21.12.2017

Energiespeicherung: Entwicklung von Speichertechnologien

Die Förderinitiative Energiespeicher präsentiert Ergebnisse - Projektträger Jülich analysiert.

 

Rund 184 Millionen Euro Fördermittel steckte die Bundesregierung seit April 2011 in die Entwicklung verschiedener Speichertechnologien für die Energiewende. Die letzten Projekte werden im kommenden Jahr beendet. Gut investiertes Geld, meinen Wissenschaftler des Projektträgers Jülich, die die Ergebnisse der Förderinitiative Energiespeicher unter die Lupe nahmen. Ihre Analyse mündet in einem Ausblick auf zukünftig wichtige Forschungsthemen.

Im April 2011 startete die Bundesregierung eine Initiative, um die für die Energiewende notwendigen Speichertechnologien voranzutreiben. Die Bundesministerien für Wirtschaft, Umwelt und Forschung wollten mit der gemeinsamen Forschungsförderung die Handlungsoptionen für flexiblere Stromnetze erweitern. Das konventionelle Stromnetz, das als Einbahnstraße von Großkraftwerken zu den Verbrauchern konzipiert ist, wird zunehmend zu einer Autobahn mit vielen Auf- und Abfahrten. Immer mehr  dezentrale Stromerzeuger speisen aus erneuerbaren Energiequellen in das Netz ein. Ein wachsender Anteil der Stromerzeugung richtet sich nicht nach dem Bedarf, sondern nach dem Angebot von Wind und Sonne. Stromspeicher könnten dabei helfen, das Stromangebot mit dem Stromverbrauch in Einklang zu bringen. Bisher haben jedoch erst wenige Speichertechnologien die notwendige technische Reife zu wettbewerbsfähigen Kosten erreicht. Mit der Förderung von 259 Projekten wurden Fortschritte bei einer großen Bandbreite an Speichertechnologien erreicht. Jetzt ist der Abschlussbericht „Erfolgskontrolle der Förderinitiative Energiespeicher“ des Projektträgers Jülich (PtJ) veröffentlicht worden.

 

Die drei Säulen der Forschungsinitiative

Auf eine Formel gebracht, sind Wasserstoff, Batterien und Wärmespeicher zur Stromlastverlagerung die Technologiepfade, die in der Initiative für netzdienliche, stationäre Energiespeicher verfolgt werden. Einige charakteristische Beispiele aus den verschiedenen Säulen der Forschungsinitiative geben einen Einblick in die Arbeiten.

 

Wind zu Wasserstoff

Mit überschüssigem Strom aus Windparks oder Photovoltaikanlagen lässt sich Wasserstoff produzieren. Dieser Energieträger ist Ausgangspunkt für zahlreiche Verwertungspfade. Er dient als wichtiger Grundstoff der chemischen Industrie, kann dem Erdgas beigemischt werden oder durch Methanisierung Erdgas substituieren. Gespeicherter Wasserstoff kann mit Brennstoffzellen rückverstromt und bei Bedarf ins Netz eingespeist werden. Projekte aus dem Schwerpunkt „Wind-Wasserstoff-Kopplung“ zielten beispielsweise auf höhere Wirkungsgrade bei der Zerlegung von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse ab. Auch die Speicherung des Wasserstoffs in geologischen Speichern sowie eine effiziente Wiederverstromung wurden untersucht.

 

Batterien im Netz

Forschungsschwerpunkte waren elektrische oder elektrochemische Systeme zur Speicherung elektrischer Energie, wie Batterien, Redox-Flow oder Doppelschicht-Kondensatoren sowie mechanische Speicher. Dazu zählen Druckluft-Speicher, Pumpspeicherkraftwerke oder Schwungräder. Auch neue Speicherkonzepte und die Untersuchungen zur Vernetzung dezentraler Speicher wurden gefördert.

Im September 2016 ging in Aachen der modulare Batteriegroßspeicher M5BAT in Betrieb. Er ist mit einer Leistung von fünf Megawatt und einer Speicherkapazität von fünf Megawattstunden der größte Batteriespeicher in der Forschung. Wissenschaftler der RWTH Aachen erproben gemeinsam mit Industriepartnern das Zusammenspiel fünf unterschiedlicher Batterietypen und entwickeln im realen Netzbetrieb Geschäftsmodelle für dezentrale Speicher.

