der elektrolytischen Leitfähigkeit 328
8.2Einspeichertechnologie Wasserelektrolyse 330
8.2.1Überblick 330
8.2.2Elektrolysezelle – Elektrolysearten 331
8.2.2.1Alkalische Elektrolyse (AEL) 331
8.2.2.2Membran-Elektrolyse (PEM, PEMEL) 333
8.2.2.3Hochtemperatur-Elektrolyse (HTES) 335
8.2.3Elektrolyseblock – Stackdesign 336
8.2.4Elektrolyseur, Elektrolyse-Anlage und ihre Peripherie 337
8.2.4.1Vorgeschaltete Anlagenkomponenten – Wasser und Laugen 337
8.2.4.2Nachgeschaltete Anlagen­komponenten – Gasaufbereitung 338
8.2.4.3Übergeordnete Anlagenkomponenten – Energie, Stoffe, Steuer- und Regelsysteme 338
8.2.5Vergleich der einzelnen Elektrolysetechnologien 339
8.2.6Wirkungsgradsteigerung durch Abwärmenutzung 339
8.2.6.1Grundlagen 339
8.2.6.2Auslegungs- und Berechnungsgrundlagen 339
8.2.6.3Integrationsmöglichkeiten der Abwärme 344
8.2.6.4Auswirkungen der Abwärmenutzung 345
8.3Einspeichertechnologien Methanisierung und chemische Synthesen 346
8.3.1Überblick und CO2-Quellen 346
8.3.1.1Synthesen – die Lösung des »Henne-Ei-Problems« von Wasserstoff 346
8.3.1.2CO2-Quellen für Power-to-Gas, Power-to-Liquid und Power-to-Chemicals 347
8.3.2Chemische Methanisierung 349
8.3.2.1Grundlagen 351
8.3.2.2Reaktorkonzepte 353
8.3.3Biologische Methanisierung 357
8.3.3.1Grundlagen 358
8.3.3.2Reaktorkonzepte 360
8.3.4Methanolsynthese 365
8.3.4.1Grundlagen 365
8.3.4.2Reaktorkonzepte 367
8.3.5Fischer-Tropsch-Synthese 369
8.3.5.1Grundlagen 370
8.3.5.2Reaktorkonzepte 375
8.4Speichermedien und Lagerung 376
8.4.1Gasförmige Speichermedien 377
8.4.1.1Speicherbehälter 377
8.4.1.2Untertage-Gasspeicher in geologischen Formationen 379
8.4.1.3Salzkavernen 380
8.4.1.4Porenspeicher 383
8.4.1.5Felskavernen und aufgelassene Bergwerke 386
8.4.1.6Vergleich der Gasspeichertechnologien 387
8.4.1.7Heutiges und zukünftiges Potenzial der Speicherkapazitäten 389
8.4.2Flüssige Speichermedien 390
8.4.2.1Flüssiggas, Autogas, LPG, LNG und CNG 390
8.4.2.2Erdöl 391
8.4.2.3Biokraftstoffe 395
8.4.2.4Methanol und Dimethylether (DME) 397
8.4.3Feste Speichermedien 397
8.4.3.1Kohle 397
8.4.3.2Biomasse 399
8.5Ausspeichertechnologien 401
8.5.1Stromerzeugung durch Kraft-Wärme-Kopplung 401
8.5.1.1Brennstoffzelle 401
8.5.1.2Gasturbinenkraftwerk 407
8.5.1.3Gas- und Dampf-Kraftwerk 409
8.5.1.4Blockheizkraftwerk 410
8.5.2 Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden 411
8.5.2.1Gasheizung 411
8.5.2.2Gaswärmepumpe 413
8.5.2.3Sorptionskältemaschinen 416
8.5.3Mobilität und Verkehr 417
8.5.3.1Ottomotor und Vier-Takt-Prinzip 417
8.5.3.2Dieselmotor 418
8.5.3.3Turbine und Strahltriebwerk 418
8.6Das Speichersystem Power-to-Gas 420
8.6.1Anfänge von Power-to-Gas 420
8.6.2Power-to-Gas-Wasserstoff 423
8.6.2.1Stoffliche Nutzung 423
8.6.2.2Energetische Nutzung über eine Wasserstoffinfrastruktur 424
8.6.2.3Energetische Nutzung durch Beimischung zu Erdgas und Nutzung der vorhandenen Gasinfrastruktur 425
8.6.3Power-to-Gas-Methan 426
8.6.3.1CO2 aus der Luft 428
8.6.3.2CO2aus Biogasaufbereitungsanlagen 429
8.6.3.3CO2 als Bestandteil von Bio- und Klärgas aus Biogas- und Klärgasanlagen 431
8.6.3.4CO2 aus dem Rauchgas von Kohlekraftwerken 432
8.6.3.5CO2-Recycling aus Gaskraftwerken und weiteren Quellen 433
8.6.4Wirkungsgrade, Potenziale, CO2-Emissionen und Kosten 433
