Energiespeicher – Stand und Perspektiven. Sachstandsbericht zum Monitoring »Nachhaltige Energieversorgung«

Die Energieversorgung steht vor einer Reihe neuer Herausforderungen. Die zunehmende Liberalisierung und Globalisierung der Energiemärkte setzt nicht nur neue Rahmenbedingungen, sondern stellt auch neue Anforderungen an die Energieversorgungssysteme der Zukunft. Zentral ist dabei die Aufrechterhaltung der Versorgungssicherheit mit elektrischer Energie bei zunehmenden Anteilen fluktuierender Energieträger sowie veränderten Bezugsbedingungen für fossile Rohstoffe. Auch spielen die Vermeidung weiterer Klimaveränderungen und Umweltbelastungen durch die Energieversorgung eine wichtige Rolle. Energiespeicher sind heute ein fester Bestandteil unseres Energieversorgungssystems. Dennoch wird ihre Rolle – außerhalb der technischen Ebene – kaum wahrgenommen. Der TAB-Bericht gibt vor diesem Hintergrund einen Überblick über den aktuellen technischen Stand verfügbarer Energiespeichersysteme und innovative Speicherkonzepte im stationären wie auch im mobilen Bereich. Energiespeicher nehmen in Versorgungssystemen eine Schlüsselstellung ein, indem sie es ermöglichen bzw. erleichtern, das Energieangebot auf die zeitlich variable Nachfrage abzustimmen. Besonders für die »flüchtigen« Energieformen Strom und Wärme existieren bislang nur wenige wirtschaftlich attraktive Technologien zur Speicherung von großen Mengen Energie (z.B. Pumpspeicher-Wasserkraftwerke). In Versorgungssystemen mit einem hohen Anteil an dargebotsabhängiger Energieerzeugung (z.B. Windkraft) können Energiespeicher perspektivisch einen entscheidenden Beitrag zur Gewährleistung einer zuverlässigen und nachhaltigen Energieversorgung leisten. Gegenstand und Ziel der Untersuchung Vor diesem Hintergrund wurde – auf Vorschlag des Ausschusses für Bildung, Forschung und Technikfolgenabschätzung – im Frühjahr 2006 die Bearbeitung dieses Themenfeldes als Monitoringstudie begonnen. Ziel der Untersuchung ist ein umfassender Überblick über den aktuellen Stand und die Perspektiven heutiger und zukünftiger Möglichkeiten der Energiespeicherung in Anwendung und Forschung. Das Projekt lief im Rahmen des TAB-Monitoring »Nachhaltige Energieversorgung«. Aufgrund der hohen energiewirtschaftlichen und -politischen Bedeutung des Feldes wurde von einem breiten thematischen Ansatz ausgegangen. Dabei werden die Bereiche Strom, Wärme (Kälte) und Kraftstoffe gemeinsam betrachtet, um erkennbare Synergien und/oder Konkurrenzen dieser Felder auszuloten. Die Untersuchungen fokussieren auf Bereiche mit einer hohen energiewirtschaftlichen Relevanz. Neben den neuen Anforderungen an die Energiespeicherung im Kontext einer nachhaltigen Energieversorgung wird ein strukturierter Gesamtüberblick über aktuelle und zukünftig absehbare Möglichkeiten der Energiespeicherung gegeben – quasi um die Bandbreite der verfügbaren technischen Möglichkeiten und Entwicklungsoptionen aufzuzeigen. Darüber hinaus werden ausgewählte Anwendungsbereiche (Netzunterstützung bei hohen Anteilen an erneuerbaren Energien, Stromerzeugung im Sonnengürtel, Speicher in Fahrzeugen) in ihren Besonderheiten hinsichtlich der Speicherung von Energie – auch mit Blick auf weiterführende Speicherkonzepte – dargestellt. Abschließend werden wesentliche internationale Forschungsschwerpunkte bzw. ‑aspekte, die im Zusammenhang mit Energiespeichern relevant erscheinen – für ausgewählte Länder und Regionen (D, EU, USA, JP, KP) –, aufgeführt, und es wird auf den Forschungsbedarf eingegangen. INHALT ZUSAMMENFASSUNG 3 I. EINLEITUNG 19 II. NEUE ANFORDERUNGEN AN DIE ENERGIESPEICHERUNG 23 III. TECHNISCHE MÖGLICHKEITEN DER ENERGIESPEICHERUNG 31 1. Mechanische Speicher 31 1.1 Druckluftspeicher 31 1.2 Pumpspeicherkraftwerke 35 1.3 Schwungräder 37 1.4 Stationäre Speicher für stoffliche Energieträger 39 1.5 Mobile Speicher für stoffliche Energieträger 41 2. Thermische Speicher 44 2.1 Kapazitive (sensible) Wärmespeicher 45 2.2 Latentwärmespeicher 51 3. Chemische Energiespeicher 54 3.1 Elektrochemische Speicher (Akkumulatoren) 54 3.2 Stoffliche Energieträger 73 3.3 Chemische Speicher für Wasserstoff 77 3.4 Thermochemische Speicher 82 4. Elektrische/elektromagnetische Speicher 86 4.1 Elektrochemische Kondensatoren 86 4.2 Supraleitende magnetische Energiespeicher 92 IV. EINSATZFELDER VON ENERGIESPEICHERN IM ANWENDUNGSKONTEXT 97 1. Überblick 97 2. Netzunterstützung bei hohen Anteilen an erneuerbaren Energien 101 3. Stromerzeugung im Sonnengürtel 108 4. Speicher in Fahrzeugen 113 5. Abschliessende Betrachtung 118 V. INTERNATIONALE FORSCHUNGSSCHWERPUNKTE 121 1. Deutschland 121 2. Europäische Kommission 125 3. USA 128 4. Japan 131 5. Korea 134 6. Abschliessende Betrachtung 136 VI. SCHLUSSFOLGERUNGEN, OFFENE FRAGEN, HANDLUNGSFELDER UND FuE-BEDARF 141 LITERATUR 149 1. In Auftrag gegebene Gutachten 149 2. Weitere Literatur 149 ANHANG 16

