Energiespeicher - Bedarf, Technologien, Integration

755 Pages·2014·46.269 MB·German

by  Michael Sterner, Ingo Stadler (auth.)

Energiespeicher – Bedarf, Technologien, Integration
Michael Sterner
Ingo Stadler
Energiespeicher –
Bedarf, Technologien,
Integration
Michael Sterner Ingo Stadler
Fakultät für Elektro- und Informationstechnik Institut für Elektrische Energietechnik (IET)
Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg Fachhochschule Köln
(OTH) Köln
Regensburg Deutschland
Deutschland
ISBN 978-3-642-37379-4 ISBN 978-3-642-37380-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-37380-0
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V
Widmung
Wir möchten dieses Buch zwei Personen widmen, die sowohl die Energiewende als
auch die beiden Autoren maßgeblich geprägt haben und leider viel zu früh von uns
gegangen sind:
Hermann Scheer und Jürgen Schmid
Beide haben leidenschaftlich für die Energiewende gelebt und gekämpft, uns mit Ihren
Arbeiten inspiriert und ermutigt. Hermann Scheer erkannte sehr früh die signifikante
Bedeutung der Energiespeicher für die Zukunft unserer Energieversorgung. Seine Idee
einer internationalen Speicherkonferenz tragen wir im wissenschaftlichen Beirat der
International Renewable Energy Storage Conference (IRES) fort. Jürgen Schmid war der
technologische Visionär und skizzierte und gestaltete die Energiezukunft durch seine
Arbeiten auf inspirierende Weise. Er begleitete unseren Weg als Doktorvater.
Wir tragen die Visionen von beiden weiter und formen sie in ein Stück Realität: das Buch
in Ihrer Hand.
VII
Vorwort
Liebe Leserin, lieber Leser,
»Erneuerbare Energien – gut und schön – aber es fehlen die Speicher! Ohne Speicher ma-
chen erneuerbare Energien keinen Sinn!« So oder so ähnlich haben Sie sicherlich die De-
batte um die Energiewende und erneuerbare Energien selbst erlebt. Wir können diesen Satz
nicht mehr hören. Wir haben kein Energiespeicherproblem, wir haben eher die Qual der
Wahl zwischen all den Flexibilitäts- und Speicheroptionen – wie man schon am Umfang
dieses Buches erkennen kann.
Wir möchten Ihnen mit diesem Buch zeigen, dass die Speicher, die wir zur Energiewen-
de brauchen, bereits vorhanden sind. Technologisch ist das Speicherproblem gelöst. Es gibt
ausreichende Kapazitäten in Deutschland, in Europa und weltweit.
Auch ist es falsch, dass die Notwendigkeit Energie zu speichern eine Besonderheit von er-
neuerbaren Energien darstellt. Alle Energieversorgungssysteme in allen Zeiten haben
immer auf Energiespeicherung beruht, lediglich die Perspektive und die verwendeten
Technologien ändern sich. Bis heute baut unsere Energieversorgung fast vollständig auf ge-
speicherter Energie auf. Während wir in dem Energiesystem, welches wir gerade versuchen
hinter uns zu lassen, vornehmlich Primärenergie speichern, speichern wir in einer erneu-
erbaren Energieversorgung eher Strom und Endenergie. Zeit, dies einmal in einem Buch
darzustellen.
In einer Pause während der International Renewable Energy Storage Conference IRES im
Jahr 2011 sprachen wir – Michael Sterner von der Ostbayerischen Technischen Hochschu-
le Regensburg und Ingo Stadler von der Fachhochschule Köln – erstmalig über die Idee,
ein Buch zur Energiespeicherung zu schreiben. Wir beide haben bereits zuvor unabhängig
voneinander über ein solches Vorhaben nachgedacht, da es keine wirklich gute Literatur zu
diesem Thema gibt, geschweige denn ein Buch, das alle Speicherthemen und Technologien
vergleichend zusammenbringt. Aber die Zeit ist knapp und man hat ja immer etwas Wich-
tigeres zu tun. Aber zu zweit zieht man sich gegenseitig und der Weg durch die Kapitel geht
sich leichter.
Die besten Lehrbücher wurden übrigens nie geschrieben. Und sollten sie geschrieben wor-
den sein, wurden sie nicht veröffentlicht, da sie den Qualitäts-, Aktualitäts- und Vollstän-
digkeitsansprüchen der verhinderten Autoren nicht gerecht wurden.
