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Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag

Monitoring

Energiespeicher – Stand und Perspektiven

Themenbereich: Energie, Ressourcen, Umwelt
Analyseansatz: Monitoring
Themeninitiative: Ausschuss für Bildung, Forschung und Technikfolgenabschätzung
Status: abgeschlossen
Laufzeit: 2006 bis 2007

Die Energieversorgung steht vor einer Reihe neuer Herausforderungen. Die zunehmende Liberalisierung und Globalisierung der Energiemärkte setzt nicht nur neue Rahmenbedingungen, sondern stellt auch neue Anforderungen an die Energieversorgungssysteme der Zukunft. Zentral ist dabei die Aufrechterhaltung der Versorgungssicherheit mit elektrischer Energie bei zunehmenden Anteilen fluktuierender Energieträger sowie veränderten Bezugsbedingungen für fossile Rohstoffe. Auch spielen die Vermeidung weiterer Klimaveränderungen und Umweltbelastungen durch die Energieversorgung eine wichtige Rolle. Energiespeicher sind heute ein fester Bestandteil unseres Energieversorgungssystems. Dennoch wird ihre Rolle – außerhalb der technischen Ebene – kaum wahrgenommen. Der TAB-Bericht gibt vor diesem Hintergrund einen Überblick über den aktuellen technischen Stand verfügbarer Energiespeichersysteme und innovative Speicherkonzepte im stationären wie auch im mobilen Bereich.
Energiespeicher nehmen in Versorgungssystemen eine Schlüsselstellung ein, indem sie es ermöglichen bzw. erleichtern, das Energieangebot auf die zeitlich variable Nachfrage abzustimmen. Besonders für die »flüchtigen« Energieformen Strom und Wärme existieren bislang nur wenige wirtschaftlich attraktive Technologien zur Speicherung von großen Mengen Energie (z.B. Pumpspeicher-Wasserkraftwerke). In Versorgungssystemen mit einem hohen Anteil an dargebotsabhängiger Energieerzeugung (z.B. Windkraft) können Energiespeicher perspektivisch einen entscheidenden Beitrag zur Gewährleistung einer zuverlässigen und nachhaltigen Energieversorgung leisten.

Gegenstand und Ziel der Untersuchung

Vor diesem Hintergrund wurde – auf Vorschlag des Ausschusses für Bildung, Forschung und Technikfolgenabschätzung – im Frühjahr 2006 die Bearbeitung dieses Themenfeldes als Monitoringstudie begonnen. Ziel der Untersuchung ist ein umfassender Überblick über den aktuellen Stand und die Perspektiven heutiger und zukünftiger Möglichkeiten der Energiespeicherung in Anwendung und Forschung. Das Projekt lief im Rahmen des TAB-Monitoring »Nachhaltige Energieversorgung«.

Aufgrund der hohen energiewirtschaftlichen und -politischen Bedeutung des Feldes wurde von einem breiten thematischen Ansatz ausgegangen. Dabei werden die Bereiche Strom, Wärme (Kälte) und Kraftstoffe gemeinsam betrachtet, um erkennbare Synergien und/oder Konkurrenzen dieser Felder auszuloten. Die Untersuchungen fokussieren auf Bereiche mit einer hohen energiewirtschaftlichen Relevanz. Neben den neuen Anforderungen an die Energiespeicherung im Kontext einer nachhaltigen Energieversorgung wird ein strukturierter Gesamtüberblick über aktuelle und zukünftig absehbare Möglichkeiten der Energiespeicherung gegeben – quasi um die Bandbreite der verfügbaren technischen Möglichkeiten und Entwicklungsoptionen aufzuzeigen. Darüber hinaus werden ausgewählte Anwendungsbereiche (Netzunterstützung bei hohen Anteilen an erneuerbaren Energien, Stromerzeugung im Sonnengürtel, Speicher in Fahrzeugen) in ihren Besonderheiten hinsichtlich der Speicherung von Energie – auch mit Blick auf weiterführende Speicherkonzepte – dargestellt. Abschließend werden wesentliche internationale Forschungsschwerpunkte bzw. ‑aspekte, die im Zusammenhang mit Energiespeichern relevant erscheinen – für ausgewählte Länder und Regionen (D, EU, USA, JP, KP) –, aufgeführt, und es wird auf den Forschungsbedarf eingegangen.

