Energiespeicher Bedarf, Technologien, Integration

Michael SternerIngo Stadler

Energiespeicher Bedarf, Technologien, Integration

Michael SternerFakultt fr Elektro- und InformationstechnikOstbayerische Technische Hochschule Regensburg (OTH)Regensburg Deutschland

Ingo StadlerInstitut fr Elektrische Energietechnik (IET)Fachhochschule KlnKln 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 mchten dieses Buch zwei Personen widmen, die sowohl die Energiewende als auch die beiden Autoren mageblich geprgt haben und leider viel zu frh von uns

gegangen sind:

Hermann Scheer und Jrgen Schmid

Beide haben leidenschaftlich fr die Energiewende gelebt und gekmpft, uns mit Ihren Arbeiten inspiriert und ermutigt. Hermann Scheer erkannte sehr frh die signifikante

Bedeutung der Energiespeicher fr die Zukunft unserer Energieversorgung. Seine Idee einer internationalen Speicherkonferenz tragen wir im wissenschaftlichen Beirat der

International Renewable Energy Storage Conference (IRES) fort. Jrgen Schmid war der technologische Visionr 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 Stck Realitt: das Buch in Ihrer Hand.

VII

Vorwort

Liebe Leserin, lieber Leser,

Erneuerbare Energien gut und schn aber es fehlen die Speicher! Ohne Speicher ma-chen erneuerbare Energien keinen Sinn! So oder so hnlich haben Sie sicherlich die De-batte um die Energiewende und erneuerbare Energien selbst erlebt. Wir knnen diesen Satz nicht mehr hren. Wir haben kein Energiespeicherproblem, wir haben eher die Qual der Wahl zwischen all den Flexibilitts- und Speicheroptionen wie man schon am Umfang dieses Buches erkennen kann.

Wir mchten Ihnen mit diesem Buch zeigen, dass die Speicher, die wir zur Energiewen-de brauchen, bereits vorhanden sind. Technologisch ist das Speicherproblem gelst. Es gibt ausreichende Kapazitten 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 ndern sich. Bis heute baut unsere Energieversorgung fast vollstndig auf ge-speicherter Energie auf. Whrend wir in dem Energiesystem, welches wir gerade versuchen hinter uns zu lassen, vornehmlich Primrenergie speichern, speichern wir in einer erneu-erbaren Energieversorgung eher Strom und Endenergie. Zeit, dies einmal in einem Buch darzustellen.

In einer Pause whrend 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 Kln erstmalig ber die Idee, ein Buch zur Energiespeicherung zu schreiben. Wir beide haben bereits zuvor unabhngig voneinander ber 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 Lehrbcher wurden brigens nie geschrieben. Und sollten sie geschrieben wor-den sein, wurden sie nicht verffentlicht, da sie den Qualitts-, Aktualitts- und Vollstn-digkeitsansprchen 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 berzeugt, dass uns mit diesem vorliegenden ein sehr gutes Buch zum Thema gelungen ist. Mit vielleicht etwas fehlender Bescheidenheit mchten wir sogar sagen, dass uns derzeit kein besseres hierzu bekannt ist. Dennoch sind wir noch weit von unserem eigentlichen Anspruch entfernt. Sie mgen sagen, da fehlt aber noch dieses und jenes, und so manches htte man noch aus-fhrlicher, zumindest aber besser machen knnen und den einen oder anderen Fehler habe ich bereits entdeckt. Ja, das geht uns Autoren genauso. Aber damit dies nicht eines der nie verffentlichten Bcher wird, haben wir an der Stelle erst mal einen vorlufigen Schluss-

VIII Vorwort

strich gezogen. Manche Redundanz ber die Kapitel hinweg ist so gewollt, da die Kapitel auch als elektronisches Buch einzeln erhltlich sind. Und whrend Sie dieses Buch gerade lesen, arbeiten wir bereits an der zweiten Auflage mit zustzlichen Inhalten, sprachlichen Verbesserungen und neuen didaktischen Elementen und freuen uns auf Ihre Rckmeldun-gen und konstruktiven Verbesserungsvorschlge. Fr jeden gefundenen Fehler gibt es einen sen Finderlohn. Wenn Sie neue innovative Technologien haben, die in diesem Buch noch nicht aufgefhrt sind, schreiben Sie uns ebenfalls. Wir hoffen, dass Sie nach der Lektre 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, wre das Buch ohne die Mitarbeit zahlreicher Kompetenztrger 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 mchten wir an dieser Stelle den Einsatz unserer unermdlichen Studierenden Franz Bauer, Fabian Eckert, Jens Fiedler, Tristan Heiden und Martin Thema. Ohne sie wre das Buch nicht oder doch wesentlich spter zustande gekommen.

Ein herzliches Dankeschn auch an Tatjana Strasser, die das Buch in wohl klingendes Deutsch versetzt hat und Eva Hestermann-Beyerle und Birgit Kollmar fr die hervorragen-de Betreuung seitens des Springer-Verlages. Unsere Frauen mussten in der letzten Zeit viel auf Ihre Mnner verzichten, unsere Tchter auf Ihre Vter. Whrend 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 unerwhnt lassen mchten, dass die in 7 Kap. 8 erwhnten chemischen Energiespeicher durchaus aus den Hinterlassenschaften von Pferden gewonnen werden knnen.

Ingo Stadler, Michael Sterner Kln, 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. Gtz 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 Kln und der Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg:

Franz Bauer Matthias Buchner Eric Drselen

OTH Regensburg OTH Regensburg FH Kln

Thomas Estermann Fabian Eckert Moritz Falkenstein

OTH Regensburg OTH Regensburg FH Kln

Jens Fiedler Stefan Freundorfer Peter Gurka

FH Kln OTH Regensburg FH Kln

Tristan Heiden Andreas Hofrichter Florian Hllen

FH Kln OTH Regensburg FH Kln

Benjamin Lehmann Andreas Lsing Leif Henning Mllmann

FH Kln FH Kln FH Kln

Nicole Muggenthaler Lutz von Pidoll Frank Strmpler

OTH Regensburg FH Kln FH Kln

Martin Thema Henning Voss Sebastian Zajac

OTH Regensburg FH Kln FH Kln

und unseren Kollegen, die Korrektur gelesen haben:

