Energie, Technologien und Innovation. Wie lassen sich Energiespeicher sinnvoll nutzen?

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung

2 Sektorenentwicklung und Bedeutung von Energiespeichern
2.1 Der Stromsektor
2.2 Der Wärmesektor
2.3 Der Verkehrssektor

3 Energiespeichertechnologien
3.1 Allgemein
3.2 Pumpspeicher
3.3 Sensible Wärmespeicher
3.4 Lithium-Ionen-Akkumulator
3.5 Power-to-Gas

4 Wirtschaftlichkeitsanalyse von Energiespeichern
4.1 Sektorenübergreifende Fördermechanismen
4.2 Der Stromsektor
4.3 Der Wärmesektor
4.4 Der Verkehrssektor
4.5 Diskussion

5 Fazit

Anhang

Literatur

Abkürzungsverzeichnis

BAFA -Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle

BKA -Bundeskartellamt

BMU -Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare

BMWi -Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

EE -Erneuerbare Energien

EEG -Erneuerbare-Energien-Gesetz

EnergieStG -Energiesteuergesetz

EnWG -Energiewirtschaftsgesetz

ETG -Energietechnischen Gesellschaft

ETS -Emissions Trading System

EU -Europäische Union

FNB Gas -Vereinigung der Fernleitungsnetzbetreiber Gas e.V.

FVEE -ForschungsVerbund Erneuerbare Energien

GJ -Gigajoule

GW -Gigawatt

IFEU -Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg

NPE -Nationale Plattform Elektromobilität

OECD -Organisation for Economic Cooperation and Development

PSW -Pumpspeicherwerke

PtG -Power-to-Gas

PtH -Power-to-Heat

SRU -Sachverständigenamt für Umweltfragen

StromStG -Stromsteuergesetz

TWh -Terawattstunden

UBA -Umweltbundesamt

VDE -Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik

VDI -Verein Deutscher Ingenieure

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Übersicht der Sektorenkopplungen

Abbildung 2: Ladevorgänge eines Pumpspeicherkraftwerkes

Abbildung 3: Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle

Abbildung 4: Skizze einer Elektrolysezelle

Abbildung 5: Eigenkapitalrenditeverteilung bei Berücksichtigung des Risikos

Abbildung 6: Verursachte Treibhausgasausstöße von konventionellen Fahrzeugen im Vergleich zu Elektrofahrzeugen

Abbildung 7: Gaspreisentwicklung je Steuersatz

Abbildung 8: Überblick beschriebener Marktmechanismen

Abbildung 9: Lithium-Produktion 2005

Abbildung 10: Wirkungsgradketten Power-to-Gas

Abbildung 11: Barwertentwicklung der Verkaufsszenarien

Abbildung 12: Steuerbelastung unterschiedlicher Energieträger

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Sensitivitätsanalyse der Eigenkapitalrendite

Tabelle 2: Kalkulationsergebnis

Tabelle 3: Vollständiger Finanzplan saisonaler Wärmespeicher

1 Einleitung

Der anthropogene Klimawandel gilt in der Wissenschaft als bewiesen. Treibhausgase aus fossilen Energieträgern wie Methan und Kohlenstoffdioxid sind Ursache für die globale Erwärmung. Im Vergleich zu 1990 sollen bis 2050 in Deutschland die Treibhausgase um 80–95 Prozent reduziert werden. Die sogenannte Energiewende soll mithilfe von gesteigerter Energieeffizienz, Reduktion des Energiebedarfs und dem Ausbau Erneuerbarer Energien das Klima schützen. Das Zieldreieck der Energiewende teilt sich in die gleichgewichteten Bestandteile Bezahlbarkeit, Versorgungssicherheit und Umweltverträglichkeit auf (vgl. BMWi, 2019 a). Da die Energieversorgung durch Wind und Sonne schwankt, ist die Versorgungssicherheit in Zukunft beeinträchtigt. Die Entwicklung von Energiespeichertechnologien kann einen Beitrag zur Versorgungssicherheit leisten, indem diese die Produktion und den Bedarf von Wärme und Strom zeitlich trennen können. Auch im Verkehrssektor kann die Speicherung von regenerativer Energie eine Unabhängigkeit von fossilen Energieträgern ermöglichen.

Aus diesem Grund setzt sich die vorliegende Arbeit mit Energiespeichertechnologien auseinander und skizziert ein Bild aus Notwendigkeit und Technologiebestand. Im Mittelpunkt des Bildes steht die Frage, ob und welche wirtschaftspolitischen Instrumente ein Gleichgewicht zwischen volkswirtschaftlichem Nutzen und Kosten herstellen können.

In dem ersten Teil der Arbeit wird die Entwicklung der Energiesektoren in Bezug auf Energiespeichertechnologien beleuchtet. Der zweite Teil wird entscheidende Technologien erläutern und analysieren. Der folgende dritte Abschnitt stellt den Hauptteil dar und wird die Kernfrage der Arbeit beantworten. Zu Beginn dieser Wirtschaftsanalyse werden sektorenübergreifende Maßnahmen zur Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit nachhaltiger Technologien, wie Speicher, beleuchtet. Weiterhin wird die Wirtschaftlichkeit von sektorenspezifischen Speichern aus volks- und betriebswirtschaftlichen Standpunkten qualitativ und quantitativ erörtert, um mögliche direkte Markteingriffe zu beurteilen. Abgeschlossen wird das dritte Kapitel mit einer Diskussion.