Dresdner Transferbrief

Thema der Ausgabe 3(2014): Energiespeicherung Innovationen für die Energiewende S. 7, 16 Die Brennstoffzelle auf dem Weg zur Marktreife S. 10, 18 Pfiffig netzwerken für unsere Zukunft S. 9, 12:Neue Materialien für die Energiespeicherung 5, 7, 24/25 Maßgeschneiderte Materialien aus dem Labor 6 Arbeiten Hand in Hand: Sachsens Netzwerker und Forscher 9 Kompetenznetzwerk Brennstoffzelle Chemnitz gibt Auskunft 10 Das Dresdner Forschungscluster CSSI stellt sich vor 12/13 Thermische und mechanische Energiespeicher als Alternativen 14, 15 HZDR: Rossendorfer Wissenschaftler setzen auf Flüssigmetallbatterien 16 Am Fraunhofer IWS forschend die Kosten im Blick 17 Auf dem Weg zur Marktreife 18 Neue Konzepte für die Energieumwandlung 19 Keramische Kompetenz in der Batterietechnologie 21 Sicher, auch die Politik ist gefragt 22/23 Innovativ – nachhaltig agierend – erfolgreich unterwegs 28/29 Erfolgsrezept: Dezentrale Anwendungen 30, 3

Infrastrukturelle Aspekte der Elektromobilität von morgen

Die vorliegende Arbeit stellt eine Erstanalyse hinsichtlich des nationalen Vorhabens „Elektromobilität“ dar und setzt den Schwerpunkt auf die größten infrastrukturellen Herausforderungen und die damit verbundenen Lösungsansätze. Diese werden in einem abschließenden Teil bewertet und in einem Gesamtfazit dargestellt. Die vorliegenden Informationen wurden aus wissenschaftlichen Quellen referenziert und entsprechend den Subthemen sortiert zusammengetragen. In einem ersten Schritt werden die Auswirkungen einer weiter fortschreitenden Elektromobilität auf das Stromnetz betrachtet. Hierzu werden der wachsende Markt der Erneuerbaren Energien und dessen zukünftige Herausforderungen erläutert. Des Weiteren werden intelligente Stromnetze sowie verschiedene Konzepte der Energiespeicherung veranschaulicht. Dazu wird ein Überblick über die grundlegend verschiedenen Konzepte der Ladungsarten, Abrechnungssystemen als auch Ladeorte gegeben. Mit der Elektromobilität gehen ebenfalls neue Möglichkeiten der Informations- und Kommunikationssysteme einher, die für bisher automotive fremde Unternehmen ungeahnte Chance in der Branche eröffnen. Bevor dem Leser Geschäftsmodelle der alternativen Antriebstechnologie näher gebracht werden, widmet sich die vorliegende Ausarbeitung ebenfalls der Thematik „Smart Traffic“. Dabei wird der Gedanke der intelligenten Vernetzung der Energieinfrastruktur auf Aspekte der Verkehrsinfrastruktur übertragen. Somit kann das bisher klassische Bild der Elektromobilität vom reinen Individualverkehr zur vernetzten Intermodalität erweitert werden. Aus Sichtweise des Marketings werden mögliche Herangehensweisen, Kundenanforderungen und die damit einhergehenden Herausforderungen für eine erfolgreiche massenmarktfähige Elektromobilität dargestellt. Veränderungen innerhalb der Wertschöpfungskette der Automobilhersteller werden ebenso betrachtet wie das sich wandelnde gesellschaftliche Verständnis der Mobilität

Moderne Stromnetze als Schlüsselelement einer nachhaltigen Energieversorgung. Endbericht zum TA-Projekt