Prof. Dr. Robert LeinfelderOTH Regensburg

Dr. Alexander Krajete Krajete GmbHLinz

Wolfgang Kppel DVGW EBI KIT Karlsruhe

Bernd Strmer ZSW Stuttgart

XI

I Teil I Bedeutung und Einordnung von Speichern in der Energieversorgung

1 Energiespeicher im Wandel der Zeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1 100 % erneuerbare Energie vor der industriellen Revolution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2 Fossile Energie im fossilen Zeitalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.3 bergang und Rckfhrung zum Zeitalter der erneuerbaren Energien . . . . . . . . . . . . . . . . 181.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2 Definition und Klassifizierung von Energiespeichern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.1 Definition und Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.2 Nutzen von Speichern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.3 Klassifizierung von Speichern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

II Teil II Bedarf an Energiespeicherung

3 Speicherbedarf in der Stromversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.1 Speicherbedarf und berschsse Einflussfaktoren und Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.2 Langfristszenarien des Bundesumweltministeriums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.3 100 % Strom aus erneuerbaren Quellen laut Umweltbundesamt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663.4 VDE-ETG-Studie zum marktbasierten Speicherbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 833.5 Untersuchungen zum netzbasierten Speicherbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 963.6 Gegenberstellung und Einordnung der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1003.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

4 Speicherbedarf in der Wrmeversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1194.1 Grundlagen und Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1204.2 Entwicklung des Wrmebedarfs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1204.3 Entwicklung des Wrmemix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1214.4 Paradigmenwechsel im Wrmesektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1234.5 Speicherbedarf in einem Klimazielszenario fr das Energiesystem

Deutschland im Jahr 2050 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1254.6 berschsse, Speicherbedarf und Speicherpotenziale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1284.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

5 Speicherbedarf im Verkehrssektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1415.1 Grundlagen und Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1425.2 Entwicklung des Mobilittsbedarfs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1435.3 Entwicklung der Energie- und Kraftstoffversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1445.4 Paradigmenwechsel im Verkehrssektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

Inhaltsverzeichnis

XII

5.5 Speicherbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1535.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

III Teil III Technologien der Energiespeicherung

6 Elektrische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1636.1 Kondensatoren Supercaps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1646.2 Supraleitfhige elektromagnetische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1846.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

7 Elektrochemische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1977.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1987.2 Blei-Sure-Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2127.3 Nickel-Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2317.4 Lithium-Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2487.5 Natrium-Schwefel-Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2717.6 Redox-Flow-Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

8 Chemische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2958.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2968.2 Einspeichertechnologie Wasserelektrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3198.3 Einspeichertechnologien Methanisierung und chemische Synthesen . . . . . . . . . . . . . . . . . 3358.4 Speichermedien und Lagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3658.5 Ausspeichertechnologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3908.6 Das Speichersystem Power-to-Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4098.7 Das Speichersystem Power-to-Liquid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4318.8 Ocean Fuels als Weiterentwicklung von Power-to-Gas und Power-to-Liquid . . . . . . . . . . 4368.9 CO2-minderndes Energiesystem mit Power-to-Gas, Power-to-Liquid

und Ocean Fuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4458.10 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449

9 Mechanische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4559.1 Gasfrmige Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4569.2 Flssige Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4799.3 Feste Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5059.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531

10 Thermische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53510.1 Unterscheidungsmerkmale thermischer Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53610.2 Speichertechnologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53710.3 Thermodynamische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53810.4 Sensible thermische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54110.5 Latente thermische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553

Inhaltsverzeichnis

XIII

10.6 Thermochemische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56510.7 Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572

11 Lastmanagement als Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57511.1 Besonderheiten von Demand Response im Vergleich zu anderen

Energiespeichern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57811.2 Demand Response in Haushalten und Querschnitttechnologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57911.3 Demand Response in der Industrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59111.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594

12 Vergleich der Speichersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59712.1 berblick ber technische und konomische Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59912.2 Bestimmung der Anwendungsfelder durch Speicherkapazitt

und Auspeicherdauer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59912.3 Kosten, Wirkungsgrad und Energiedichte im Vergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60912.4 Entwicklungsstand, Strken und Schwchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61212.5 Perspektiven fr Energiespeicher und gesellschaftliche Akzeptanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61912.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623

IV Teil IV Integration und Anwendung von Energiespeichern

13 Speicherintegration in einzelnen Energiesektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62913.1 Integration im Stromsektor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63013.2 Integration im Wrmesektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67313.3 Integration im Verkehrssektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68913.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 699 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 701

14 Speicherintegration zur Kopplung unterschiedlicher Energiesektoren . . . . . . 70514.1 Kopplung von Strom- und Wrmesektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70614.2 Kopplung von Strom- und Verkehrssektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72014.3 Kopplung von Strom- und Gassektor: Power-to-Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72814.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 743 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 745

Epilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 747

Inhaltsverzeichnis

XV

Inhaltsverzeichnis

I Teil I Bedeutung und Einordnung von Speichern in der Energieversorgung

1 Energiespeicher im Wandel der Zeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1 100 % erneuerbare Energie vor der industriellen Revolution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.1.1 Photosynthese Kernprozess der natrlichen Energiespeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.1.2 Holz, Torf, Energiepflanzen Nutzung der gespeicherten Solarenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.2 Fossile Energie im fossilen Zeitalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.2.1 Entstehung fossiler Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.2.2 Nutzung und Emissionen fossiler Energie: Status quo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.3 bergang und Rckfhrung zum Zeitalter der erneuerbaren Energien . . . . . . . . . . . . . . . . 181.3.1 Klimawandel und Ressourcenknappheit Treiber der globalen Energiewende . . . . . . . . . . . . . 181.3.2 Das Zeitalter der erneuerbaren Energien als verbleibende Frage der Zeit Szenarien

zur Wende . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2 Definition und Klassifizierung von Energiespeichern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.1 Definition und Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.2 Nutzen von Speichern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.3 Klassifizierung von Speichern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.3.1 Physikalisch-energetische Klassifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.3.2 Berechnung der wichtigsten Gren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.3.3 Zeitliche Klassifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.3.4 Rumliche Klassifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422.3.5 konomische Klassifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