2 Sektorenentwicklung und Bedeutung von Energiespeichern

Ein primäres Ziel dieses Kapitels ist aufzuzeigen, welche besondere Bedeutung Energiespeicher im Kontext des deutschen Energiesystems bei fortschreitender Energiewende übernehmen. Da sich die prognostizierten Entwicklungen und Energiespeicherbedarfe in den Sektoren Strom, Wärme und Verkehr weitgehend unterscheiden, wird im Folgenden zwischen diesen Bereichen differenziert. Dennoch werden mögliche Wechselwirkungen und Symbiose-Effekte berücksichtigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Übersicht der Sektorenkopplungen

(Quelle: angelehnt an Rohrig et al., 2015)

Zur visuellen Darstellung der Sektorenkopplungen lässt sich Abbildung 1 heranziehen. Diese stellt die Energieflüsse der drei Sektoren in der Dynamik der grünen Rechtecke dar. Erkennbar ist, dass die Energiespeicher, hier die blauen Sechsecke, wie Brückentechnologien zwischen den Sektoren wirken. Die unterschiedlichen Farben der Pfeile deuten auf die Form der bewegten Energie hin. Die Farbe Blau entspricht dabei elektrischer Energie, Rot Wärmeenergie und Gelb chemischer Energie, beispielsweise in Form von Gasen. Parallelen zwischen dem nachfolgenden Text und dieser Grafik sind mit Fußnoten markiert.

2.1 Der Stromsektor

Der Stromsektor beschreibt den elektrischen Energiemarkt und somit die Vorgänge von Kraftwerk bis Letztverbraucher. Die Dekarbonisierung dieses Sektors ist auch Grundlage für nachhaltige Energiedienstleistungen im Wärme- und Verkehrssektor. Die Energiewende hat das Ziel die volkswirtschaftlich teureren und konventionellen Kraftwerke durch eine regenerative Stromproduktion zu ersetzen, jedoch kann es durch den steigenden Anteil an Erneuerbaren Energien (EE) zu Versorgungsunsicherheiten kommen. Grund hierfür ist der Rückgang grundlastfähiger Kraftwerke bei gleichzeitigem Anstieg der fluktuierenden regenerativen Energie. Dabei ist weiterhin ein sekündlicher Ausgleich zwischen nachgefragter und angebotener Leistung notwendig, um die Stromnetzfrequenz von 50 Hertz aufrecht zu erhalten. Schon bei geringen Schwankungen von wenigen Millihertz sinkt die Qualität der übertragenen Leistung. Bei noch höheren Abweichungen kann die sichere Versorgung nicht mehr gewährleistet werden (Gobmaier, 2019). Dieser Zusammenhang aus schwankender regenerativer Leistung und Versorgungssicherheit ist die Ursache für die gesellschaftliche Diskussion über konkurrierende Flexibilitätsoptionen, wie Energiespeicher, Netzausbau oder Demand Side Management (vgl. VDI, 2017).¹

Die Bedeutung von Speichern in Abhängigkeit von dem EE-Anteil geht aus Bedarfsanalytischen Studien hervor. Diese sind jedoch kritisch zu betrachten, da sie lange Zeiträume und konkurrierende Flexibilitätsoptionen berücksichtigen müssen. Repräsentativ werden im Folgenden die Ergebnisse Der Energietechnischen Gesellschaft (ETG) aus dem Jahr 2012 beschrieben, diese hat unterschiedlicher Studien² zusammengetragen und ein Fazit veröffentlicht. Dabei bezieht sich die ETG auf Studien, die die Stromüberschüsse bei einem 40%, 80% und 100%-EE-Anteil-Szenario bestimmt haben. Demnach sind bei einem 40%-EE-Anteil noch keine Energiespeicherreserven notwendig. Grund dafür sind die noch zu seltenen, negativen Residuallasten. Weiterhin ist bemerkenswert, dass ein Einsatz in diesem Szenario von Energiespeichern sogar zu einer Erhöhung von CO2-Ausstößen führt, denn Speicher ermöglichen umweltschädlichen Kraftwerken eine höhere Flexibilität. Bei einem EE-Anteil von 80% ist ein Bedarf an Energiespeichern erstmals signifikant und beläuft sich auf bis zu 70 Terawattstunden³ (TWh). Der Übergang von 80% auf 100% wird als kritische Phase ausgemacht. Dieser ist, laut der ETG, nicht nur die teuerste Phase, sondern erfordert, dass sich die Kapazität von elektrischen Energiespeichern bis zu einer vollständigen regenerativen Energieversorgung im Vergleich zum 80%-Szenario verdreifacht. Zu diesem Zeitpunkt werden sich die Stromgestehungskosten, das sind die Kosten die bei der Umwandlung in elektrische Energie anfallen, aus einem Viertel Energiespeicherkosten zusammensetzen (vgl. ETG, 2012).

2.2 Der Wärmesektor

Parallel zum Stromsektor beschreibt der Wärmesektor die Umwandlung und Verteilung von Wärmeenergie. Am Anfang dieser Umwandlung stehen verschiedene Energieformen. Circa 86% der genutzten Wärmeenergie stammt aus klimaschädlichen, fossilen Energieträgern. Folglich hat der Wärmesektor ein hohes CO2-Einsparungs-Potential (vgl. BMWi, 2017).

