Workshop Energiepolitik am Scheideweg Workshop I – Forschung und Entwicklung als Schlüssel zur Speicherung von Energie Düsseldorf, 18. November 2013.

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1 Workshop Energiepolitik am Scheideweg Workshop I – Forschung und Entwicklung als Schlüssel zur Speicherung von Energie Düsseldorf, 18. November 2013 Dr.-Ing. Rolf Albus

2 Energiespeicherung - Hintergrund
Die Ausregelung von Last (Bedarf) und Einspeisung (Erzeugung) wird essentiell für die Netzstabilität – auf der Stromseite. Der massive Ausbau der Erzeugungs-kapazität der Erneuerbaren Energiequellen (Windkraftanlagen, PV) führt zu Strom-spitzen: Erzeugung und Bedarf sind nicht mehr synchron. Das Stromnetz verfügt über keine nennenswerten Speicherkapazitäten. Quelle: BMWi, GWI, 2013 Folie 2

3 Energienetze und ihre Kopplung
Ausregelung von Last (Bedarf) und Einspeisung (Erzeugung) ist erforderlich. Kohle Gasnetz Stromnetz Erneuerbare Energien GuD-KW Kohle-KW Industrie Fluktuation Industrie BHKW Mikro-KWK Ausregelung zur Netzstabilisierung: Hochflexible Erzeugung, Lastmanagement, Netz- und Speicherausbau Quelle: GWI, 2013 Folie 3

4 Speicher-kapazität von 45 Mio. KFZ
Speicheroptionen – e-mobility Strom aus Erneuerbaren Energiequellen wird in KFZ-Batterien gespeichert. e-mobility Stromnetz Erneuerbare Energien Batterien von 45 Mio. KFZ Fluktuation Speicher-kapazität von 45 Mio. KFZ ca. 6 Stunden Quelle: GWI, 2013 Folie 4

5 Speicheroptionen – Power-to-Gas
Strom aus Erneuerbaren Energiequellen wird chemisch gespeichert. Gasnetz Stromnetz Erneuerbare Energien Speicher-kapazität von Netz und Gasspeichern ca. 60 Tage GuD-KW Industrie BHKW Fluktuation Mikro-KWK Existierende Speicher-kapazität ca. 23 Mrd. m3N Power-to-Gas H2 H2 Elektrolyse Methani-sierung CO2 CO2 Quelle: GWI, 2013 Folie 5

6 Speicheroptionen Potenziale der verschiedenen Speichertechnologien.
Speicherzeit [h] Speicherkapazität [h] Quelle: DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e. V. Bonn, 2011 Folie 6

7 Speicheroptionen – Power-to-Gas
Power-to-Gas wird in verschiedenen Demonstrationsprojekten untersucht. Es sind alle Technologien vorhanden – aber der Teufel steckt im Detail. Die Erzeugung von Wasserstoff mittels Elektrolyse ist ein altbekanntes Prinzip und wird seit Jahrzehnten erfolgreich in der chemischen Industrie eingesetzt. Auslegungsbasis Elektrolyseur ist eine gewünschte Wasserstoffmenge. Die P2G-Betriebsanforderungen sind heute: (Fluktuierende) Strommengen auf der Eingangsseite des Elektrolyseurs. Fragestellung: was machen wir dann mit dem Wasserstoff (Sauerstoff)? Quelle: DVGW, 2011 Folie 7

8 Strom im Gebäude – eine hochdynamische Randbedingung
Die Dynamik ist beim realen Lastprofil wesentlich deutlicher ausgeprägt. Reales Lastprofil: Ausgeprägte Spitzen und uneinheitlicher Verlauf; Differenzierung zw. WI, SO und ÜZ schwierig Auf kWh/a normiertes reales Lastprofil für Haushalte Elektrischer Energiebedarf in Watt Normiertes Lastprofil: Einheitlicher und gedämpfter Verlauf Auf kWh/a normiertes Standardlastprofil für Haushalte WI – Winter ÜZ – Übergangszeit SO – Sommer Quelle: VDMA, Thorsten Zoerner ( 2013 Folie 8