II Teil II Bedarf an Energiespeicherung

3 Speicherbedarf in der Stromversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.1 Speicherbedarf und berschsse Einflussfaktoren und Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.1.1 Grundstzliche Einflsse auf den Speicherbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.1.2 Definition Speicherbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.1.3 Unterscheidung marktbasierter und netzbasierter Stromberschuss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.2 Langfristszenarien des Bundesumweltministeriums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.2.1 Entwicklung des Primr-, End- und Nutzenergiebedarfs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.2.2 Entwicklung des Strommix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.2.3 Auswirkung von Mindesterzeugung und Import/Export auf den Speicherbedarf . . . . . . . . . . . 593.2.4 Auswirkung von Lastmanagement auf den Speicherbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.2.5 Speichereinsatz bei erneuerbaren Anteilen von 40 %, 63 % und 85 % . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633.2.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653.3 100 % Strom aus erneuerbaren Quellen laut Umweltbundesamt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

XVI Inhaltsverzeichnis

3.3.1 Annahmen zum Stromverbrauch in 2050 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663.3.2 Technisch-kologische Potenziale von erneuerbaren Energien, Speichern

und Lastmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683.3.3 Annahmen und Modellierung des Szenarios fr 2050 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.3.4 Ergebnisse zu Speicherbedarf und Versorgungssicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 743.3.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 823.4 VDE-ETG-Studie zum marktbasierten Speicherbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 833.4.1 Methodik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 843.4.2 Annahmen der Modellbildung und Eingangsdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 863.4.3 Szenarien-bergreifende Erkenntnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 883.4.4 Erkenntnisse aus dem 40 %-Szenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 903.4.5 Erkenntnisse aus dem 80 %-Szenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 913.4.6 Erkenntnisse aus dem 100 %-Szenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 943.4.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 953.5 Untersuchungen zum netzbasierten Speicherbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 963.5.1 Methodisches Vorgehen zur Unterscheidung von markt- und

netzbasiertem Speicherbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 963.5.2 Fallstudie Power-to-Gas in Deutschland im Jahr 2022 bei verzgertem Netzausbau . . . . . . . . 963.5.3 Minimaler Speicherbedarf im europischen Netzverbund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 993.5.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 993.6 Gegenberstellung und Einordnung der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1003.6.1 Gegenberstellung der Ergebnisse der drei Studien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1003.6.2 Einordnung der Ergebnisse im Vergleich zu weiteren Studien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1003.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

4 Speicherbedarf in der Wrmeversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1194.1 Grundlagen und Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1204.2 Entwicklung des Wrmebedarfs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1204.3 Entwicklung des Wrmemix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1214.3.1 Fossile Wrmebereitstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1214.3.2 Erneuerbare Wrmebereitstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1214.3.3 Beispiel Raumwrme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1224.4 Paradigmenwechsel im Wrmesektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1234.4.1 Beispiel Wandel Erdl Erdgas erneuerbare Energien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1234.4.2 Strom als Primrenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1244.5 Speicherbedarf in einem Klimazielszenario fr das Energiesystem

Deutschland im Jahr 2050 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1254.5.1 Szenariorahmen, Modell und Annahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1254.5.2 Ergebnisse zum Speichereinsatz im Wrmebereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1264.6 berschsse, Speicherbedarf und Speicherpotenziale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1284.6.1 berschsse im Wrmesektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1284.6.2 Entwicklung des Speicherbedarfs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1304.6.3 Speicherpotenziale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1324.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

XVII Inhaltsverzeichnis

5 Speicherbedarf im Verkehrssektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1415.1 Grundlagen und Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1425.1.1 Ausgangslage und Entwicklung der letzten Jahrzehnte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1425.1.2 Zielsetzungen im Verkehrssektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1425.2 Entwicklung des Mobilittsbedarfs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1435.2.1 Entwicklung der Bevlkerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1435.2.2 Entwicklung der Wirtschaftsleistung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1445.2.3 Bandbreite der Entwicklung des Bedarfs in Personen- und Gterverkehr . . . . . . . . . . . . . . . . . 1445.3 Entwicklung der Energie- und Kraftstoffversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1445.3.1 Entwicklung im Personenverkehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1445.3.2 Entwicklung im Gterverkehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1465.3.3 Entwicklung des Energiemix im Verkehrssektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1475.4 Paradigmenwechsel im Verkehrssektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1505.4.1 Elektrifizierung der Mobilitt ber Batterien und Stromkraftstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1505.4.2 Integration erneuerbarer Energien als Grundpfeiler der Mobilitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1535.5 Speicherbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1535.5.1 Heutiger Speicherbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1535.5.2 Speicherbedarf in einem zu 50 % erneuerbar versorgten Mobilittssektor . . . . . . . . . . . . . . . . 1555.5.3 Speicherbedarf fr Verkehr in der Studie des Fraunhofer ISE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1565.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

III Teil III Technologien der Energiespeicherung

6 Elektrische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1636.1 Kondensatoren Supercaps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1646.1.1 Grundlagen eines Kondensators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1646.1.2 Vom Kondensator zum Doppelschichtkondensator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1676.1.3 Ladung und Entladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1706.1.4 Verluste, Wirkungsgrad und weitere Kennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1766.1.5 Lebensdauer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1806.1.6 Anwendungsgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1836.2 Supraleitfhige elektromagnetische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1846.2.1 Grundlagen der Supraleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1856.2.2 Supraleitfhiger elektromagnetischer Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1866.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

7 Elektrochemische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1977.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1987.1.1 Physikalische Grundzusammenhnge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1987.1.2 Potenzialausbildung an Elektroden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1997.1.3 Elektrodengleichgewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2017.1.4 Nernstsche Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2027.1.5 Elektrochemische Umstze an Elektroden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2037.1.6 Elektrochemische Zellen und Zellreaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2037.1.7 Elektroden- und Zellpolarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2057.1.8 Nebenreaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