Ergebnisse

Die Suche nach effizienten Energiespeichern hat sich in den letzten Jahren insbesondere für den Verkehrsbereich als ein kritischer Punkt für zukünftige Mobilitätskonzepte herauskristallisiert. Hier haben Arbeiten zur Speicherung von Wasserstoff und von elektrischer Energie für neue Antriebe eine hohe Priorität. Andererseits ist der Bedarf an neuen bzw. weiterentwickelten Energiespeichern im stationären Bereich in Deutschland lange Zeit nicht sehr deutlich ausgeprägt gewesen. Zum einen, weil die Kraftwerksdichte ebenso hoch ist wie die daraus resultierende Versorgungssicherheit – inkl. der Netze. Auch sorgt das europäische Verbundnetz in gewissem Rahmen für einen Ausgleich bei Stromangebot und -nachfrage. Zum anderen wurde »überschüssige Energie« bisher großtechnisch z.B. in Pumpspeicherkraftwerken zwischengespeichert. Bisher hat dies ausgereicht. Zukünftig könnten jedoch auch in Deutschland größere Energiemengen anfallen, bei denen es Sinn macht, diese zwischenzuspeichern.

Der neue Bedarf

Seit einiger Zeit nehmen die Anteile an fluktuierenden Energieträgern (Sonne, Wind) zu, wobei diese – entsprechend den Vorgaben der Bundesregierung – bis 2020 noch signifikant weiter steigen sollen. Mittlerweile haben die damit erreichbaren Strommengen eine Größenordnung erreicht, bei der es zukünftig zu Situationen kommen kann, in denen die »eingeplanten Anteile« dieser Energieträger in unserer Stromversorgung entweder nicht oder im Überfluss vorhanden sind: beispielsweise wäre Windenergie bei Flauten oder Sturmabschaltungen gar nicht, bei günstigen Offshorestandorten aber zeitweise im Überangebot verfügbar. Ab einer bestimmten Energiemenge ist dies relevant für den Ausgleich in den Versorgungsnetzen. Dann muss nämlich im Fall einer Flaute entsprechende Regelleistung im Stromnetz vorgehalten werden. Dafür sorgen sog. Schattenkraftwerke, die heute meist konventioneller Art sind und dafür über längere Zeiträume in Teillast gefahren werden müssen. Dies ist emissions- und wirkungsgradseitig eher ungünstig. Ein eventuelles Überangebot müsste zunächst im lokalen Netz aufgenommen werden, wobei ein Teil auch europaweit verteilt werden kann. Dies ist allerdings nur zu einem bestimmten Anteil technisch möglich, um das aus Gründen der Netzstabilität für die Frequenz- und Spannungshaltung notwendige Gleichgewicht von Einspeisungen und Entnahmen aus dem Stromnetz aufrecht zu erhalten.

Eine Option, dieses Dilemma zu lösen und mit dem zeitweisen Überhang an elektrischer Energie sinnvoll umzugehen, wäre die Speicherung. Hierzu wären an bestimmten Standorten allerdings größere Speicherkapazitäten gefragt, als sie bisher – mit Ausnahme der Pumpspeicherkraftwerke (PSW) – verfügbar sind. Die Errichtung von PSW stellt jedoch einen erheblichen Eingriff in die Umwelt dar. Die Erfahrungen mit anderen Speichertechnologien beschränken sich bislang jedoch meist auf kleinere Dimensionen, z.B. zur Absicherung der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) bei sensiblen Verbrauchern wie Krankenhäusern.