Um dieses Potential ausschöpfen zu können, lassen sich zwei Wege skizzieren. Einerseits lässt sich das Potential durch die Sanierung von Gebäuden ausschöpfen, um den Bedarf an Raumwärme zu senken. Laut der Prognose Entwicklung der Energiemärkte 2014 ist eine Reduktion des Endenergiebedarfs im deutschen Wärmesektor von etwa 1400 TWh auf 800 TWh bis zum Jahr 2050 möglich (vgl. Schlesinger et al. 2014). Andererseits kann das Potential durch die Elektrifizierung des Wärmesektors, d.h. der Umwandlung von regenerativem Strom in Wärme, genutzt werden. Diese ist unabdingbar, um fossile, chemische Energieträger vollständig durch regenerative elektrische Energie zu ersetzen. Im Zuge dieser Elektrifizierung kann eine Vielzahl unterschiedlicher Technologien zum Einsatz kommen (vgl. Sterner/Stadler, 2017). Beispielsweise kann die Technologie Power-to-Gas (PtG) Strom als Primärenergie für Wärmeanwendungen integrieren. PtG ermöglicht, mithilfe einer mit regenerativem Strom betriebenen Elektrolyse, synthetisches Gas zu bilden.⁴ Dieses Gas kann dann bei Bedarf verbrannt werden und somit Wärmeenergie zur Verfügung stellen. PtG stellt demzufolge eine eigene Speichertechnologie dar und ermöglicht den regenerativen Betrieb von thermischen Kraftwerken.

Eine weitere Möglichkeit der Elektrifizierung sind Power-to-Heat-Technologien, die elektrische Energie in Wärmeenergie umwandeln. Hierzu zählen beispielsweise Wärmepumpen, welche dem Erdreich oder der Luft Wärme entziehen (vgl. Sterner/Stadler, 2017).⁵

Diese steigende Elektrifizierung führt zu einer Einbindung Erneuerbarer Energien in den Wärmesektor. Folglich ist ein Ausgleich der Fluktuationen durch regenerative Energien auch im Wärmesektor notwendig und erfordert einen höheren Bedarf an thermischen Speichern. Dafür eignen sich einerseits latente und sensible Wärmespeicher, die auch als saisonale Wärmespeicher die überflüssige Wärme aus den Sommermonaten bis in den Winter speichern können (vgl. Schmuck, 2017). Andererseits ermöglicht PtG synthetisches Methan und Wasserstoff ins Gasnetz zu speisen und somit die bestehende Gasinfrastruktur als Wärmespeicher zu verwenden (vgl. Zapf, 2017).

2.3 Der Verkehrssektor

Der Verkehrssektor ist der zuletzt betrachtete Sektor. Er beschreibt sowohl den Güterverkehr als auch den Personenverkehr. Da nur Energiespeicher eine Unabhängigkeit zum Versorgungsnetz ermöglichen, stellt sich bezüglich dieses Sektors nicht die Frage, ob Speicher benötigt werden, sondern welche Speicher für eine Dekarbonisierung am besten geeignet sind.

Aufgrund der konkurrierenden, fossilen Energieträger sind die Anforderungen an Speicher im Verkehrssektor hoch. Wenige ausgewählte Technologien sind wettbewerbsfähig und ermöglichen in absehbarer Zeit niedrige Kosten, eine hohe Energiedichte und eine hohe Leistung. Zu diesen Technologien zählt einerseits die chemische Batterie, insbesondere der Lithium-Ionen-Akkumulator, der mit seiner hohen Energiedichte und langen Lebensdauer als elektrischer Energiespeicher überzeugt.⁶ Andererseits ermöglicht die bereits erwähnte Power-to-Gas-Technologie einen Wechsel von fossilen zu regenerativen, stromerzeugten Antriebsstoffen (vgl. VDI, 2017).⁷

Die Bedeutung der beiden Speichertechnologien wird in der Prognose Treibhausgasneutrales Deutschland im Jahr 2050 des Umweltbundesamts herausgearbeitet. Die Arbeit bestimmt die Zusammensetzung des Energiebedarfs des Verkehrssektors in einem treibhausgasneutralen Zustand. Demnach werden 80% der Verkehrsmittel mit stromerzeugten Kraftstoffen und 20% direkt mit Strom betrieben. Die Gründe dafür liegen in der Energiedichte der Speicher. Beispielsweise können Personentransporte aufgrund ihrer verhältnismäßig niedrigen benötigten Leistung mit Strom betrieben werden. Im Gegensatz dazu müssen schwere Verkehrsmittel wie Schiffe und Flugzeuge zwangsweise auf energiedichtere stromerzeugte Kraftstoffe zurückgreifen (vgl. Umweltbundesamt, 2014).

Das Ergebnis, dass synthetische Kraftstoffe und Batterien in Zukunft vorherrschen werden, wird von den Arbeiten von Trost 2017 und Runge 2019 unterstützt. Trost ermittelt in einem Verbrauchernachfragemodell die Fahrzeugflottenentwicklung von Personenkraftfahrzeugen bis 3,5 Tonnen. Das Ergebnis prognostiziert eine hohe Marktdurchdringung der Batterietechnologien in der langen Frist (Trost, 2017). Zusätzlich betont Runge 2019 in einem mehrstufigen Strommarktmodell, dass synthetische Technologien in Kombination mit organischen Kraftstoffen schon kurzfristig wirtschaftlich konkurrenzfähig sind (vgl. Runge et al., 2019).

