Deutschland befindet sich in einer Transformation

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1 ENERGIE Enrgispichr für di Zukunft Dr Umbau ds Enrgisystms rfordrt Spichr mit untrschidlichr Kapazität und Spichrzit. Frdi Schüth und Rüdigr-A. Eichl Spichrtchnologin spiln schon hut im Enrgi systm in wichtig Roll, di sich durch dn Ausbau dr fluktuirndn rnurbarn Enrgiqulln rhblich ändrn wird. Hirbi ist s sinnvoll, das Elktrizitätssystm nicht gtrnnt zu btrachtn, sondrn gminsam mit Wärm und Mobilität. Am schnllstn ntwickln sich drzit lktrochmisch Spichr, lktrisch Übrschussnrgi liß sich abr auch kostngünstig mit Wärmspichrn nutzn. Dutschland bfindt sich in inr Transformation ds Enrgisystms, di diss wsntlich und nachhaltig vrändrn wird. Gtribn ist dis Entwicklung hauptsächlich durch dn Klimawandl, nicht zultzt zurückgführt auf das CO 2, das im Enrgisktor mittirt wird. Di dutsch Enrgiwnd, drzit im Wsntlichn als Elktrizitätswnd diskutirt, grift jdoch zu kurz: Wolln wir das hrgizig Zil rrichn, di CO 2 -Emissionn bis 2050 auf 80 Proznt ds Nivaus von 2010 zu rduzirn, richt s nicht aus, allin dn Elktrizitätssktor zu btrachtn. Schlißlich stzt sich dr Enrgivrbrauch ganz grob zu twa glichn Antiln aus dn dri Sktorn Elktrizität, Wärm und Mobilität zusammn. Für in gnaur Btrachtung muss man zwischn Primär- und Endnrgi vrbrauch untrschidn: Hinsichtlich dr Endnrgi ist dr Stromantil dutlich gringr, brücksichtigt man allrdings di Umwandlungsvrlust von Primärnrgi zu Strom, so wird twa in Drittl dr Primär nrgi für Strom ingstzt. Dr Bdarf an Enrgispichrn wird dnnoch vornhmlich für das Elktrizitätssystm gshn. Dis ist auf di fluktuirnd Natur dr mistn rnurbarn Enrgin zurückzuführn. Währnd Gothrmi, Biomass und Wassrkraft grundsätzlich dann vrfügbar sind, wnn si bnötigt wrdn, hängn Wind- und Sonnnnrgi von dn jwilign Wttrbdingungn ab. Ldiglich solarthrmisch Kraftwrk mit intgrirtm Wärmspichr sind in gwissm Maß grundlastfähig, dis bnötign abr dirkt intnsiv Sonnnstrahlung, sodass solch Kraftwrk hr für di Sonnngürtl dr Erd gignt sind. Wi man am Bispil ds Monats April 2011 und inm dr vir dutschn Übrtragungsntzbtribr dutlich siht, fluktuirt di Einspisung vrhältnismäßig stark zwischn fast kinr Windinspisung und inr Listung von twa 10 GW (Abb. 1). Dis kompnsirn Voith Hydro zwar tilwis andr rnurbar Enrgin, abr in Systm, das zu shr hohn Antiln auf rnurbar Enrgin stzt, muss stark Fluktuationn dr Einspisung bwältign könnn. Außrdm zigt di Abbildung, dass in Systm auch längr Zitn mit gringr Windinspisung vrkraftn muss. Grundsätzlich gibt s dazu auf Systmbn vir Möglichkitn, nämlich Ntzausbau, Rsrvkapazität, Spichrung und Dmand-Sid-Managmnt. Dis sind zunächst all glichbrchtigt, und dr optimal Mix rgibt sich aus ökonomischn und tchnologischn Übrlgungn. Dr Ntzausbau rlichtrt KOMPAKT n Auf dr Systmbn sind Enrgispichr mit Listungn von 100 MW und Kapazitätn von GWh notwndig. Dafür kommn Pumpspichrkraftwrk, Druckluftodr Wassrstoffspichr infrag. n Im Brich von inign kwh ntwickln sich Lithium- Ionn-Battrin drzit am rasantstn, di für Elktroautos notwndig dutlich höhr Spichrdicht wird abr rst mit grundsätzlich nun Battritchnologin möglich sin. n Wärmspichr, z. B. mit Salzschmlzn, wrdn hut brits in solarthrmischn Kraftwrkn ingstzt. Si könntn s abr auch rlaubn, industrill Abwärm zu nutzn odr Wärm zum Hizn