Die technischen Möglichkeiten

Die Palette technischer Speichermöglichkeiten ist extrem breit. Dadurch kann zwar das ganze Spektrum benötigter Leistungen prinzipiell abgedeckt werden, aber es gibt nach wie vor keinen »Universalspeicher«, mit dem ein Großteil des Speicherbedarfes zufriedenstellend bedient werden kann. Da die direkte Speicherung von elektrischer Energie nur in Kondensatoren und in Spulen möglich ist, wird zumeist ein indirekter Weg gegangen, indem zunächst in eine andere Energieform umgewandelt, diese gespeichert und bei Bedarf wiederum elektrische Energie erzeugt wird. Dies ist immer mit zusätzlichem Energieaufwand und mit Umwandlungsverlusten verbunden.

Naturwissenschaftliche Gesetzmäßigkeiten begrenzen die erreichbaren Energiedichten. Auch wenn keine neuen Speicherkonzepte in Sicht sind, gibt es eine Reihe von Weiterentwicklungen etwa bei materialtechnischen Komponenten. So rücken auch etablierte Konzepte wieder neu in das Blickfeld. Erkennbar ist bei vielen Weiterentwicklungen aber ein Spagat zwischen angestrebter hoher Leistungsdichte sowie hohem Wirkungsgrad auf der einen Seite und Anforderungen der Handhabbarkeit wie Robustheit sowie Zyklenbeständigkeit auf der anderen Seite. Verbesserungen bei einzelnen Eigenschaften gehen zumeist mit »Rückschritten« bei anderen Eigenschaften einher: So stehen höhere Leistungsdichten von Lithium-Ionen-Akkumulatoren einer abnehmenden Robustheit und zunehmenden Kosten gegenüber.

Im Bericht wird – ohne Anspruch auf Vollständigkeit – ein Überblick über die technischen Möglichkeiten der Energiespeicherung gegeben. Betrachtet werden dabei mechanische Speicher (z.B. Druckluftspeicherkraftwerke, Schwungräder), thermische Speicher (z.B. Dampf-, Kies-Wasser-, Erdsondenwärme-, Latentwärmespeicher), chemische Speicher (z.B. Nickel-, Lithium-Akkumulatoren, Hochtemperatur-, Redox-Flow-, Metall-Luft-Batterien), thermochemische Speicher (z.B. Sorptionsspeicher), elektrochemische und ‑magnetische Speicher (z.B. Doppelschichtkondensatoren, supraleitende magnetische Speicher [SMES]). Aber auch Wasserstoffspeicheroptionen wurden mit betrachtet (z.B. Metallhydridspeicher, Nanocubes).

Optionen zur Netzunterstützung

Bei dem vonseiten der Bundesregierung weiter angestrebten signifikanten Ausbau des Anteils an erneuerbaren Energien am Stromverbrauch wird die Nutzung der Windenergie einen erheblichen Beitrag leisten, u.a. durch den Ausbau von Offshoreanlagen. Daraus resultiert eine Konzentration von verfügbarer Windenergieleistung in Norddeutschland, die in einer Region mit eher geringer Stromnachfrage in das Netz eingespeist werden muss. Zusammen mit den nur bedingt prognostizierbaren zeitlichen Schwankungen ergeben sich daraus neue Anforderungen an den gesamten Kraftwerkspark und die Versorgungsnetze in Deutschland. Hierzu sind an bestimmten Standorten möglicherweise größere Speicherkapazitäten gefragt, als sie bisher – mit Ausnahme der PSW – verfügbar sind. Neben Schwankungen der Last, Prognosefehlern und Kraftwerksausfällen müssen Schwankungen und Prognosefehler der Stromeinspeisung auf Basis von fluktuierenden Energieträgern zusätzlich in der Kraftwerkseinsatzplanung als auch in der Netzeinspeisung Berücksichtigung finden. Energiespeicher könnten hierbei helfen, diese Anforderungen an den hiesigen Kraftwerkspark als auch an das Netzmanagement zu reduzieren.