XVIII

7.1.9 Energie- und Wirkungsgradbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2077.1.10 Typen elektrochemischer Energiespeicher und -wandler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2087.1.11 Elektrolyte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2097.1.12 Bauformen von Zellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2097.1.13 Kenngren von Energiespeichern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2117.2 Blei-Sure-Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2127.2.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2147.2.2 Grundreaktionen, Gleichgewicht, Zellenspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2157.2.3 Stoffmengenbilanz, Speicherfhigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2177.2.4 Entladecharakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2187.2.5 Die Nebenreaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2207.2.6 Laden von Bleibatterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2247.2.7 Die verschlossene Bleibatterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2267.2.8 Alterungsmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2297.3 Nickel-Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2317.3.1 Nickel Cadmium-Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2327.3.2 Nickel-Metall-Hydrid Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2447.4 Lithium-Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2487.4.1 Funktionsprinzip, chemische Reaktionen und Aktivmaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2507.4.2 Zellspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2517.4.3 Elektrolyt und elektrochemisches Stabilittsfenster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2547.4.4 Weitere Zellkomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2577.4.5 Leitfhigkeit der Elektrodenmaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2597.4.6 Bauformen und Anwendungsgebiete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2617.4.7 Betriebsweise und typische Leistungskenndaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2667.5 Natrium-Schwefel-Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2717.5.1 Die Elektroden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2727.5.2 Der Elektrolyt/Separator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2727.5.3 Das Heizsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2737.5.4 Formen und Modulgren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2757.5.5 Lade- und Entladevorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2757.5.6 Zyklen, Kapazitten und Lebensdauer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2797.5.7 Wirkungsgrad, Leistung und Energien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2807.5.8 Gefahren und Sicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2817.6 Redox-Flow-Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2827.6.1 Aufbau und Funktionsweise der Redox-Flow-Zelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2837.6.2 Mgliche Materialpaarungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2877.6.3 Lade- und Entladestrategien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2887.6.4 Energie-, Leistungsdichte und Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2907.6.5 Die Redox-Flow-Batterie im Vergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2907.6.6 Lebensdauer und lebensdauerverkrzende Mechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2917.6.7 Anwendungsbereiche von Redox-Flow-Batterien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2917.6.8 Recycling, Umwelt und Sicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

8 Chemische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2958.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2968.1.1 Das C-H-O-System als Basis der chemischen Energiespeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

Inhaltsverzeichnis

XIX

8.1.2 Wasserstoff als Energietrger. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2988.1.3 Wasserstoffherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3008.1.4 Thermodynamik der Wasserspaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3088.1.5 Elektrolytische Leitfhigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3128.2 Einspeichertechnologie Wasserelektrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3198.2.1 berblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3198.2.2 Elektrolysezelle Elektrolysearten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3208.2.3 Elektrolyseblock Stackdesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3258.2.4 Elektrolyseur, Elektrolyse-Anlage und ihre Peripherie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3268.2.5 Vergleich der einzelnen Elektrolysetechnologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3288.2.6 Wirkungsgradsteigerung durch Abwrmenutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3288.3 Einspeichertechnologien Methanisierung und chemische Synthesen . . . . . . . . . . . . . . . . . 3358.3.1 berblick und CO2-Quellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3358.3.2 Chemische Methanisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3388.3.3 Biologische Methanisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3468.3.4 Methanolsynthese. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3548.3.5 Fischer-Tropsch-Synthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3588.4 Speichermedien und Lagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3658.4.1 Gasfrmige Speichermedien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3668.4.2 Flssige Speichermedien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3798.4.3 Feste Speichermedien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3868.5 Ausspeichertechnologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3908.5.1 Stromerzeugung durch Kraft-Wrme-Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3908.5.2 Wrme- und Klteversorgung von Gebuden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4008.5.3 Mobilitt und Verkehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4068.6 Das Speichersystem Power-to-Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4098.6.1 Anfnge von Power-to-Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4098.6.2 Power-to-Gas-Wasserstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4128.6.3 Power-to-Gas-Methan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4158.6.4 Wirkungsgrade, Potenziale, CO2-Emissionen und Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4228.6.5 Vor- und Nachteile von Wasserstoff vs. Methan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4288.7 Das Speichersystem Power-to-Liquid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4318.7.1 Power-to-Liquid zur Gewinnung von Fischer-Tropsch- Flssigkraftstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . 4338.7.2 Power-to-Liquid zur Gewinnung von Methanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4338.7.3 Wirkungsgrade, Kosten und erste Mrkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4358.8 Ocean Fuels als Weiterentwicklung von Power-to-Gas und Power-to-Liquid . . . . . . . . . . 4368.8.1 Rohstoffe und Kraftstoffe vom Meer eine Frage des Potenzials und der Akzeptanz . . . . . . . 4368.8.2 Option schwimmende Windplattformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4398.8.3 Option Segelenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4428.9 CO2-minderndes Energiesystem mit Power-to-Gas, Power-to-Liquid

und Ocean Fuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4458.10 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449

9 Mechanische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4559.1 Gasfrmige Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4569.1.1 Druckluftspeicherkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4569.1.2 Erneuerbare, emissionsfreie Druckluftspeicherprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464

Inhaltsverzeichnis

XX

9.1.3 Druckluftspeichervolumen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4759.2 Flssige Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4799.2.1 Pumpspeicherwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4799.2.2 Innovative Konzepte zur Speicherung potenzieller Energie in flssigen Medien . . . . . . . . . . . 4849.3 Feste Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5059.3.1 Schwungradspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5059.3.2 Lageenergiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5209.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531

10 Thermische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53510.1 Unterscheidungsmerkmale thermischer Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53610.2 Speichertechnologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53710.2.1 Sensible Wrmespeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53710.2.2 Latente Wrmespeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53710.2.3 Thermochemische Wrmespeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53810.3 Thermodynamische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53810.3.1 Thermische Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53810.3.2 Wrmebertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53910.3.3 Wrmedmmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54010.4 Sensible thermische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54110.4.1 Speichermaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54210.4.2 Speicher mit festem Speichermedium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54410.4.3 Speicher mit flssigem Speichermedium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54710.4.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55310.5 Latente thermische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55310.5.1 Charakterisierung von Materialien zur Latentwrmespeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55610.5.2 Materialien zur Latentwrmespeicherung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55710.5.3 Wrmebertragungskonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56110.5.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56510.6 Thermochemische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56510.6.1 Speichermaterialien thermochemischer Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56610.6.2 Bauformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56910.6.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57010.7 Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572

11 Lastmanagement als Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57511.1 Besonderheiten von Demand Response im Vergleich zu anderen