8.6.4.1Wirkungsgradsteigerung durch Integration der Hochtemperatur-Elektrolyse 433
8.6.4.2Wirkungsgrade der Power-to-Gas-Systeme 434
8.6.4.3Potenziale für die Energiespeicherung 434
8.6.4.4CO2-Emissionen von Power-to-Gas 435
8.6.4.5Kosten von Power-to-Gas 438
8.6.5Vor- und Nachteile von Wasserstoff vs. Methan 439
8.6.5.1Power-to-Gas-Wasserstoff 439
8.6.5.2Power-to-Gas-Methan 442
8.7Das Speichersystem Power-to-Liquid 442
8.7.1Power-to-Liquid zur Gewinnung von Fischer-Tropsch- Flüssigkraftstoffen 444
8.7.2Power-to-Liquid zur Gewinnung von Methanol 444
8.7.3Wirkungsgrade, Kosten und erste Märkte 446
8.8Ocean Fuels als Weiterentwicklung von Power-to-Gas und Power-to-Liquid 447
8.8.1Rohstoffe und Kraftstoffe vom Meer – eine Frage des Potenzials und der Akzeptanz 447
8.8.2Option schwimmende Windplattformen 450
8.8.3Option Segelenergie 453
8.9CO2-minderndes Energiesystem mit Power-to-Gas, Power-to-Liquid und Ocean Fuels 456
8.10 Zusammenfassung 458
Literatur 460
Kapitel-9 465
Mechanische Energiespeicher 465
9.1Gasförmige Medien 466
9.1.1Druckluftspeicherkraftwerke 466
9.1.1.1Hintergrund und erste Anlagen 466
9.1.1.2Wirkungsgrade von diabaten und adiabaten Druckluftspeichern 473
9.1.1.3Klassifizierung 474
9.1.2Erneuerbare, emissionsfreie Druckluftspeicherprozesse 474
9.1.2.1Adiabate Druckluftspeicher 475
9.1.2.2Isotherme Druckluftspeicher 482
9.1.2.3Flüssigluftenergiespeicher 483
9.1.3Druckluftspeichervolumen 485
9.2Flüssige Medien 489
9.2.1Pumpspeicherwerke 489
9.2.1.1Grundlagen 490
9.2.1.2Kennwerte 491
9.2.1.3Kosten 493
9.2.2Innovative Konzepte zur Speicherung potenzieller Energie in flüssigen Medien 494
9.2.2.1Ringwallspeicher 494
9.2.2.2Kugelpumpspeicher 502
9.2.2.3Staustufenspeicher 504
9.2.2.4Nachnutzung von Bergbaurevieren 508
9.3Feste Medien 515
9.3.1Schwungradspeicher 515
9.3.1.1Physikalische Grundlagen 520
9.3.1.2Materialien 521
9.3.1.3Aufbau von Schwungradspeicheranlagen 522
9.3.1.4Bauformen des Schwungrads 522
9.3.1.5Lagerungsarten und Lageranordnung 525
9.3.1.6Laden und Entladen des Speichers 528
9.3.2Lageenergiespeicher 530
9.3.2.1Kennwerte 532
9.3.2.2Bau, Kosten und Wirtschaftlichkeit 537
9.4 Zusammenfassung 541
Literatur 541
Kapitel-10 545
Thermische Energiespeicher 545
10.1Unterscheidungsmerkmale thermischer Speicher 546
10.2Speichertechnologien 547
10.2.1Sensible Wärmespeicherung 547
10.2.2Latente Wärmespeicherung 547
10.2.3Thermochemische Wärmespeicherung 548
10.3Thermodynamische Grundlagen 548
10.3.1Thermische Energie 548
10.3.2Wärmeübertragung 549
10.3.3Wärmedämmung 550
10.4Sensible thermische Energiespeicher 551
10.4.1Speichermaterialien 552
10.4.2Speicher mit festem Speichermedium 554
10.4.2.1Erdsondenspeicher 554
10.4.2.2Erdkollektorspeicher 554
10.4.2.3Fundamentspeicher 555
10.4.2.4Thermisch aktive Bauteile 555
10.4.2.5 Speicherheizungen 556
10.4.3Speicher mit flüssigem Speichermedium 557
10.4.3.1Warm- und Heißwasserspeicherung in Beton-, Stahl- und Kunststoffbehältern 557
10.4.3.1.1 Kaltwasserspeicher 559
10.4.3.1.2 Salze, Öle und Natrium im Hochtemperaturbereich 559
10.4.3.1.3 Kavernen 560
10.4.3.2Warm- und Heißwasserspeicherung in Erdbecken 560
10.4.3.3Aquiferspeicher 561
10.4.3.4Erdbecken 562
10.4.4 Zusammenfassung 563
10.5Latente thermische Energiespeicher 563