Eine Option ist der Einsatz von Megabatterien. Einer der Vorreiter ist Japan, wo bereits eine Riesenbatterie in Betrieb genommen worden ist, die als sog. Hochtemperaturbatterie betrieben wird, um in der regenerativen Stromerzeugung Fluktuationen zu kompensieren. Die 6-MW-Anlage der Tokyo Electric Power Company wird nachts mit günstigem Strom beladen und gibt diesen zu Spitzenlastzeiten ins Netz wieder ab (Load-Levelling-Betrieb). Die weitere Entwicklung dieses Batterietyps wird allerdings u.a. davon abhängen, inwieweit die Technologie verbessert wird und bei steigender Nachfrage die Kommerzialisierung voranschreiten kann. Momentan gibt es solche Systeme in Deutschland noch nicht.

Neben den »Megabatterien« stehen als Alternative zu den Pumpspeicherkraftwerken insbesondere Druckluftspeicher zur Diskussion. Kommerziell werden bisher aber nur zwei Anlagen – eine in Huntorf bei Bremen und eine in Alabama (USA) – betrieben. Aktuell ist ein weiteres, moderneres Druckluftspeicherkraftwerk ebenfalls in Niedersachsen in der Planung, um das Problem der fluktuierenden Einspeisung von Windstrom konkret anzugehen. Dieses soll zunächst wie Huntorf mit Gasbefeuerung betrieben und in einer zweiten Phase adiabatisch nachgerüstet werden. Eine Inbetriebnahme der neuen Anlage ist für 2011 geplant, allerdings ist noch eine Reihe technischer Probleme zu lösen.

Als »virtuelles Großkraftwerk« wird eine Zusammenschaltung von regional verteilten (dezentralen), kleinen Anlagen wie Wind-, Solar-, Biogasanlagen, Kleinwasserkraftwerken, Brennstoffzellen, Blockheizkraftwerke bezeichnet, die zentral gesteuert werden. Auch Speicher können Bestandteil eines virtuellen Kraftwerkes sein. Bisher wurde diese Option relativ wenig genutzt und zumeist ohne eine Anbindung an den wettbewerblichen Strommarkt. Heute anvisierte Konzepte des virtuellen Kraftwerkszielen darauf ab, die Betreiber der dezentralen Erzeugungsanlagen am wirtschaftlichen Erfolg zu beteiligen. Um mehrere Einzelanlagen effizient zu einem virtuellen Kraftwerk zusammenzuschließen, bedarf es jedoch modernster Informations- und Kommunikationstechnik (IuK).

Eine weitere Option, das Netz zu unterstützen, besteht darin, den Bedarf an Regelleistung durch Verlagerung von Lastspitzen auf Lasttäler deutlich zu verringern. Diese Option geht von der Annahme aus, dass die Speicherung elektrischer Energie vergleichsweise kostspielig ist im Vergleich zur Speicherung von thermischer Energie. Damit liegt es nahe, die thermische Energiespeicherung der elektrischen überall dort vorzuziehen, wo sich eine Verlagerung der elektrischen Last erreichen lässt. Solche Möglichkeiten einer »Flexibilisierung von Last« bestehen darin, anfallende elektrische Lasten auf bereits vorhandene, nichtelektrische Speicher zu verteilen. Dies sind etwa dezentrale Speicheranlagen wie (Nacht-)Speicherheizungen, Kühlgeräte oder Warmwasserheizungen, die dann nicht nachts, sondern irgendwann im Laufe des Tages, z.B. bei Stromüberschuss aus Windenergie, beladen werden könnten. Dabei erhöht sich zwar der regelungstechnische Aufwand, jedoch sind damit in Summe nicht unerhebliche Speicherpotenziale erschließbar. Die Lastverschiebung ist ein Feld an Möglichkeiten, das zwar nicht neu ist, jedoch unter dem Blickwinkel der verstärkten Integration fluktuierender Energieträger eine neue Dynamik gewonnen hat.