Gegenwärtig befindet sich das deutsche Energiesystem in einem Umbruchprozess historischen Ausmaßes. Bis 2030 sollen erneuerbare Energien etwa die Hälfte und bis 2050 mindestens 80 % des Strombedarfs decken. Dies stellt teilweise völlig neue Anforderungen an die Stromnetze, sodass aktuell ein erheblicher Handlungsdruck erwachsen ist, die Netze aus- bzw. umzubauen sowie neue Betriebskonzepte zu entwickeln, damit eine zuverlässige und sichere Stromversorgung auch weiterhin gewährleistet werden kann. Der TAB-Bericht gibt einen breiten Überblick über den Stand des Wissens und der Diskussion zu vielen der mit dem Aus- und Umbau der Stromnetze verbundenen Fragestellungen. Dazu gehören neben dem Umfang des Aus- und Umbaubedarfs die Identifikation von modernen Technologien und Betriebsweisen für Stromnetze sowie die Beschreibung ihres Entwicklungsstands bzw. Forschungs- und Entwicklungsbedarfs. Da eine Fokussierung allein auf technologische Aspekte zu kurz greifen würde, wurde eine Reihe weiterer relevanter Einflussfaktoren und Themenbereiche in den Blick genommen. Dies betrifft zum einen ökonomische Aspekte, u. a. die Kosten und Nutzen des Einsatzes bestimmter Technologien, beispielsweise von sogenannten Smart Metern. Zum anderen werden aber auch Dimensionen der Folgewirkungen in den Blick genommen, insbesondere Datenschutzfragen in modernen Stromnetzen, die mehr und mehr mit Informationsnetzen verschmelzen (Smart Grid), sowie mögliche Auswirkungen auf die Umwelt bzw. die Gesundheit. Last but not least werden Fragen der öffentlichen Beteiligung und der Akzeptanz des Baus von Stromtrassen thematisiert, die in letzter Zeit enorm an Bedeutung gewonnen haben. INHALT ZUSAMMENFASSUNG 9 I. EINLEITUNG 25 II. STROMNETZE UND STROMVERSORGUNG IN DEUTSCHLAND 33 1. Systemdienstleistungen 36 2. Trends und Treiber für die zukünftige Entwicklung der Netze 39 3. Smart Grid 41 4. Stromnetz im Verhältnis zu anderen Flexibilisierungsoptionen 47 III. AUS- UND UMBAUBEDARF DER STROMNETZE 49 1. Übertragungnetze 49 1.1 Kritik am Verfahren 52 1.2 Kritik an Annahmen und Ergebnissen 57 1.3 Schlussfolgerungen, diskutierte Lösungsvorschläge 59 2. Verteilnetze 61 3. Auswirkungen eines verzögerten Netzausbaus 68 IV. MODERNE TECHNOLOGIEN UND BETRIEBSWEISEN FÜR STROMNETZE 71 1. Übertragungsnetze 71 1.1 Freileitungsmonitoring 71 1.2 Hochtemperaturleiterseile 72 1.3 Erhöhung der