Noch am selben Abend beschlossen wir, DAS aktuelle, allumfassende und hochwertige
Buch zum Thema Energiespeicher zu verfassen. Wir sind davon überzeugt, dass uns mit
diesem vorliegenden ein sehr gutes Buch zum Thema gelungen ist. Mit vielleicht etwas
fehlender Bescheidenheit möchten wir sogar sagen, dass uns derzeit kein besseres hierzu
bekannt ist. Dennoch sind wir noch weit von unserem eigentlichen Anspruch entfernt. Sie
mögen sagen, da fehlt aber noch dieses und jenes, und so manches hätte man noch aus-
führlicher, zumindest aber besser machen können und den einen oder anderen Fehler habe
ich bereits entdeckt. Ja, das geht uns Autoren genauso. Aber damit dies nicht eines der nie
veröffentlichten Bücher wird, haben wir an der Stelle erst mal einen vorläufigen Schluss-
VIII Vorwort
strich gezogen. Manche Redundanz über die Kapitel hinweg ist so gewollt, da die Kapitel
auch als elektronisches Buch einzeln erhältlich sind. Und während Sie dieses Buch gerade
lesen, arbeiten wir bereits an der zweiten Auflage mit zusätzlichen Inhalten, sprachlichen
Verbesserungen und neuen didaktischen Elementen und freuen uns auf Ihre Rückmeldun-
gen und konstruktiven Verbesserungsvorschläge. Für jeden gefundenen Fehler gibt es einen
süßen Finderlohn. Wenn Sie neue innovative Technologien haben, die in diesem Buch noch
nicht aufgeführt sind, schreiben Sie uns ebenfalls. Wir hoffen, dass Sie nach der Lektüre in
Speicherfragen »nicht mehr auf der Leitung stehen« wie manch andere Zeitgenossen, wie
der Karikaturist Gerhard Mester liebevoll am Ende dieses Buches illustriert hat.
Trotz erheblichen zeitlichen Aufwands von uns beiden in den vergangenen zwei Jahren,
wäre das Buch ohne die Mitarbeit zahlreicher Kompetenzträger und einer Vielzahl studenti-
scher Mitarbeiter nicht zustande gekommen. Auf der folgenden Seite wollen wir all denjeni-
gen danken, die wesentlichen Anteil am Gelingen dieses Buches haben. Besonders heraus-
stellen möchten wir an dieser Stelle den Einsatz unserer unermüdlichen Studierenden Franz
Bauer, Fabian Eckert, Jens Fiedler, Tristan Heiden und Martin Thema. Ohne sie wäre das
Buch nicht oder doch wesentlich später zustande gekommen.
Ein herzliches Dankeschön auch an Tatjana Strasser, die das Buch in wohl klingendes
Deutsch versetzt hat und Eva Hestermann-Beyerle und Birgit Kollmar für die hervorragen-
de Betreuung seitens des Springer-Verlages. Unsere Frauen mussten in der letzten Zeit viel
auf Ihre Männer verzichten, unsere Töchter auf Ihre Väter. Während Amalia noch zu jung
ist, um Ihren Unmut verbal Ausdruck zu verleihen, handelt es sich zum Bedauern von Enya
und Kira bei diesem Buch nicht um Pferdegeschichten. Wobei wir nicht unerwähnt lassen
möchten, dass die in 7 Kap. 8 erwähnten chemischen Energiespeicher durchaus aus den
Hinterlassenschaften von Pferden gewonnen werden können.