9 Speicheroptionen – Batterien im Gebäude
Strom aus PV / KWK wird in Batterien gespeichert zur Optimierung des Stromeigenverbrauchs (Lastmanagement). Die optimale Systemintegration erfordert ein umfassendes und intelligentes Lastmanage-ment, das nicht an der Gebäudehülle halt macht. Gesamtprozessanalysen incl. Untersuchungen zu Netzrückkopplungen sind erforderlich. Eigenverbrauchsoptimierung kann / darf nicht zur Autarkie führen – Bezahlbarkeit von Lastspitzen? Für den Einsatz mit KWK gilt der gleiche Ansatz zur Optimierung des Eigenver- brauchs. Batterie gestütztes Wechselrichtersystem zur Eigenverbrauchsoptimierung in einem 4-Personenhaushalt mit 5 kW Nennleistung, Speicherkapazität 8,8 kWh. Quelle: Voltwerk, 2013 Folie 9

10 Speicheroptionen - Thermische Energie im Gebäude
Die Wärmespeicherung in Gebäuden ist auf dem Weg zu einem stromgeführten KWK-Betrieb eine zentrale Herausforderung, die umfassend und wirtschaftlich gelöst werden muss (Virtuelle Kraftwerke & Smart Grids) Quelle: Prof. Dr. Bernhard Lenz, 2010 Folie 10

11 Fazit Speicherbedarf von Energie
Speicher sind notwendig für eine verlässliche Integration erneuerbarer Energien in die Energieversorgungssysteme (Glättung der fluktuierenden Erzeugung). Übertragungskapazität der Netze: 2009 wurde im Gasnetz eine Energiemenge von ca TWh übertragen, auf der Stromseite waren dies ca. 590 TWh. (Direkte) Speicherkapazität der Netze: Strom vernachlässigbar, Gasspeicher ca. 23 Mrd. m3N. Gasnetz als Speicher ist in ganz Deutschland flächendeckend verfügbar (Gesamtlänge km). Vorhandene Speicherkapazitäten, z. B. Druckluftspeicher, Pumpspeicher sind kaum ausbaufähig. Elektrochemische und thermische Speicher eignen sich für die kurzzeitige Speicherung. Nur chemische Energiespeicher eignen sich für die Speicherung von Energie über lange Zeiträume und in großen Mengen (hohe Flexibilität). Die Möglichkeiten, chemische Energiespeicher wie H2 oder CH4 flexibel zu nutzen (Rückverstromung über KWK, (Ab)Wärmenutzung, Mobilität, Chemierohstoff), eröffnen neue Optionen für eine effektive und effiziente Energieversorgung. Folie 11

12 Rahmenbedingungen für F&E
Wesentlicher Aspekte für erfolgreiche F&E zur Energiespeicherung liegt in der Mittel- bis Langfristigkeit der Programme. Wesentliches Element künftiger forschungs- und technologiepolitischer Maßnahmen sollte eine grundsätzliche Technologieoffenheit sein. Bis zu einem wirtschaftlich vertretbaren Einsatz von chemischen und stofflichen Energiespeichern muss ein längerer Zeithorizont veranschlagt werden. Somit stehen kurzfristig keine wirtschaftlich tragfähigen Lösungen zur Verfügung. Der F&E-Bedarf sämtlicher Speichertechnologien muss weiter identifiziert und strukturiert werden, insbesondere bei der Schlüsseltechnologie Elektrolyse, welche noch großes Potential zur Senkung der spezifischen Erzeugungskosten birgt: Deutschland zurzeit: €/kW, USA: 489 $/kW (!) Für die technologische Entwicklung und die Umsetzung von F&E in Innovationen sind verlässliche und konstante Rahmenbedingungen und eine langfristig stabile Förderung mit solider Finanzierung notwendig: Planungssicherheit für Investitionen der Unternehmen. Ausrichtung der öffentlichen F&E-Förderprogramme auf einen langfristigen technologischen Entwicklungshorizont. Folie 12

13 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Dr.-Ing. Rolf Albus Gas- und Wärme-Institut Essen e.V. Hafenstraße Essen Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0)