Übertragungsspannung 73 1.4 Leistungselektronik zur Steuerung von Lastflüssen 73 1.5 Wide Area Monitoring Systems 74 1.6 Erdkabel 76 1.7 Phasenschiebertransformatoren 78 1.8 Hochspannungsgleichstromübertragung 79 1.9 Supraleitende Komponenten 81 1.10 Gesamtübersicht der Technologien und Verfahren 82 2. Verteilnetze 84 2.1 Regelbare Ortsnetztransformatoren 84 2.2 Einspeisenetze 86 2.3 Hochtemperatursupraleiterkabel 87 2.4 Technologien zur dezentralen Bereitstellung von Systemdienstleistungen 88 2.5 Sensorik im Netz/Automatisierung 90 3. Smart Meter 91 3.1 Warum Smart Meter? 92 3.2 Ordnungsrahmen 95 3.3 Kosten-Nutzen-Analyse 96 3.4 Ländervergleich 101 3.5 Datenschutz und Datensicherheit bei Smart Meter 102 V. ZUKUNFTSSZENARIEN FÜR DAS STROMNETZ 109 1. Europäisches Supergrid 109 2. Die Szenarien des Umweltbundesamtes 112 2.1 Szenario »International Grosstechnik« 113 2.2 Szenario »Regionenverbund« 113 2.3 Szenario »Lokal autark« 115 3. Betrieb des Stromnetzes in regionalen Zellen 117 3.1 Definition und Abgrenzung 118 3.2 Funktionalität und technische Umsetzung 119 3.3 Mögliche technische Varianten 121 3.4 Bewertung 123 3.5 Möglicher Regelungsbedarf 131 3.6 Fazit 134 4. Digital Grid 135 VI. ZUVERLÄSSIGKEIT UND SICHERHEIT 137 1. Kosten von Stromausfällen 138 2. Versorgungsqualität 141 2.1 Smart Grid: »safety« und »security« 144 2.2 Qualität der Stromversorgung als Produktmerkmal 151 VII. UMWELT- UND GESUNDHEITSAUSWIRKUNGEN 153 1. Auswirkungen auf die Umwelt 153 1.1 Freileitungen 154 1.2 Erdleitungen 161 1.3 Elektromagnetische Felder durch Freileitungen, Erdkabel und gasisolierte Leitungen 166 1.4 Fazit 171 2. Mögliche Risiken für die Gesundheit 171 2.1 Allgemeines zu Feldwirkungen und Grenzwerten 172 2.2 Wirkmodelle und Bewertung von Evidenz 173 2.3 Wissenschaftliche Bestandsaufnahme und Bewertung biologischer Wirkungen 180 2.4 Grenzwertdiskussion 186 2.5 Forschungsbedarf 192 2.6 Strategien der Risikobewertung und des Risikomanagements 192 2.7 Fazit 193 VIII. AKZEPTANZ DES STROMNETZAUSBAUS 195 1. Konfliktfelder beim Netzausbau 196 2. Öffentliche Wahrnehmung und das Beteiligungsparadoxon 197 3. Bürgerbeteiligung bei der Planung des Netzausbaus 198 4. Erfolgsfaktoren für Bürgerbeteiligungsverfahren 201 5. Fazit 203 LITERATUR 205 1. In Auftrag gegebene Gutachten 205 2. Weitere Literatur 205 ANHANG 229 1. Tabellenverzeichnis 229 2. Abbildungsverzeichnis 23