3 Energiespeichertechnologien

Im folgenden Kapitel werden ausgewählte Energiespeichertechnologien näher analysiert. Aufgrund von unterschiedlichen Anforderungen in den Sektoren wird je Sektor eine aussichtsreiche Technologie erläutert. Eine Ausnahme ist jedoch die Technologie Power-to-Gas, die wegen ihres Chancenreichtums und den sektorenkoppelnden Effekten zusätzlich betrachtet wird. Für ein vollständiges Bild werden die Funktionsweise, Vor- und Nachteile, Forschungsarbeiten sowie alternative Technologien beleuchtet.

3.1 Allgemein

Energiespeicher dienen der Verwaltung von Energiemengen. Der Speicher hat die Aufgabe, das Nutzen der Energie zeitlich zu verschieben. Dieser Vorgang wird beschrieben durch drei Prozesse. Hierzu zählt das Laden, Halten und Entladen von Energie. Die gespeicherte Energie kann in unterschiedlichen Formen vorliegen. Je nach Energieform unterscheiden sich damit die Funktionsprinzipien. In den folgenden Abschnitten werden mechanische, thermische, elektrochemische und chemische Energiespeicher beschrieben.

Zur Beschreibung der Technologien sind unterschiedliche Kenngrößen notwendig, welche sich in technische und ökonomische Größen aufteilen lassen. Die technischen Kennzahlen lassen sich weiter in Leistungs-, Energie- und Wirkungsgradspezifische Größen unterteilen. Die wichtigsten drei technischen Kennwerte werden im Folgenden kurz erläutert.

Die Energiedichte eines Speichers beschreibt, wie viel Energie auf ein Volumen von einem Kubikmeter oder einer Masse von einem Kilogramm gespeichert werden kann. Die Ein- und Ausspeiseleistung ist ein Indiz dafür, welche Energiemenge pro Sekunde in oder aus dem Speicher fließen kann. Der Wirkungsgrad stellt dar, welches Verhältnis zwischen der ein- und ausgespeisten Energie vorliegt. Somit lässt sich die Effizienz eines Speichers und seine Verluste beurteilen. Aus ökonomischer Sichtweise sind insbesondere die Investitionskosten ausschlaggebend. Diese werden entweder auf die Leistung des Speichers oder die Energiemenge bezogen (vgl. Sterner/Stadler, 2017).

3.2 Pumpspeicher

Pumpspeicherkraftwerke (PSW) sind im Stromsektor eine der wenigen etablierten Speichertechnologien. Sie werden im Stromsektor genutzt, um bei Nacht den günstigen Strom zu kaufen und am Tag, bei höheren Preisen, wieder ins Stromnetz zu speisen.

Laut dem Bundesministerium für Energie und Wirtschaft verfügt Deutschland über eine Speicherleistung von über 9 GW⁸ in Form von PSW. Davon werden 2,9 GW aus Österreich und Luxemburg bezogen (BMWi, 2014). Die Pumpspeicherleistung macht dabei insgesamt 97 Prozent der gesamten Speicherleistung Deutschlands im Stromsektor aus (vgl. Nagel, 2017).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Ladevorgänge eines Pumpspeicherkraftwerkes

(Quelle: Verein Deutscher Ingenieure, 2017, S. 25)

Das Funktionsprinzip der Pumpspeicherkraftwerke ist mechanischer Natur und wird in Abbildung 2 veranschaulicht. Sie bestehen insgesamt aus drei wesentlichen Bestandteilen. Das Oberbecken ist verbunden mit dem Unterbecken und zwischen ihnen befindet sich eine elektrische Maschine. Im Ladebetrieb, in der rechten Darstellung, wirkt diese Maschine als Motor und entzieht dem Stromnetz Energie, wenn diese günstig ist. Der Motor betreibt eine Pumpe, die das Wasser aus dem Unterbecken in das Oberbecken befördert. Dadurch wird elektrische Energie in potentielle Energie umgewandelt. Aufgrund eines höheren Bedarfes liegen tagsüber höhere Strommarktpreise vor und der Speicher wird entladen, was bedeutet, dass die Schleuse geöffnet wird und das Wasser durch eine Turbine zurückläuft. Diese Turbine ist mit der elektrischen Maschine verbunden, welche nun als Generator wirkt. Die Menge der gespeicherten Energie des PSW hängt insbesondere von der Größe der Becken sowie des Höhenunterschiedes ab (vgl. Nagel, 2017).

Pumpspeicherkraftwerke weisen unterschiedliche Vor- und Nachteile auf. Im Folgenden werden die wichtigsten kurz benannt.

Eine Stärke dieser Speicherform ist die kurze Anfahrtszeit. Diese liegt bei Pumpspeichern im Sekundenbereich. Im Gegensatz dazu benötigen beispielsweise Gaskraftwerke mehrere Minuten und Kern- sowie Kohlekraftwerke Stunden. Bei schwankender Residuallast können PSW die notwendige Leistung schnell zur Verfügung stellen. Dadurch können kurzfristig hohe Preise am Spotmarkt ausgenutzt werden (vgl. Benger et al., 2013). Eine weitere Stärke dieser Speichertechnologie ist die große Kapazität. Beispielsweise besitzt das PSW Goldisthal in Thüringen eine Kapazität von über 8 Gigawattstunden (GWh)⁹ (vgl. Schmid et al., 2012). Im Vergleich dazu stellt die Steag GmbH, als Stromerzeuger, einen der größten Batteriespeicherparks in Deutschland und liefert insgesamt eine Kapazität von 0,14 GWh (vgl. Stenzel, 2017).