Energiespeichern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57811.2 Demand Response in Haushalten und Querschnitttechnologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57911.2.1 Speicherheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57911.2.2 Elektrische Warmwasserbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58111.2.3 Elektrische Klteerzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58411.2.4 Heizungsumwlzpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58711.2.5 Lftungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58911.2.6 Waschmaschinen, Wschetrockner, Geschirrsplmaschinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 590

Inhaltsverzeichnis

XXI

11.3 Demand Response in der Industrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59111.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594

12 Vergleich der Speichersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59712.1 berblick ber technische und konomische Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59912.2 Bestimmung der Anwendungsfelder durch Speicherkapazitt

und Auspeicherdauer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59912.2.1 Elektrische Energiespeicher Kondensatoren und Spulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60512.2.2 Elektrochemische Energiespeicher Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60612.2.3 Mechanische Energiespeicher Pumpspeicher, Druckluft und Schwungmassen . . . . . . . . . . 60712.2.4 Thermische Energiespeicher Wrmespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60712.2.5 Chemische Energiespeicher Power-to-X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60812.2.6 Lastmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60912.3 Kosten, Wirkungsgrad und Energiedichte im Vergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60912.4 Entwicklungsstand, Strken und Schwchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61212.4.1 Technologischer Entwicklungsstand der Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61212.4.2 Strken und Schwchen verschiedener Technologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61312.5 Perspektiven fr Energiespeicher und gesellschaftliche Akzeptanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61912.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623

IV Teil IV Integration und Anwendung von Energiespeichern

13 Speicherintegration in einzelnen Energiesektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62913.1 Integration im Stromsektor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63013.1.1 Funktion und Nutzen von Speichern im Stromsektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63013.1.2 Pumpspeicherwerke und Speicherkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63613.1.3 Schwungradspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64513.1.4 Batteriekraftwerke und Batteriespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64913.1.5 Inselnetze mit erneuerbaren Energien und Speichern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65513.1.6 Wrmespeicher in solarthermischen Kraftwerken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67013.2 Integration im Wrmesektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67313.2.1 Wrmespeicher fr Solarthermie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67313.2.2 Latent- und Sorptionsspeicher in Gebuden und Haushalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68013.2.3 Holz als chemischer Speicher in Forst und Wald fr die Wrmeversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . 68413.3 Integration im Verkehrssektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68913.3.1 Beimischung von Biokraftstoffen und Nutzung von Pflanzenl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68913.3.2 Integration von Wasserstoff im Verkehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69313.3.3 Integration von Schwungradspeicher im ffentlichen Nahverkehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69513.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 699 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 701

14 Speicherintegration zur Kopplung unterschiedlicher Energiesektoren . . . . . . 70514.1 Kopplung von Strom- und Wrmesektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70614.1.1 Flexibilisierung der Kraft-Wrme-Kopplung ber Wrmespeicher und Wrmenetze . . . . . . . 70614.1.2 Integration von Elektrowrmepumpen ber Wrmespeicher und Wrmenetze . . . . . . . . . . . . 711

Inhaltsverzeichnis

XXII

14.1.3 Integration von Power-to-Heat ber Wrmespeicher und Wrmenetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71414.1.4 Batteriespeicher vs. Lastverschiebung vs. Wrmespeicher ein Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71814.2 Kopplung von Strom- und Verkehrssektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72014.2.1 Elektromobilitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72114.2.2 Stromkraftstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72314.3 Kopplung von Strom- und Gassektor: Power-to-Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72814.3.1 Power-to-Gas im Kontext der Energieversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72814.3.2 Entwicklung von Power-to-Gas in Deutschland und in den Nachbarlndern . . . . . . . . . . . . . . 73214.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 743 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 745

Epilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 747

Inhaltsverzeichnis

1

Teil I Bedeutung und Einordnung von Speichern in der Energieversorgung

Kapitel 1 Energiespeicher im Wandel der Zeit 3

Kapitel 2 Definition und Klassifizierung von Energiespeichern 25

I

Energiespeicher im Wandel der Zeit

bersichtSeit 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 smtliches Leben auf der Erde. Im Zusammenhang mit der Entdeckung des Feuers vor ungefhr 1,5 Mio. Jahren wurde dieser Energiespeicher in Form von Feuerholz vom Menschen erschlossen und genutzt. Erst in jngster Geschichte, seit der industriellen Revolution, greift der Mensch auf fossile Energietrger zurck, die eine ltere Form der Biomasse darstellen. Langfristig gilt es, den Speicherprozess der Biomasse nachhaltig zu nutzen, ihn technisch nachzubilden und weitere Speichertechnologien zu erschlieen.

In diesem Kapitel wird die Geschichte der Energiespeicher mit Blick auf den Kohlenstoffkreislauf behandelt, angefangen bei dem natrlichen Speicherprozess der Photosynthese, ber die Speicherprodukte Biomasse, Torf und fossile Energietrger bis hin zu den Speichertechnologien im Zeitalter der erneuerbaren Energien. Darber 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.

3 1

M. Sterner, I. Stadler, Energiespeicher Bedarf, Technologien, Integration,DOI 10.1007/978-3-642-37380-0_1, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2014

4

11.1 100 % erneuerbare Energie vor

der industriellen Revolution

z Die Sonne als Motor erneuerbarer Energie und Energiespeicherung

Alle natrliche Energie geht mit Ausnahme der Gezeitenkraft und Tiefengeothermie von der Sonne aus. Vor der industriellen Revolution nutzte der Mensch Energie ausschlielich aus erneuerba-ren Quellen. Der wichtigste Energietrger war zu dieser Zeit die Biomasse, welche letztlich eine ge-speicherte Form der Solarenergie ist. Einzelne Nut-zungsformen von Holz als Biomasse gehen sogar bis in die Steinzeit zurck. Holz wurde vorwiegend fr die Wrmeversorgung zum Kochen und Hei-zen, aber auch als Lichtquelle und fr nicht tech-nische Anwendungen als Schutz gegen wilde Tiere eingesetzt. Neben Holz wurde seit etwa 2000 Jahren auch Torf als Energietrger genutzt.