zu spichrn. Pumpspichrkraftwrk wi diss (Limbrg II, Östrrich) ignn sich für di zntral Spichrung auf Systmbn und sind shr ffizint. In Dutschland gibt s abr praktisch kin nun Standort. All Artikl dr Sri zur Enrgiwnd sind gminsam mit witrn passndn Biträgn in inm Onlin-Dossir untr phy/physik/dossir. html zu findn. Prof. Dr. Frdi Schüth, MPI für Kohlnforschung, Kaisr-Wilhlm-Platz 1, Mülhim an dr Ruhr; Prof. Dr. Rüdigr-A. Eichl, RWTH Aachn und IEK-9, Forschungszntrum Jülich, Jülich 2014 Wily-VCH Vrlag GmbH & Co. KGaA, Winhim /14/ Physik Journal 13 (2014) Nr

2 1) Bi Datn zur Kapazität ist zu brücksichtign, dass Pumpspichrkraftwrk oft kombinirt sind mit Kraft - wrkn, drn obrs Bckn zusätzlich durch Zufluss gspist wird, wodurch di Zahln nicht immr präzis anzugbn sind. Windlistung in GW Abb. 1 Im April 2011 fluktuirt di Windlistung in dr Rglzon ds Übrtragungsntzbtribrs 50 Hrtz, dr vor allm in dn östlichn Bundsländrn und Hamburg aktiv ist, stark. Zwischn 15. und 29. April war di Windinspisung shr gring. s, lokal fluktuirnd Einspisung von rnurbarr Enr gi durch Transfr aus andrn Rgionn auszuglichn, im Idalfall sogar auf uropäischr Ebn. Rsrvkapazität ist am bstn übr flxibl, schnll zu- und abschaltbar Kraftwrk brit zu stlln, twa durch Gasturbinn. Bim Dmand-Sid-Managmnt stzt man auf flxibl Vrbrauchr, di bi inm Mangl von lktrischr Enrgi abgschaltt, bi Übrschuss daggn zugschaltt wrdn. Solch Ansätz sind zunächst für groß Industrivrbrauchr intrssant, in inr spätrn Stuf kann man abr sogar daran dnkn, mithilf intlligntr Stromntz und j nach Einspissituation auch Vrbrauchr in Haushaltn zu- odr abzuschaltn. Enrgispichr schlißlich dinn dazu, übrschüssig lktrisch Enrgi in in bssr spichrbar Form umzuwandln, twa in mchanisch Enrgi bi Pumpspichrkraftwrkn odr in chmisch Enrgi durch lktrolytisch Hrstllung von Wassrstoff. Bi dr Spichrung ist allrdings zu brücksichtign, dass in Spichr häufig mit Rsrvkapazität vrbundn ist, da Aggrgat zur Rückvrstromung nötig sind. Das sind Turbinn bi Pumpspichrkraftwrkn (in modrnn Kraftwrkn abr mist als Pumpturbin intgrirt) odr Gas- und- Dampf-Kombikraftwrk (GuD), wnn in chmischr Spichr wi Wassrstoff odr Mthan gnutzt wird. Angsichts dr Ausbauplän für fluktuirnd anfallnd lktrisch Enrgi ist di Spichrung also sichr in wichtigs Problm allrdings kin dringnds, das brits jtzt glöst wrdn müsst. Laut Ntzntwicklungsplan dr Bundsntzagntur lißn sich bi Annahm ins plausibln Sznarios 2032 gschätzt 2,3 TWh an lktrischr Übrschussnrgi ( dumpd nrgy ) nicht nutzn. Dis ist di Elktrizitätsproduktion von twas mhr als inm Tag bi inm Jahrsbdarf von ca. 600 TWh. Angsichts disr hr gringn Mng rschint di Spichrung nicht di höchst Priorität bim Ausbau unsrs Enrgisystms zu habn. Längrfristig siht di Situation jdoch dutlich andrs aus. Ein Studi aus dm Jahr 2012 prognostizirt für 2050 in Spichrkapazität von twa 4 TWh für in Sznario mit 80 Proznt rnurbarr Enrgi im Elktrizitätsmix [1], das ist twa das 50-Fach dr drzit installirtn Kapazität in Pumpspichrkraftwrkn. Dr Ausbau dr Spichrkapazität bginnt nach disr Studi allrdings im Wsntlichn rst nach Solch Prognosn hängn natürlich immr stark von dn darin inghndn Annahmn ab. Es schint abr klar, dass di Spichrung von lktrischr Enrgi in wichtigs Problm ist, dm sich di Forschung jtzt intnsiv widmn sollt; für di Implmntirung auf dr Systmbn blibt