Eine große Schwäche der Speicher ist die Wirtschaftlichkeit. Pumpspeicherwerke profitieren durch die Differenz des Strompreises aufgrund von Lastschwankungen. Diese sind jedoch schwer kalkulierbar und führen somit zu einem hohen Risiko bei hohen Investitionskosten, die ebenfalls sehr unterschiedlich ausfallen können. Während in Spanien beispielsweise ein neues PSW 440 Euro pro kW Leistung kostet, beginnt die Spanne in Deutschland bei 4000 bis 5000 Euro pro kW Leistung (vgl. Sterner/Stadler, 2017). Des Weiteren trifft die Technologie auf gesellschaftliche Kritik, aufgrund des sich dadurch verändernden Naturbildes. Das kann dazu führen, dass wirtschaftliche Erschließungen von Speichern verhindert oder verzögert werden (vgl. Sterner/Stadler, 2017).

Aktuelle Forschungsarbeiten befassen sich mit der geographischen Bereitstellung von Pumpspeicheranlagen. Beispielsweise können PSW in stillgelegten Bergwerken erschlossen werden (vgl. Beck/Schmidt, 2011). Dies kann das zuvor erwähnte Problem der gesellschaftlichen Akzeptanz mildern, jedoch gleichzeitig den wirtschaftlichen Betrieb der PSW erschweren.

Zukünftige Alternativen für PSW können Druckluftspeicher und Batterieparks bilden. Im Vergleich zu den etablierten PSW haben diese jedoch weiteres Entwicklungspotential und sind kostenintensiver (vgl. Sterner/Stadler, 2017).

3.3 Sensible Wärmespeicher

Mit einem zunehmenden Anteil an Erneuerbaren Energien wird eine effektive Sektorenkopplung immer bedeutender. Eine Schlüsseltechnologie für die Verbindung zwischen dem Strom- und Wärmesektor ist der Wärmespeicher. Dieser Speicher wird bisher genutzt, um überschüssige Abwärme aus thermischen Kraftwerken zu sichern. Doch mit der für die Energiewende notwendigen Elektrifizierung wird eine komplexere Wärmeinfrastruktur benötigt, um zukünftig auch Solarthermie, Stromüberschüsse oder Geothermie zu speichern (vgl. Thorsen, 2018).

Die derzeit bedeutendste Technologie ist die der sensiblen Wärmespeicher. Diese unterscheiden sich von anderen Technologien dadurch, dass der Wärmeinhalt wahrnehmbar ist, denn gespeicherte Wärme ist nicht immer als Temperaturunterschied spürbar. Der häufigste Wärmeträger ist Wasser. Die gespeicherte Wärmeenergie ist abhängig von der Masse des Trägers, der Temperaturdifferenz zur Umgebung und der spezifischen Wärmekapazität des Wärmeträgers. Die spezifische Wärmekapazität ist für jeden Stoff unterschiedlich und beschreibt die Energie, die notwendig ist, um ein Kilogramm des Stoffes um ein Grad Kelvin zu erwärmen. Beispielsweise liegt diese für Wasser bei 4,19 und für Beton bei 0,88 kJ/kgK. Trotz der niedrigen Dichte von Wasser ist es aufgrund der hohen Kapazität besonders geeignet, um eine hohe Wärmedichte zu erzielen (vgl. Fisch, 2005). In der Praxis wird der Wassertank möglichst groß dimensioniert und mit Glasfasern oder Blähgranulat gedämmt. Sowohl die Dämmung als auch die Dimensionierung wird genutzt, um Wärmeverluste zu verringern und die Energie teilweise über mehrere Monate zu speichern (vgl. Schabbach/Leibbrandt, 2014). Der Grund dafür ist, dass die Wärmeverluste eines Speichers abhängig vom Wärmeübergangskoeffizienten und der Fläche sowie der Temperaturdifferenz zur Umgebung sind. Dämmstoffe besitzen einen besonders geringen Wärmeübergangskoeffizienten und reduzieren dadurch die Abgabe der Wärmeenergie. Des Weiteren führt eine Vergrößerung des Speichers zu einer Verringerung des Verhältnisses aus Fläche zum Volumen und damit zu einer sinkenden prozentualen Wärmeabgabe. Dieser Zusammenhang wird von Fisch in dem Buch Wärmespeicher durch ein einfaches Beispiel verbildlicht: Wenn die Speicher von 100 Haushalten zu einem zusammengefasst, dann sind durch die Reduktion des Flächenverhältnisses die Verluste nur auf das zehnfache eines Haushaltsspeichers gewachsen. Nicht zuletzt lassen sich die Verluste der Speicher durch eine geringere Differenz der Speichertemperatur zur Umgebung reduzieren (vgl. Kübler/Fisch, 2005).

Die sensiblen Wärmespeicher mit Wasser als geeigneten Wärmeträger bringen einige Vorteile mit sich. Die Konkurrenzfähigkeit von Wasser ist in der hohen Wärmekapazität, der Umweltfreundlichkeit und der großen verfügbaren Menge begründet (vgl. Verein Deutscher Ingenieure, 2017). Im Vergleich zu den Pumpspeicherwerken mit etwa sechs Euro pro Kilowattstunde (kWh) Investitionskosten (Sterner/Stadler, 2017) liegen die sensiblen Wärmespeicher bei nur 0,5 bis 3 Euro pro kWh Kapazität. Auch die vielfältigen Verknüpfungsmöglichkeiten mit anderen Energiebereichen lassen sich als Chance dieser Speichertechnik aufzählen (vgl. Sterner/Stadler, 2017).