Die Solarenergie findet seit jeher auch Anwen-dung in Trocknungsprozessen. Darber hinaus wurden andere erneuerbare Energiequellen er-schlossen: die Nutzung der Windenergie und Was-serkraft fr mechanische Arbeiten, z.B. zum Zer-kleinern, Sieben und Pumpen, oder fr den Trans-port ber die Weltmeere (Segelschiffe). Auch diese Energieformen beruhen indirekt auf der Solarener-gie: Sie ist es letztlich, die den Wasserkreislauf an-treibt, unterschiedliche Hoch- und Tiefdruckgebie-te in der Atmosphre entstehen lsst und dadurch Windkraft erzeugt. Auch die oberflchennahe Geo-thermie ist im Grunde gespeicherte Solarenergie. Den grten Anteil der Energienutzung vor der in-dustriellen Revolution hatte jedoch die Solarener-gie in gespeicherter Form als Biomasse.

1.1.1 Photosynthese Kernprozess der natrlichen Energiespeicherung

Alle organische Masse entsteht direkt oder indirekt durch Photosynthese und ist somit gespeicherte Solarenergie. Bei der oxygenen Photosynthese wird die elektromagnetische Strahlungsenergie der Sonne ber Pflanzen und Nutzung von Wasser (H2O) und Kohlenstoffdioxid (CO2) in chemische

Bindungsenergie umgewandelt und gespeichert. Als Nebenprodukt entsteht Sauerstoff (O2), wel-cher fr die Atmung der Lebewesen und die Ver-brennung der gespeicherten biogenen und fossilen Energie bentigt wird (s. .Abb.1.1).

Der Kernprozess der Photosynthese erfolgt in Chloroplasten und vollzieht sich im Wesentlichen in zwei Schritten (s. [5, 8, 21]):1. Erzeugung eines Reduktionspotenzials durch

die Spaltung von Wasser in Elektronen, Proto-nen und Sauerstoff mithilfe von Lichtreaktio-nen in Pigmentmoleklen und

2. Aufnahme, Reduktion und Synthese von CO2 in Zucker und organische Kohlenstoff-verbindungen in den Dunkelreaktionen (Calvin-Zyklus).

Die Photosynthese wird im Folgenden am Beispiel Glukose veranschaulicht.

z Spaltung von WasserZunchst wird Wasser, das die Pflanze dem Boden und der Luft entnimmt, in Wasserstoff und Sauer-stoff gespalten (Gl.1.1). Diese Lichtreaktionen zur Wasserspaltung laufen in zwei internen Photosys-temen ab. Im ersten Photosystem wird Energie zur Spaltung von Wasser und fr die CO2- Verarbei-tung gewonnen. Im zweiten Photosystem wird mit Lichtenergie Wasserstoff ionisiert. Es entstehen Wasserstoffionen (Protonen) und Elektronen. Das Nebenprodukt ist Sauerstoff, welcher an die At-mosphre abgegeben wird. Dabei wird die Ener-gie der Photonen durch Absorption hnlich der Photovoltaik dazu verwendet, Elektronen bzw. Pigmentmolekle (speziell Chromophoren) auf ein hheres Energieniveau anzuheben. Das von der Pflanze absorbierte Licht (elektromagnetische Strahlungsenergie Eph) treibt im Wesentlichen drei Schritte an:1. bertragung der Elektronen und Protonen auf

den Zwischentrger NADP+,2. dessen Reduktion zu NADPH (Elektronentr-

ger) und3. Bereitstellung des fr die Synthese von CO2

notwendigen ATPs (Energietrger),

(1.1)2 ph 212 24 ( ) 6 .H O E H O+ +

Kapitel 1Energiespeicher im Wandel der Zeit

5 11.1 100 % erneuerbare Energie vor der industriellen Revolution

z Aufnahme, Reduktion und Synthese von CO2Die Natur hrt in ihrem Speicherprozess nicht bei in Protonen und Elektronen zerlegtem Wasserstoff als chemischem Energietrger auf, sondern kom-biniert diesen in einem zweiten Schritt (Dunkel-reaktionen) mit Kohlendioxid aus der Atmosphre, um die solare Energie in fester chemischer Form zu binden (Gl.1.2). Im sogenannten Calvin-Zyklus wird zunchst CO2 aus der Luft in organischen Mo-leklen (CO2-Akzeptor RuBP) innerhalb der Chlo-roplasten fixiert. Das Additionsprodukt ist instabil und zerfllt in zwei Zwischenprodukte, welche mithilfe der Elektronen des NADPH zu C3-Zucker reduziert werden. Der verbleibende umgebaute CO2-Akzeptor wird in der abschlieenden Phase des Calvin-Zyklus mithilfe des Energietrgers ATP regeneriert. Intern zirkulieren die Elektronen- und Energietrger NADPH und ATP zwischen Licht- und Dunkelreaktionen und halten dadurch den Zyklus aufrecht.

Die gespeicherte Bindungsenergie in Form von Kohlenstoffverbindungen bleibt von der so gewon-nenen Biomasse bis hin zu Kraftstoffen und Heizl ber alle Wandlungsschritte erhalten, bis sie letzt-

endlich in Verbrennungsprozessen in Lungen, Mo-toren oder Turbinen wieder freigesetzt wird. Dabei gelangt auch das CO2 zurck in die Atmosphre,

(1.2)

z Brutto- und NettogleichungFr die Gesamtreaktion ergibt sich somit:

(1.3)

(1.4)

Je nach Pflanzenart entsteht ein Zucker mit drei oder vier Kohlenstoffatomen, welcher der Energie-lieferant fr alle weiteren Prozesse und fr die Wei-terverarbeitung der Kohlenwasserstoffketten ist. So werden z.B. in der Glukose 2813kJ/mol (0,78kWh/mol) gespeichert.

6 24 62 6 12 6 2CO H C H O H O+ +( ) .

Bruttogleichung: ph6 12

6 62 2

6 12 6 2 2

CO H O E

C H O O H O

+ +

+ +

Nettogleichung: ph6 6

62 2

6 12 6 2

CO H O E

C H O O

+ +

+ .