Stromerzeugung im Sonnengürtel

Die höchste Sonneneinstrahlung ist in Ländern in Äquatornähe – im sog. »Sonnengürtel« – zu verzeichnen. Daher liegt es nahe, immer wieder über Speicherung und Transport von dort erzeugtem Solarstrom nach Europa bzw. Deutschland nachzudenken. Neue Konzepte hierzu sind zurzeit nicht in der Diskussion. Von den betrachteten Möglichkeiten weist die Übertragung der solarerzeugten elektrischen Energie mittels Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) die geringsten Transport- und Gesamtkosten auf. Die Transportkosten von Flüssigwasserstoff sind höher, und infolge notwendiger Umwandlungsschritte ergibt sich ein niedriger Gesamtwirkungsgrad (ca. 30 %). Flüssigwasserstoff wäre jedoch auch in einem zukünftigen Verkehrssektor nutzbar. Die Transportkosten bei der Nutzung von Zink-Luft-Batterien per Schiff sind in diesem Vergleich am höchsten ausgefallen (3,16 Euro/kWh), wenngleich der Transportwirkungsgrad hoch ist (90 %). Sowohl die Übertragung per HGÜ als auch der Transport von Flüssigwasserstoff haben kurz- bzw. mittelfristig das Potenzial, zur Energieübertragung in Betracht gezogen zu werden, da sie technisch als weitgehend ausgereift angesehen werden können.

Speicher in Fahrzeugen

Als Reaktion auf die sich ändernde Rohstoffsituation werden verschiedene Wege verfolgt, wie die Optimierung der verfügbaren klassischen Motorenkonzepte und die Entwicklung alternativer Kraftstoffe. Eine weitere Richtung ist die Entwicklung alternativer Fahrzeugkonzepte wie Hybrid- oder reine Elektrofahrzeuge, die auf (elektrische) Energiespeicher angewiesen sind. Für den Fahrzeugbetrieb werden zumeist Batterien, aber auch Doppelschichtkondensatoren eingesetzt. Elektrische Speicher werden für den Betrieb der Elektromotoren von Elektro- oder Hybridfahrzeugen, in der Bordnetzversorgung aber auch als Starterbatterien verwendet. Treibende Ziele für die Entwicklung neuer Speichersysteme bzw. die Weiterentwicklung bestehender Systeme sind höhere spezifische Energiedichten, eine Steigerung der spezifischen Leistung sowie eine notwendige Kostenreduktion.

Das PluG-in-Konzept

Elektro- oder Hybridfahrzeuge können mit einem bidirektionalen Speicher und einem Netzteil ausgestattet werden, sodass sie »via Steckdose« beim Parken geladen werden können. Sogenannte Plug-in-Hybridfahrzeuge beziehen ihre Energie vorwiegend aus dem elektrischen Netz. Die Hybridauslegung (Batterie und Verbrennungsmotor) garantiert eine Funktionsfähigkeit auch bei nicht geladener Batterie. Ein Vollhybrid kann hingegen nicht extern geladen werden, sondern nur durch den Verbrennungsmotor. Primär dient der Speicher in Plug-in-Hybridfahrzeugen zwar zur mobilen Bereitstellung von elektrischer Energie, aber während der Ladezeiten können die im Fahrzeug eingebauten Speicher als stationäre Speicher im elektrischen Netz genutzt werden. Da zumeist mehr Zeit zum Laden zur Verfügung steht, als dafür eigentlich notwendig ist, können die am Netz angeschlossenen Fahrzeugspeicher als steuerbare Last eingesetzt werden. Somit stellt eine Flotte von Plug-in-Hybridfahrzeugen im Ruhezustand »einen größeren Speicher« – im Grunde genommen ein virtuelles Speicherkraftwerk – dar, der bei erhöhtem Energiebedarf netzseitig genutzt werden könnte. Möglich soll dies durch eine entsprechende Regelung und Steuerung werden. Diese stellt auch aus IuK-Sicht eine enorme Herausforderung dar. Im Ergebnis hätte man einen relativ großen »Bereich regelbarerer Verbraucher«, der auch für Energieversorgungsunternehmen eine interessante Größe darstellen könnte. Um dieses Potenzial auch auszuschöpfen, sind – neben einer breiten Einführung von Plug-in-Hybrid- bzw. Elektrofahrzeugen – entsprechende Infrastrukturmaßnahmen erforderlich.