Nichtsdestoweniger hat ein sensibler Wärmespeicher Nachteile, die nicht von der Hand zu weisen sind. Beispielsweise konkurriert dieser derzeit mit fossilen chemischen Wärmespeichern wie Öl. Diese können günstig verbrannt werden und setzen eine große Menge an Wärmeenergie frei. Weiterhin ist die in fossilen Energieträgern gespeicherte Energie während der Speicherung frei von Verlusten, folglich kann Öl ohne Verluste mehrere Jahre gelagert werden. Im Gegensatz dazu lässt sich bei Wasserspeichern, unabhängig von der Güte, die Abgabe von Wärme an die Umgebung nicht völlig vermeiden. Darüber hinaus weist Wasser schlechte Voraussetzungen bei einem Phasenwechsel¹⁰ für die Speicherung von Wärme auf. Liegt Wasser dampfförmig vor, ist der Druckgradient¹¹ bei steigender Temperatur höher. Dies führt zu zusätzlichen Druckanforderungen an den Behälter und damit zu höheren Kosten (vgl. Verein Deutscher Ingenieure, 2017).

Aus diesem Grund beschäftigt sich die Forschung mit möglichen Materialien, um Wärme bei Temperaturen über 100° Celsius zu speichern. Diese Stoffe weisen bis jetzt jedoch individuelle Schwächen auf und bringen auch stets geringere Energiedichten sowie höhere Kosten mit sich (vgl. Wietschel et al., 2010). Neben den sensiblen Wärmespeichern werden auch weitere Technologien genutzt, welche jedoch weniger entwickelt sind. Zu diesen Technologien zählen die latenten und die chemischen Wärmespeicher. Die latenten Wärmespeicher speichern die Energie in dem Aggregatzustand des Wärmeträgers. Diese Stoffe setzen beim Phasenübergang in einen festeren Aggregatzustand die Wärmeenergie frei. Weiterhin kann durch eine höhere Temperatur des Wärmeträgers eine höhere Energiedichte erzielt werden. Die chemischen Wärmespeicher speichern die Wärme in Form von reversibler Reaktionsenergie, folglich kann beim Auslösen einer chemischen Reaktion Wärme freigesetzt und durch erneutes Zuführen von Energie der ursprüngliche Zustand wiederhergestellt werden. Diese chemischen Wärmespeicher weisen somit dieselbe Stärke wie fossile Energieträger auf, denn der Speicher kann ohne Verluste Wärme über große Zeiträume speichern. Dennoch sind beide alternative Speichertechnologien aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht mit dem sensiblen Wärmespeicher konkurrenzfähig (vgl. Sterner/Stadler, 2017).

3.4 Lithium-Ionen-Akkumulator

Seit Jahren stagniert die Quote Erneuerbarer Energien im Verkehrssektor bei fünf Prozent. Nur ein Prozent des Gesamtverbrauches wird mit elektrischer Energie gedeckt (vgl. Umweltbundesamt, 2019). Parallel zum Wärmesektor ist eine Elektrifizierung des Energiebedarfs notwendig, um den Verkehr mit regenerativer Energie zu betreiben. Insbesondere sind strombetriebene Kraftwagen zukunftsfähig. Dies liegt in der hohen Effizienz des Motors und der geringeren Wartungsnotwendigkeit begründet, jedoch treten Schwierigkeiten in der Energiespeicherung auf.

Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind aufgrund ihrer Energiedichte zukunftsfähig. Abbildung 3 zeigt den Aufbau eines Lithium-Akkus und soll zum Verständnis der Funktionsweise beitragen. Die dargestellte Zelle weist vier wichtige Bestandteile auf: Eine Anode, bestehend aus einer Kohlenstoffform wie Grafit, einer Kathode aus einem Metalloxid, einem flüssigen Elektrolyten und einem Separator. Der Separator funktioniert als Trennglied der Elektroden und besteht beispielsweise aus Glasfaser oder Polyethylen, ohne welche die Zelle kurzschließt. Des Weiteren ist die Membran für kleine Teilchen, wie Ionen, durchlässig. Beim Laden der Batterie wird ein positiver Pol an die Metalloxidelektrode angelegt und ein negativer an die Grafitelektrode. Durch das positive Potential werden negative Elektronen angezogen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle

(Quelle: Ecker/Sauer, 2013, S. 67)

Dies geschieht durch die Abgabe von Elektronen des Metalloxids (Oxidation). Die Folge ist, dass sich positive Lithium-Ionen aus der Kathode lösen und im organischen Elektrolyten durch den Separator an die Anode wandern. Auf der Seite der Anode werden durch den negativen Pol Elektronen verfügbar. Diese Elektronen binden sich mit den nun verfügbaren Lithium-Ionen und lagern sich als Lithium-Atom im Grafit (Reduktion). In diesem Zustand ist die Zelle auf beiden Seiten neutral geladen. Bleiben die Elektroden unverbunden, speichert die Zelle elektrische Energie. Wird ein Verbraucher zwischen die Anode und Kathode geschaltet, dann verursachen die unterschiedlichen Potentiale einen Elektronenstrom und die elektrische Energie wird an den Verbraucher abgegeben, sodass sich der Prozess umkehrt (vgl. Ecker/Sauer, 2013).