Solare,elektromagnetsicheStrahlungsenergie

CO2

H2O O2

Energiespeicherung

ChemischeBindungsenergie

. Abb. 1.1 Photosynthese: Der Speicherprozess der Natur fr Solarenergie

6 Kapitel 1Energiespeicher im Wandel der Zeit

1

Gleichung1.2 kann weiter vereinfacht werden, in-dem durch den Faktor 6 geteilt wird. Daraus kris-tallisiert sich die Kernreaktion heraus, welche auch im C-H-O-Diagramm Anwendung findet und den Grundbaustein [CH2O] jeder biogenen und fossi-len Energieform offenlegt (s. 7 Abschn.8.1.1),

(1.5)

Der Prozess der Photosynthese kehrt in der Natur genau die Prozesse der Zellatmung um, welche ana-log zur Energietechnik als Verbrennungsprozess gesehen werden knnen. In der Verbrennung wird der Sauerstoff bentigt, der zuvor in der Photosyn-these als Nebenprodukt freigesetzt wurde; das CO2 zykliert in hnlicher Weise: Der Kreis schliet sich (s. .Abb.1.2).

In organischen Lebewesen wird jedoch nicht alle gespeicherte Energie auch wieder veratmet oder verbrannt, da sonst kein Wachstum statt-finden knnte. Beim Menschen ist z.B. ein durch-schnittlicher Verbrauch von ca. 80kcal/h zu mes-sen, was etwa 100W Dauerleistung entspricht. Bei-de Prozesse Photosynthese und Atmung sind

Kerngleichung: phCO H O E

CH O O

2 2

2 2

+ +

[ ] + .

Redoxprozesse und knnen mit den Grundlagen der Elektrochemie erklrt werden (s. 7 Abschn.7.1).

z WirkungsgradDer Wirkungsgrad der Photosynthese berechnet sich aus dem Verhltnis von chemischer Bindungs-energie Echem und der jhrlichen Globalstrahlung HG, welche sich aus direkter, diffuser und reflek-tierter Strahlung zusammensetzt und auf die Pflan-zenoberflche auftrifft (Gl.1.3). Der Wirkungsgrad kann auch ber die jeweiligen Leistungsgren Pchem und EG ermittelt werden. Die Bilanzgrenzen ergeben sich entsprechend,

(1.6)

Der photosynthetische Wirkungsgrad ist unter an-derem abhngig davon, wie viel Strahlungsenergie von der Pflanze absorbiert werden kann und um welchen Pflanzentyp bzw. um welches Stoffwech-selsystem es sich handelt.

Die solare Globalstrahlung kann absorbiert, reflektiert oder transmittiert werden. Die Absorp-tion ergibt sich aus den physikalischen Fhigkeiten

chem chem

G G

P E

E H= =

Laden

Speichern

Entladen

H2O CH2O

Verbren-nung,

Atmung

Energie

2 H+ + 2 e

Lichtreaktionen Dunkelreaktionen

CO2 O2

Photo-synthese

Solarenergie

. Abb. 1.2 Geschlossener Kreislauf von Photosynthese (Energiespeicherung) und Verbrennung (Energieverbrauch), nach[3]

7 1

und Eigenschaften der Pflanze und erfolgt selektiv. Auch hier ergibt sich wieder eine Parallelitt zur Nutzung von selektiven Absorbern in der Solar-thermie oder der Photovoltaik.

Ein Groteil des solaren Spektrums wird im grnen Bereich reflektiert, was im menschlichen Auge zur Empfindung der Farbe Grn fhrt und uns die meisten Pflanzen als grn erscheinen lsst. Ein weiterer Teil wird transmittiert. Letztend-lich kann bei idealer Ausrichtung der Pflanze zur Sonne nur ein Anteil von ca. 50 % der Pigmentmo-lekle absorbiert werden. Diese selektiven Absor-ber werden bei Grnpflanzen als Chromophoren (Farbtrger) bezeichnet. Dabei handelt es sich um lichtabsorbierende Farbstoffe wie Chlorophyll a/b, Carotinoide oder Xanthophylle. Sie sind in ihrer Funktion vergleichbar mit der dotierten Schicht einer Solarzelle und absorbieren rotes und blaues Licht. hnlich zum Band Gap Engineering der Halbleitertechnik werden krzere, energieinten-sivere Wellenlngen auf rotes Licht reduziert (Eph 1,94eV), und die berschssige Energie ent-weicht als Abwrme.

BeispielTheoretischer Wirkungsgrad auf molekularer Ebene als Rechenbeispiel

Zur Fixierung und Umwandlung von CO2 wird pro Molekl die Ionisierungsenergie von mindes-tens acht roten Photonen bentigt (s. [3, 11]). Bei einer angenommenen Wellenlnge im mittleren roten Spektrum von 680nm hat ein Photon (Strah-lungsquant) mit dem Planckschen Wirkungsquan-tum h von 6,626 10-34 Js und der Vakuum-Licht-geschwindigkeit c0 von 2,998 10

8m/s eine Energie von

(1.7)

Multipliziert mit der Avogadro-Konstante NA von 6,022 1023/mol ergibt sich eine molare Energiedich-te von 176kJ/mol (0,05kWh/mol). Im Beispiel Glu-kose werden 6 Kohlenstoffe gebunden, also min-destens 6 8 = 48 Photonen bentigt und damit ein Minimum an Photonenenergie von 2,4 kWh/mol.

0

192,92 10 1,82 .

ph

cE h f h

J eV

= =

= =

Der volumenspezifische kalorische Wert von Glu-kose ist 0,78kWh/mol. Aus dem Quotienten dieser Werte ergibt sich ein theoretischer Wirkungsgrad von maximal 33 %. In der Regel werden 10 statt 8 Photonen bentigt, was die theoretische Effizienz auf 26 % verringert. Wird angenommen, dass nur 50 % der Photonen aus dem Solarspektrum ver-arbeitet werden knnen, halbiert sich dieser Wert nochmals auf 13 %.

hnlich zu theoretischen Energiedichten bei elektrochemischen Energiespeichern fllt dieser Wert in der Praxis deutlich kleiner aus, weil eine Vielzahl von physikalischen und elektrochemischen Effekten zustzlich zu bercksichtigen ist.