Ingo Stadler, Michael Sterner
Köln, Regensburg
im Sommer 2014
IX
Danksagung
Unser Dank gilt unseren Koautoren:
Christian Breuer Marcus Budt Dr. Eduardo Cattaneo
RWTH Aachen Fraunhofer UMSICHT Hoppecke Batterien
Fritz Crotogino Tim Drees Norman Gerhardt
KBB Underground Technology RWTH Aachen Fraunhofer IWES
Dr. Andreas Hauer Dr. Hans-Martin Henning Dr. Götz Langer
ZAE Bayern Fraunhofer ISE Hoppecke Batterien
Christian von Ohlshausen Dr. Detlef Ohms Dr. Andreas Palzer
Sunfire GmbH Hoppecke Batterien Fraunhofer ISE
Dr. Bernhard Riegel Dr. Niklas Rotering Tobias Trost
Hoppecke Batterien RWTH Aachen Fraunhofer IWES
Dr. Daniel Wolf
Heliocentris
Ebenso gilt unser Dank den Studierenden der Fachhochschule Köln und der Ostbayerischen
Technischen Hochschule Regensburg:
Franz Bauer Matthias Buchner Eric Dürselen
OTH Regensburg OTH Regensburg FH Köln
Thomas Estermann Fabian Eckert Moritz Falkenstein
OTH Regensburg OTH Regensburg FH Köln
Jens Fiedler Stefan Freundorfer Peter Gurka
FH Köln OTH Regensburg FH Köln
Tristan Heiden Andreas Hofrichter Florian Hüllen
FH Köln OTH Regensburg FH Köln
Benjamin Lehmann Andreas Lösing Leif Henning Möllmann
FH Köln FH Köln FH Köln
Nicole Muggenthaler Lutz von Pidoll Frank Strümpler
OTH Regensburg FH Köln FH Köln
Martin Thema Henning Voss Sebastian Zajac
OTH Regensburg FH Köln FH Köln
… und unseren Kollegen, die Prof. Dr. Robert Leinfelder Dr. Alexander Krajete
Korrektur gelesen haben: OTH Regensburg Krajete GmbH Linz
Wolfgang Köppel Bernd Stürmer
DVGW EBI KIT Karlsruhe ZSW Stuttgart
XI
Inhaltsverzeichnis
I Teil I Bedeutung und Einordnung von Speichern in der
Energieversorgung
1 Energiespeicher im Wandel der Zeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1 100 % erneuerbare Energie vor der industriellen Revolution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Fossile Energie im fossilen Zeitalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3 Übergang und Rückführung zum Zeitalter der erneuerbaren Energien . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2 Definition und Klassifizierung von Energiespeichern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1 Definition und Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2 Nutzen von Speichern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3 Klassifizierung von Speichern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
II Teil II Bedarf an Energiespeicherung
3 Speicherbedarf in der Stromversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1 Speicherbedarf und Überschüsse – Einflussfaktoren und Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2 Langfristszenarien des Bundesumweltministeriums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3 »100 % Strom aus erneuerbaren Quellen« laut Umweltbundesamt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.4 VDE-ETG-Studie zum marktbasierten Speicherbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.5 Untersuchungen zum netzbasierten Speicherbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.6 Gegenüberstellung und Einordnung der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4 Speicherbedarf in der Wärmeversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.1 Grundlagen und Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.2 Entwicklung des Wärmebedarfs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.3 Entwicklung des Wärmemix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.4 Paradigmenwechsel im Wärmesektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.5 Speicherbedarf in einem Klimazielszenario für das Energiesystem
Deutschland im Jahr 2050 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.6 Überschüsse, Speicherbedarf und Speicherpotenziale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5 Speicherbedarf im Verkehrssektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.1 Grundlagen und Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.2 Entwicklung des Mobilitätsbedarfs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.3 Entwicklung der Energie- und Kraftstoffversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.4 Paradigmenwechsel im Verkehrssektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
XII I nhaltsverzeichnis
5.5 Speicherbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
III Teil III Technologien der Energiespeicherung
6 Elektrische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.1 Kondensatoren – Supercaps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
6.2 Supraleitfähige elektromagnetische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
6.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
7 Elektrochemische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
7.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
7.2 Blei-Säure-Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
7.3 Nickel-Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
7.4 Lithium-Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
7.5 Natrium-Schwefel-Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
7.6 Redox-Flow-Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
8 Chemische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
8.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
8.2 Einspeichertechnologie Wasserelektrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
8.3 Einspeichertechnologien Methanisierung und chemische Synthesen . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
8.4 Speichermedien und Lagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
8.5 Ausspeichertechnologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
8.6 Das Speichersystem Power-to-Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
8.7 Das Speichersystem Power-to-Liquid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
8.8 Ocean Fuels als Weiterentwicklung von Power-to-Gas und Power-to-Liquid . . . . . . . . . . 436
8.9 CO -minderndes Energiesystem mit Power-to-Gas, Power-to-Liquid
2
und Ocean Fuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
8.10 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
9 Mechanische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
9.1 Gasförmige Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
9.2 Flüssige Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
9.3 Feste Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
9.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531
10 Thermische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535
10.1 Unterscheidungsmerkmale thermischer Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536
10.2 Speichertechnologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537
10.3 Thermodynamische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538
10.4 Sensible thermische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541
10.5 Latente thermische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553