 

Wärmespeicher verschieben Stromlasten

Viele große Stromverbraucher, wie Aluminiumwerke, Stahlwerke oder Kühllager nutzen Strom zur Wärme- oder Kälteerzeugung. Wenn es gelingt, den Strombezug  flexibel auf das schwankende Energieangebot erneuerbarer Energiequellen anzupassen, können solche Verbraucher Netzdienstleistungen übernehmen. Mit einer zeitlichen Lastverlagerung wirken sie auf das Netz wie eine Batterie. Aber auch Hausgeräte wie Kühlschränke können – im Verbund geregelt – große Effekte erzielen. Deshalb bilden auch Wärmespeicher einen Schwerpunkt der Initiative. Vielversprechende Optionen liegen in der Entwicklung innovativer Materialien, Systeme und Prozesse. Ziel ist es, die Energiedichte und Leistung zu vergrößern sowie Speicherverluste zu minimieren. Das Augenmerk liegt dabei auf der Speicherung von Latentwärme im Phasenwechsel und Reaktionswärme in chemischen Reaktionen. Beispielsweise erproben Wissenschaftler des DLR im Projekt BERTI die chemische Wärmespeicherung mit Kalziumoxid.

 

Von der Technik zum System

Ein Ziel der Initiative, die „Erhöhung des Verständnisses der Rolle von Speichern im Energiesystem“ nimmt aus methodischer Sicht eine Sonderstellung ein. Systemanalytische Forschungsprojekte überprüfen dabei, ob und unter welchen Umständen eine beschleunigte Entwicklung von Speichertechnologien die Energiewende unterstützen kann.

So untersuchten zum Beispiel Wissenschaftler im Verbundprojekt „Merit Order der Energiespeicher 2030“ die Rolle, die funktionale Speicher spielen können, um das Netz in Zukunft kostenoptimal auszubauen. Die Studie unter Leitung der Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. (FfE) bezieht neben den reinen Stromspeichern auch weitere funktionale Energiespeicher mit ein, also alle gezielten Veränderungen, die Nachfrage und Erzeugung besser in Übereinstimmung bringen.

 

Was wurde erreicht

Die Förderinitiative Energiespeicher sollte den „technologischen Baukasten“ für die Energiewende um zusätzliche Optionen erweitern. Zentrale Ziele waren:

  • die Entwicklung von Energiespeichertechnologien beschleunigen
  • das Verständnis der Rolle von Speichern im Energiesystem erhöhen
  • die Kooperation zwischen Wissenschaft und Wirtschaft verbessern
  • das Verständnis der Grundlagen von Speichertechnologien erhöhen
  • Hemmnisse für die Markteinführung überwinden.

Die Wissenschaftler des PtJ ziehen im Abschlussbericht zur Erfolgskontrolle bei den meisten Zielen eine positive Bilanz: Von der grundlagennahen Materialforschung bis hin zur anwendungsnahen Demonstration wurden alle relevanten Forschungsfelder durch die geförderten Projekte abgedeckt. Dies trifft für eine große Bandbreite an Speichertypen und Anwendungsfällen zu. Unternehmen, Hochschulen und Forschungseinrichtungen haben intensiv an Möglichkeiten zur Kostenreduktion geforscht und dabei ihre Zusammenarbeit intensiviert. Zudem haben systemanalytische Studien bestehende Erkenntnisse zur Notwendigkeit sowie Wirtschaftlichkeit des Einsatzes von Speichern überprüft und ergänzt. Allein das Ziel, internationale Forschungskooperation über die üblichen Aktivitäten hinaus zu verbessern, sehen sie als verfehlt.

 

Wie geht es weiter

Die systemanalytischen Untersuchungen der letzten Jahre deuten darauf hin, dass stationäre Stromspeicher erst dann in größerem Maßstab benötigt werden, wenn erneuerbare Energien den Strombedarf im Bereich von 80 Prozent decken. Doch sind solche Angaben mit hohen Unsicherheiten verbunden, stellen die Forscher fest. Der Speicherbedarf kann auch schon früher deutlich steigen – aber auch geringer ausfallen als bisher angenommen. Damit zukünftig kostengünstige technische Optionen zur Verfügung stehen, halten sie eine Forschungsförderung weiterhin für sinnvoll. Forschungs- und Entwicklungsbedarf bestehe auf allen Ebenen – von der Materialforschung über die Weiterentwicklung von Speichern und ihren Komponenten bis hin zu Demonstrationsprojekten. Ein wesentliches Ziel ist dabei die Kostenreduktion. Auch über die Förderinitiative Energiespeicher hinaus greifen BMWi und BMBF neue Speicherthemen auf und fördern auch weiterhin die begonnenen technologischen Entwicklungen.

 

Bericht als Download

Mehr Informationen über die geförderten Projekte bietet das Webportal der Förderinitiative. Dort kann auch der öffentliche Abschlussbericht „Erfolgskontrolle der Förderinitiative Energiespeicher“ heruntergeladen werden.


Von: © BINE Informationsdienst

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