Wie bereits erwähnt, ist die hohe Energiedichte im Vergleich zu anderen Batterien eine entscheidende Stärke. Diese Energiedichte liegt bei über 100 Wh/kg (vgl. Thielmann et al., 2012). Überdies ist auch der Wirkungsgrad von etwa 90 Prozent wettbewerbsfähig (vgl. Sterner/Stadler, 2017). Besonders gut ist außerdem die erwartete Entwicklung der Kostenreduktion. Laut des Frauenhofer-Instituts 2012 werden die Investitionskosten von 1000 Euro pro kWh im Jahr 2010 auf 200 Euro pro kWh bis 2020 fallen.

Die Nachteile des Akkumulators lassen sich in eine technische und eine gesellschaftliche Sichtweise gliedern. Trotz der relativ guten Energiedichte sind Lithium-Akkumulatoren weit von der Energiedichte von fossilen Kraftstoffen entfernt. Im Bild der Elektromobilität werden die Effizienzgewinne durch das Nutzen eines Elektromotors von einem großen Volumen und einer hohen Masse des Speichers ausgeglichen. Ein weiterer Nachteil ist der des Thermal Runaway, welcher ein Begriff für das unkontrollierte Freisetzten der gespeicherten Energie ist. Dieser Prozess kann durch das Überladen oder das Überhitzen ausgelöst werden. Aus diesem Grund müssen kostenintensive Sicherheitsbedingungen, wie zum Beispiel einer Kühlung, berücksichtigt werden (vgl. Korthauer, 2013). Die Ressourcenrestriktionen führen zu weiteren gesellschaftlichen Nachteilen, denn Lithium ist überwiegend in Südamerika verfügbar¹² und kann bei entsprechender Ressourcenverknappung zu Konflikten führen. Außerdem führen die kritischen Arbeitsbedingungen einiger Länder zu Problemen der gesellschaftlichen Akzeptanz (vgl. Tahil, 2007).

Die Ziele der deutschen Forschung für Lithiumbatterien werden vom Frauenhofer-Institut benannt und beziehen sich insbesondere auf die Verbesserung der Leistungsdichte, der Sicherheit sowie der Langlebigkeit. Durch die Vielzahl kombinierbarer Metalle liegt ein hohes Forschungspotential vor (vgl. Thielmann et al., 2012).

Zuletzt soll auf eine Alternativtechnologie des Lithium-Akkumulators hingewiesen werden, der sogenannten Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle wird mit Wasserstoff aus einer Elektrolyse¹³ betrieben und eignet sich aufgrund ihrer hohen Energiedichte für den Gütertransport. Weiterhin ist ein positiver Gesichtspunkt der Brennstoffzelle, dass sie ein schnelles Tanken ermöglicht. Trotzdem weist auch diese Technologie maßgebliche Nachteile auf, denn durch die Lagerung des gasförmigen Kraftstoffes, dem Wasserstoff, sind zusätzliche Kosten durch Drucktanks einzukalkulieren. Der größte Nachteil ist hierbei die mangelnde Effizienz bei der Elektrolyse zur Gewinnung des reinen Wasserstoffs. Diese ist energieintensiv und weist hohe Verluste auf. Auch die anschließende Verbrennung des Wasserstoffes führt zu einem hohen Anteil nicht nutzbarer Wärmeenergie (vgl. Jöhrens et al., 2017).

3.5 Power-to-Gas

Jede Speichertechnologie weist verschiedene Stärken und Schwächen auf, die auf den dazugehörigen Energiesektor angepasst sind. Beispielsweise haben Lithium-Ionen-Batterien eine hohe Energiedichte, Pumpspeicher eine hohe absolute Energiemenge und sensible Wärmespeicher günstige Investitionskosten. Diese Technologien sind in ihren eingesetzten Sektoren Vorreiter, aber funktionieren selten sektorenübergreifend. Power-to-Gas wirkt jedoch als Bindeglied der drei Sektoren.

Der Begriff Power-to-Gas bezeichnet die chemische Umwandlung eines Stoffes in einen Zustand höheren chemischen Potentials durch das Zuführen von elektrischer Energie. Besonders relevant ist die Herstellung von Wasserstoff und Methan. Für die Herstellung von Methan ist jedoch Wasserstoff notwendig. Demnach ist die Methanisierung nur hinreichend, kann aber, aufgrund stofflicher Vorteile, sinnhaft sein. Im Folgenden werden beide Prozesse beschrieben.

Das durch regenerativen Strom gewonnene Gas wirkt genauso wie Gas aus fossilen Quellen. Dadurch definieren sich verschiedenste Einsatzgebiete. In thermischen Kraftwerken lässt sich durch die Verbrennung des Gases Strom erzeugen und Wärme in Wärmenetze leiten. Darüber hinaus können besonders energieintensive Transportmittel wie Flugzeuge und Schiffe auf diese Form der Energiespeicher zurückgreifen (vgl. Deutsche Energie-Agentur GmbH, 2016).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Skizze einer Elektrolysezelle

(Quelle: Viebahn et al. 2018, S. 22)

Wasserstoff wird durch eine Elektrolyse gewonnen, in welcher der umgekehrte Prozess einer Brennstoffzelle abläuft. Diese Zelle besteht aus einer Kathode, welche mit einem negativen Potential und einer Anode am positiven Potential verbunden ist. Zwischen diesen Elektroden befindet sich ein trennendes Diaphragma. Gefüllt ist die Zelle mit Wasser und einem Elektrolyten. Überschüssige Elektronen werden an der Kathode von Wassermolekülen aufgenommen. Dieses trennt sich in ein Wasserstoffmolekül und einem Hydroxidion (siehe Gleichung 1). Die Hydroxidionen wandern durch das Diaphragma zur Anode und reagieren dort zusammen mit Wassermolekülen. Dabei werden Elektronen frei, die sich zum angeschlossenen positiven Pol bewegen (siehe Gleichung 2). Zusammenfassen lässt sich die Reaktion mit der Gleichung drei. Bei dem beschriebenen Verfahren handelt es sich um eine alkalische Elektrolyse. Weitere Elektrolysen, wie die Hochtemperatur- oder Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse, sind noch in der Entwicklung oder haben sich bereits als nicht konkurrenzfähig erwiesen (vgl. Viebahn, 2018).