Schlussfolgerungen und Ausblick

Zukünftig wird vermutlich einem ausgeklügelten Energiespeichersystem – nicht nur in Bezug auf eine verstärkte Integration fluktuierender Energieträger – gekoppelt mit einem effizienten Informationsmanagement zur Abstimmung von Angebot und Nachfrage und unter Einsatz von IuK-Technologien eine höhere Priorität eingeräumt werden, als dies heute der Fall ist. Damit würde sich auch auf technischer Ebene der Regelenergiebedarf im Netz teilweise steuern lassen.

In der Forschung zu Energiespeicherung steht das Ausschöpfen der technischen Möglichkeiten – mit hohen Speicherdichten und geringen Verlusten – im Vordergrund. Für den heute bestehenden Bedarf z.B. von großen Speichern im stationären Bereich gibt es jedoch kaum Pilotanlagen. Viele der genannten Speichertechniken befinden sich noch in der Entwicklung. Auch wenn keine neuen Durchbrüche zu verzeichnen sind, gibt es dennoch eine Reihe von Möglichkeiten, dem neuen Bedarf an Speichern auch einen anderen Stellenwert im FuE-Bereich zu geben:

  • in der Grundlagenforschung in großer thematischer Breite vorgehen, jedoch Schwerpunktsetzung in Bezug auf konkrete Anwendungen strategisch ausrichten;
  • materialtechnische Aspekte weiterentwickeln, insbesondere unter Einschluss der Nanotechnologie;
  • Netzunterstützung (Sicherung der Stabilität) mit Energiespeichern systemisch analysieren und den entsprechenden Speicherbedarf konkretisieren;
  • Einsatzerfahrungen mit Großspeichern analysieren und auf hiesige Verhältnisse übertragen;
  • Wärmespeichern stärkere Beachtung schenken;
  • Möglichkeiten der Kapazitätsverschiebung analysieren;
  • internationale Entwicklung verfolgen.

Im internationalen Vergleich orientieren sich die übergeordneten energiepolitischen und forschungspolitischen Handlungsstrategien aus der Trias Versorgungssicherheit, Umweltverträglichkeit und Wettbewerbsfähigkeit. Sie werden jedoch teils mit unterschiedlichen Konzepten verfolgt, was Konsequenzen für den Bedarf an Energiespeichern hat. So setzen die USA auf einen verstärkten Wasserstoffeinsatz, während in Europa primär Energieeffizienz und erneuerbare Energien im Fokus stehen. Im Mobilitätsbereich wird zu Wasserstoffspeichern und Batterien mit weitgehend deckungsgleichen Zielen geforscht. Im Zusammenhang mit Stromnetzen sind dagegen Unterschiede in der Schwerpunktsetzung zu verzeichnen: So zielt der Speichereinsatz in den USA eher auf die Verbesserung der Versorgungsqualität insgesamt, während in Europa und in Japan Speichertechnologien im Systemzusammenhang – Einbindung von erneuerbaren und dezentralen Energiequellen – untersucht werden. Die Wärme-/Kältespeicherung ist in Europa und in Deutschland Gegenstand umfangreicher Forschungsaktivitäten (Gebäudebereich und Nahwärmesysteme), während dieses Forschungsfeld in den USA auf nationaler Ebene nicht mehr gefördert wird. Insgesamt zeigte sich auch auf internationaler Ebene, dass innerhalb der Energieforschung die Energiespeicher zumeist ein Randthema darstellen.

Die veränderte Situation auf dem Energiemarkt erfordert einen neuen Blick auf die Möglichkeiten der Energiespeicherung. In zukünftig zu erwartenden Gesamtenergiekonzepten mit hohen Anteilen fluktuierender Energieträger werden sich die Anforderungen an eine Zwischenspeicherung von Energie eher verschärfen. Energiespeicher verdienen daher wachsende gesellschaftliche und politische Aufmerksamkeit.

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