10.5.1Charakterisierung von Materialien zur Latentwärmespeicherung 566
10.5.2Materialien zur Latentwärmespeicherung 567
10.5.2.1Salzhydrate 569
10.5.2.2Paraffine 570
10.5.2.3Verbundwerkstoffe 570
10.5.3Wärmeübertragungskonzepte 571
10.5.4 Zusammenfassung 575
10.6Thermochemische Energiespeicher 575
10.6.1Speichermaterialien thermochemischer Prozesse 576
10.6.1.1Chemisch reversible Reaktionen 577
10.6.1.2Adsorption 578
10.6.1.3Absorption 579
10.6.2Bauformen 579
10.6.3 Zusammenfassung 580
10.7Kosten 581
Literatur 582
Kapitel-11 585
Lastmanagement als Energiespeicher 585
11.1Besonderheiten von Demand Response im Vergleich zu anderen Energiespeichern 588
11.2Demand Response in Haushalten und Querschnitttechnologien 589
11.2.1Speicherheizungen 589
11.2.2Elektrische Warmwasserbereitung 591
11.2.3Elektrische Kälteerzeugung 594
11.2.4Heizungsumwälzpumpen 597
11.2.5Lüftungsanlagen 599
11.2.6Waschmaschinen, Wäschetrockner, Geschirrspülmaschinen 600
11.3Demand Response in der Industrie 601
11.4 Zusammenfassung 604
Literatur 604
Kapitel-12 606
Vergleich der Speichersysteme 606
12.1Überblick über technische und ökonomische Parameter 608
12.2Bestimmung der Anwendungsfelder durch Speicherkapazität und Auspeicherdauer 608
12.2.1Elektrische Energiespeicher – Kondensatoren und Spulen 614
12.2.2Elektrochemische Energiespeicher – Batterien 615
12.2.3Mechanische Energiespeicher – Pumpspeicher, Druckluft und Schwungmassen 616
12.2.4Thermische Energiespeicher – Wärmespeicher 616
12.2.5Chemische Energiespeicher – Power-to-X 617
12.2.6 Lastmanagement 618
12.3Kosten, Wirkungsgrad und Energiedichte im Vergleich 618
12.4Entwicklungsstand, Stärken und Schwächen 621
12.4.1Technologischer Entwicklungsstand der Energiespeicher 621
12.4.2Stärken und Schwächen verschiedener Technologien 622
12.5Perspektiven für Energiespeicher und gesellschaftliche Akzeptanz 628
12.6 Zusammenfassung 631
Literatur 632
IV 635
Teil IV Integration und Anwendung von Energiespeichern 635
Kapitel-13 636
Speicherintegration in einzelnen Energiesektoren 636
13.1Integration im Stromsektor 637
13.1.1Funktion und Nutzen von Speichern im Stromsektor 637
13.1.1.1 Erzeugungsausgleich und Arbitrage 637
13.1.1.2 Bereitstellung von Systemdienstl­eistungen 640
13.1.1.3 Netzbetriebsführung und weitere Markt- und Systembeiträge 642
13.1.2Pumpspeicherwerke und Speicherkraftwerke 643
13.1.2.1 Pumpspeicherwerke in Deutschland 646
13.1.2.1 Pumpspeicher- und ­Speicherwasserkraftwerke weltweit 648
13.1.3Schwungradspeicher 652
13.1.3.1 Ausgleich von Netzschwankungen 652
13.1.3.2 Unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlagen 656
13.1.3.3 Kurzzeitige Hochleistungsenergie 656
13.1.4Batteriekraftwerke und Batteriespeicher 656
13.1.4.1 Batteriekraftwerke für Systemdienstleistungen in Deutschland und den USA 656
13.1.4.2 Eigenverbrauch über Hausbatteriespeicher in Deutschland 659
13.1.5Inselnetze mit erneuerbaren Energien und Speichern 662
13.1.5.1 Hintergrund und Potenzial 663
13.1.5.2 Speicherintegration auf der Azoren-Insel Graciosa 665
13.1.5.3 Speicherintegration auf der Nordsee-Insel Pellworm 667
13.1.5.4 Speicherintegration auf der Pazifik-Insel Tokelau 671
13.1.5.5 Vergleich der Inselsysteme 676
13.1.6Wärmespeicher in solarthermischen Kraftwerken 677
13.1.6.1 Funktionsweise solarthermischer Kraftwerke 677