Gleichung 1: H2O + 2 e-→H2 + 2 OH-
Gleichung 2: 4 OH-→2 H2O + O2 + 4 e-
Gleichung 3: 2 H2O(l)→2 H2(g) + O2(g)
Gleichung 4: CO + 3 H2→CH4 + 2 H2O
Gleichung 5: CO2 + 4 H2→CH4 + 2 H2O

Bei der optionalen Methanisierung handelt es sich um eine exotherme Reaktion. Das bedeutet, dass nach der Zugabe einer Aktivierungsenergie Wärme frei wird. Für eine möglichst effiziente Reaktion wird untersucht, wie die Aktivierungsenergie mithilfe eines Katalysators reduziert und die abgegebene Wärme gespeichert werden kann. Durch die exothermen Eigenschaften läuft die Reaktion eigenständig ab und kann durch zusammenführen der Edukte in einem Reaktor praktisch umgesetzt werden. Sowohl Kohlenstoffmonoxid als auch Kohlenstoffdioxid eignen sich für eine Methanisierung mit Wasserstoffmolekülen (siehe Gleichung 5 und 6). Für die benötigten Kohlenstoffverbindungen ist eine hohe Gasdichte notwendig und somit eine zusätzliche Quelle erforderlich. Beispielsweise können Kohlenstoffdioxidreste aus der chemischen Reaktion einer Biogasanlage genutzt werden (vgl. Zapf, 2017).

Wie bereits hervorgehoben ist einer der größten Vorteile dieser Technologie die flexible Einsatzfähigkeit. In jedem Energiesektor lassen sich die chemischen Speicher anwenden. Darüber hinaus ist es möglich die beiden Gase in das bestehende Gasnetz zu integrieren. Damit können weitere Investitionen verhindert werden und das Netz kann als flexibler Speicher dienen. Ein letzter Vorteil dieser chemischen Speicherform ist die hohe Energiedichte, denn Wasserstoffmoleküle speichern auf einen Kubikmeter circa 350 kWh Energie, während Methan mit 1100 kWh/m[3] über die dreifache Menge verfügt. Diese Eigenschaft kommt insbesondere dem Verkehrssektor zugute (vgl. Zapf, 2017).

Zu den Schwächen der Technologie zählt die begrenzte Einspeisefähigkeit von Wasserstoff in das bestehende Gasnetz. Insgesamt ist es möglich etwa ein Prozent des Gasnetz-Volumenanteils einzuspeisen. Die Folge ist, dass eine Methanisierung notwendig wird, um weitere Speicherkapazitäten zu nutzen. Dies führt zu weiteren Kosten und Energieverlusten (vgl. Sterner/Stadler, 2017). Laut des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches liegt der Wirkungsgrad für die Wasserstoffspeicherung, von den Erneuerbaren Energien bis zum Transportende, bei ungefähr 64,1 Prozent. Wird eine hinreichende Methanisierung eingesetzt, sinkt der Wirkungsgrad auf 51,3 Prozent.¹⁴ Ebendiese Energieverluste führen zu schwierigen ökonomischen Bedingungen (vgl. Müller-Syring et al., 2013).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Power-to-Gas Technologie mit ihrer Chancenvielfalt und Flexibilität alleine steht. Ihre ökologische Eignung hängt von der Herkunft des einzusetzenden Stroms ab. Da sich die Technologie noch in ihrer Entwicklung befindet, ist eine Verringerung der Kosten und eine Erhöhung der Wirkungsgrade zu erwarten (vgl. Zapf, 2017).

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¹ Siehe Abbildung 1, Pfeilnummer 4.

² Siehe zum Beispiel Sachverständigenamts für Umweltfragen 2011 und ForschungsVerbund Erneuerbare Energien 2010.

³ 1 TWh = 109 kWh = 3,6*1012 kJ.

⁴ Siehe Abbildung 1, Pfeilnummer 6 und 7.

⁵ Siehe Abbildung 1, Pfeilnummer 1.

⁶ Siehe Abbildung 1, Pfeilnummer 10.

⁷ Siehe Abbildung 1, Pfeilnummer 8.

⁸ Watt ist eine Leistungseinheit, 1 Watt entspricht 1 Joule pro Sekunde, 1 GW = 109 Watt.

⁹ 1 GWh = 1.000.000 kWh = 3.600.000.000 kJ.

¹⁰ Der Änderung des Aggregatzustandes.

¹¹ Gradienten beschreiben mathematisch den Anstieg einer Größe.

¹² Siehe Abbildung 9 im Anhang.

¹³ Siehe Abschnitt 3.5.

¹⁴ Siehe Abbildung 10 im Anhang.