In der biologischen Umsetzung kann der theoreti-sche Wirkungsgrad nicht erreicht werden: Prinzi-piell addieren sich zu den optischen Verlusten noch interne Verluste. Durch die Degradierung energie-reicher Photonen des blauen Spektrums auf das wandelbare Niveau im roten Spektrum entstehen groe Abwrmeverluste. Zudem bentigt die Pflan-ze Energie fr die Aufrechterhaltung des eigenen Lebens. Welche Energieverluste an welcher Stelle genau auftreten, ist in der Literatur nicht eindeutig beschrieben (s. [1, 3, 11, 17, 21]). Unterschiede zeigen sich vor allem bei den Annahmen zur Reflektion, Absorption und den Verlusten in photochemischen, biochemischen und physiologischen Prozessen. Fest steht allein der maximal erreichbare Wirkungsgrad von ca. 5 % Solarenergie, welche die Pflanze brutto in chemischer Form einspeichern kann (s. .Abb.1.3).

Der Wert dieser Bruttoprimrproduktion liegt je nach Pflanzenart bei 15 %. Davon abzuziehen ist der Eigenverbrauch der Pflanze in der Atmung von etwa 50 %, woraus sich die Nettoprimrpro-duktion ergibt. Das bedeutet, dass schlussendlich nur 0,52,5 % der eingestrahlten Energie in chemi-sche Bindungsenergie umgesetzt werden kann. Im Meer wirkt der Mineralstoffgehalt begrenzend auf die Photosynthese: Bei Algen betrgt der Gesamt-wirkungsgrad ohne technische Hilfsaggregate so-gar nur 0,1 % (s. [24]).

Trotz der Optimierung dieses Speicherprozes-ses durch die Natur ber Jahrtausende ist dieser Wirkungsgrad sehr klein und seine technische Nachbildung (Photobiologie, Power-to-Gas, Po-wer-to-Liquid) lohnenswert.

1.1 100 % erneuerbare Energie vor der industriellen Revolution

8 Kapitel 1Energiespeicher im Wandel der Zeit

1

BeispielRealer Wirkungsgrad der Photosynthese auf glo-baler Ebene

Verglichen mit den realen Zahlen an globaler Einstrahlung mit einem spezifischen Mittelwert EG = 167W/m2 auf der globalen terrestrischen Flche A von 150 1012m2, wovon 100 1012m2 mit Vegetation bedeckt sind, und einer Nettoprimrproduktion NPP von 2200 EJ/a (s. [2]) ergibt sich ein Wirkungs-grad von

(1.8)

Dieser Wert liegt um Faktor 6 unter dem idealen Wirkungsgrad von ca. 2,5 %.

18 2

12 2

NPP

2200 10 0,42%

167 100 10 8760 3600

( s

/a)

chem

G G

E

H E A t

mh s

ma h

W

W

= =

= =

z CO2 Fixierung abhngig von Pflanzentyp C3 oder C4

Durch Zchtung oder hhere Nhrstoff- und CO2-Zufuhr kann die Produktivitt der Pflanze erhht und damit der Wirkungsgrad der Energiespeiche-rung erhht werden. In der CO2-Fixierung wird anhand der Bindung von Kohlenstoffen im ersten Schritt des Calvin-Zyklus zwischen C3- und C4-Pflanzen unterschieden:

C3-Pflanzen Bindung von drei Kohlenstoffatomen Beispiele: boreale Grser, Reis, Weizen

C4-Pflanzen Bindung von vier Kohlenstoffatomen Beispiele: tropische Grser, Mais,

Zuckerrohr

C3-Pflanzen schlieen an heien Tagen ihre Re-zeptoren, um einer Verdunstung vorzubeugen. Die Pflanze wird inaktiv in der Energiespeicherung. Als Nebeneffekt findet Atmung unter Energiever-brauch, die sogenannte Lichtatmung, statt. C4-Pflanzen sind eine evolutionre Weiterentwicklung der C3-Pflanzen. Sie knnen durch ihren mikro-biologischen Aufbau mit einer minimalen Lichtat-mung auskommen und bei hheren Temperaturen und geringeren CO2-Konzentrationen arbeiten. Dabei binden sie in krzerer Zeit mehr Biomasse als ihre Vorgnger; ihre Effizienz ist hher.

Der Anstieg der CO2-Emissionen durch die Nutzung fossiler Energie begnstigt das Pflan-zenwachstum bis zu einem gewissen Ma. .Abbildung1.4 verdeutlicht den Unterschied zwi-schen den beiden Pflanzenarten: Whrend sich das Wachstum von C3-Pflanzen mit steigender CO2-Konzentration bis zur Sttigung bei etwa 1000ppm erhht, ist der Einfluss auf C4-Pflanzen kaum vor-handen. C3-Pflanzen knnen bei hheren CO2-Konzentrationen in trockenen Gebieten mehr Was-ser aufnehmen und den Ertrag um etwa 1020 % steigern. Ob sich die CO2-Dngung der Atmo-sphre durch fossile Energie dauerhaft in hheren Ertrgen widerspiegelt, ist bislang noch ungeklrt, da weitere Effekte der Erderwrmung und Schad-stoffemissionen auf die komplexen kosysteme einwirken, die in den Betrachtungen bisher weit-gehend unbercksichtigt bleiben oder nur schwer kalkulierbar sind.

Solare Einstrahlung(Globalstrahlung)

100 %

Optische Verluste durchReexion und Transmission

Verluste durch Ausrichtung,Neigung und Form der

Absorberchen

Verluste derLichtreaktionen

(1. Schritt der Photosynthese)

Verluste derDunkelreaktionen

(2. Schritt der Photosynthese)

Eigenverbrauch derPanze (Atmung)

2,5 % max. Wirkungsgrad,Bandbreite: 0,12,5 %

2,5 %

5 %

10 %

20 %

50 %

. Abb. 1.3 Sankey-Diagramm des maximalen Wirkungs-grads der Photosynthese ein Beispiel nach [21]

9 1

z Photosynthese als Energiespeicherung ist Grundlage allen Lebens

Die Photosynthese ist der grte in der Natur ab-laufende Energiespeicherprozess, von dem direkt oder indirekt die Ernhrung der gesamten belebten Welt abhngt. Die ersten Zelllebewesen auf unse-rem Planeten waren Organismen aus der Dom-ne Archaea, die in einer Atmosphre ohne Sauer-stoff lebten und vor etwa 3,5Mrd. Jahren entstan-den. Sie hatten noch nicht die Eigenschaften