13.1.6.2 Wärmespeicher in Parabolrinnenkraftwerken 677
13.1.6.3 Wärmespeicher in Solarturmkraftwerken 678
13.2Integration im Wärmesektor 680
13.2.1Wärmespeicher für Solarthermie 680
13.2.1.1 Funktionsprinzip von Solaranlagen 681
13.2.1.2 Pufferspeicher für kleine Solaranlagen 683
13.2.1.3 Saisonale Wärmespeicher für große Solaranlagen 684
13.2.2Latent- und Sorptionsspeicher in Gebäuden und Haushalt 687
13.2.2.1 Gebäudeklimatisierung mit Latentwärmespeichern 687
13.2.2.2 Spülmaschine mit thermochemischem Energiespeicher 690
13.2.3Holz als chemischer Speicher in Forst und Wald für die Wärmeversorgung 691
13.2.3.1 Große Potentiale für Klimaschutz und Wärmeversorgung 691
13.2.3.2 Steigerung des Zuwachses durch ausgeglichenes Wald-Wild-Gleichgewicht 693
13.3Integration im Verkehrssektor 696
13.3.1Beimischung von Biokraftstoffen und Nutzung von Pflanzenöl 696
13.3.1.1 Potential und Umweltauswirkungen 696
13.3.1.2 Beimischung und Integration 698
13.3.2Integration von Wasserstoff im Verkehr 700
13.3.2.1 Nutzung von Wasserstoff in Erdölraffinerien 700
13.3.2.2 Nutzung von Wasserstoff in der Wasserstoffmobilität 701
13.3.3Integration von Schwungradspeicher im öffentlichen Nahverkehr 702
13.4 Zusammenfassung 706
Literatur 708
Kapitel-14 712
Speicherintegration zur Kopplung unterschiedlicher Energiesektoren 712
14.1Kopplung von Strom- und Wärmesektor 713
14.1.1Flexibilisierung der Kraft-Wärme-Kopplung über Wärmespeicher und Wärmenetze 713
14.1.1.1Kraft-Wärme-Kopplung als Klassiker der Kopplung von Strom- und Wärmesektor 713
14.1.1.2Einsatz von Wärmespeichern in der stromorientieren KWK zur Integration erneuerbarer Energien 716
14.1.2Integration von Elektrowärmepumpen über Wärmespeicher und Wärmenetze 718
14.1.2.1 Wärmepumpen - Funktionsprinzip und Energiequellen 718
14.1.2.2 Kombination von Wärmepumpen mit Solaranlagen oder Photovoltaik 719
14.1.2.3 Integration von Wärmepumpen, Wärmespeichern und Eisspeichern in Haushalten, Gewerb 720
14.1.3Integration von Power-to-Heat über Wärmespeicher und Wärmenetze 721
14.1.3.1Integration von Power-to-Heat in Haushalten und Gewerbebetrieben 721
14.1.3.2 Integration von Power-to-Heat in industriellen Anwendungen und Prozesswärme 723
14.1.4Batteriespeicher vs. Lastverschiebung vs. Wärmespeicher – ein Beispiel 725
14.2Kopplung von Strom- und Verkehrssektor 727
14.2.1Elektromobilität 728
14.2.1.1Antriebskonzepte 728
14.2.1.2Infrastruktur und Ladekonzepte 729
14.2.2Stromkraftstoffe 730
14.2.2.1Wasserstofftankstelle HafenCity in Hamburg 731
14.2.2.2Methanerzeugung für Langstreckenmobilität in Niedersachsen 731
14.2.2.3Methanolherstellung für die Benzinbeimischung in Island 733
14.2.2.4 Dieselherstellung über die Fischer-Tropsch-Synthese in Dresden 733
14.3Kopplung von Strom- und Gassektor: Power-to-Gas 735
14.3.1Power-to-Gas im Kontext der Energieversorgung 735
14.3.1.1Power-to-Gas als Schnittstelle zwischen den Energiesektoren 735
14.3.1.2Chancen, Risiken und Rahmenbedingungen 737
14.3.2Entwicklung von Power-to-Gas in Deutschland und in den Nachbarländern 739
14.3.2.1 Übersicht der Entwicklung 739
14.3.2.2 Pilot- und Demonstrationsanlagen für Wasserstoff 742
14.3.2.3 Pilot- und Demonstrationsanlagen für Methan 746
Literatur 752
Kapitel-15 754
Erratum 754
Epilog 757