allrdings noch twas Zit. Wi brits angdutt, ist das Elktrizitätssystm abr nur in wnn auch wichtigr und in sinr rlativn Bdutung zunhmndr Til ds Gsamtsystms. Spichr sind auch shr wichtig als Traktionsbattrin für di Elktromobilität odr als Wärmspichr, ltztr auf dr Tagsskala für Gbäud bis hin zu saisonalr Spichrung. Fortschritt dabi wirkn auch zurück auf dn Elktrizitätssktor, da sich solch Spichr, wnn si mit lktrischr Enrgi aufgladn wrdn, zur Anpassung dr Last an di vrfügbar Enr gi nutzn lassn. In dr Folg stlln wir in Rih von Spichrtchnologin vor, di sich für ganz untrschidlich Zwck ignn (Abb. 2). Spichr für gring Enrgimngn für kurz Zitn und hoh Zyklnzahln müssn ganz andr Anfordrungn rfülln als saisonal Spichr für Enrgi auf dr Ebn ds Elktrizitätssystms. Bi Spichrn, di sltn gladn und ntladn wrdn, müssn di spzifischn Invs titionskostn nidrig sin, da dis Kostn ja auf di Zyklnzahl umglgt wrdn; bi Spichrn mit hohr Lad- und Entladfrqunz sind di Vrhältniss umgkhrt. Für di Tolranz ggn Slbstntladung gltn ähnlich Btrachtungn. Stromspichr auf Systm bn Für di zntral Spichrung auf dr Systmbn sind Spichr mit Listungn in dr Größnordnung von 100 MW (vrglichbar klinrr Kraftwrksblöck) und Spichrkapazitätn in dr Größnordnung von GWh (Tagsspichr) rfordrlich, für di saisonal Spichrung und, um längr Wind flautn und Zitn nidrigr Sonnninstrahlung zu übrbrückn, lign di rfordrlichn Kapazitätn im Brich von 100 GWh. Hirfür ignn sich drzit dri Tchnologin, von dnn zwi großtchnisch nur ansatzwis vrfügbar sind. Stand dr Tchnik sind Pumpspichrkraftwrk, di bi Stromübrschuss Wassr von inm untrn in in obrs Rsrvoir pumpn; wird lktrisch Enrgi bnötigt, lässt man das Wassr durch Turbinn widr ab (Abb. auf S. 31). Vil Kraftwrk vrwndn Pumpturbinn, das hißt, das Aggrgat für dn Pump- und dn Turbinnbtrib ist dasslb. Das größt dutsch Pumpspichrkraftwrk Goldisthal hat in Kapazität von 8,5 GWh und in Listung von 1060 MW. Insgsamt bträgt di Kapazität 77 GWh bi inr Turbinnlis tung von 6,5 GW [1]. 1) Di Effizinz modrnr Pumpspichrkraftwrk ist mit twa 80 Proznt hoch. Dis Kraftwrk dinn hut tils zur Ntzstabilisirung, tils zum Ausglich zwischn Stromübrschüssn, di in dn Mittagsstundn zur 32 Physik Journal 13 (2014) Nr Wily-VCH Vrlag GmbH & Co. KGaA, Winhim

3 Dckung ds Bdarfs ingstzt wrdn. Allrdings lidt bi ltztrm di Wirtschaftlichkit daruntr, dass mittlrwil mittags shr häufig groß Mngn Solarstroms vrfügbar sind, sodass aufgrund gringrr Nachfrag dr Prisabstand zwischn Nachtstrom und Mittagsstrom (Einkauf bzw. Vrkauf durch dn Spichrbtrib) zum wirtschaftlichn Btrib dr Spichr nicht mhr ausricht. Das Zubaupotnzial für Pumpspichrkraftwrk ist in Dutschland aufgrund dr dichtn Bsidlung und dr rfordrlichn massivn Eingriff in di Landschaft limitirt. Zusätzlich Spichrkapazität mit Wirkung auf das dutsch Enr gisystm wär jdoch in andrn uropäischn Ländrn möglich, falls gnügnd hoh Übrtragungskapazitätn zwischn Dutschland und disn Ländrn vrfügbar sind odr gmacht würdn. Di Spichrkostn in Pumpspichrkraftwrkn hängn shr vom btrachttn Fall ab. Für di Stundnspichrung (in GW für acht Stundn, in Zyklus pro Tag) btragn si twa 2,5 5 ct/kwh, für di Wochnspichrung (500 MW für 200 Stundn, zwi Zykln pro Monat) 5 10 ct/kwh [3]. Ebnfalls Stand dr Tchnik sind Druckluftspichr, von dnn wltwit allrdings nur zwi xistirn: in Huntorf (Nidrsachsn) sowi McIntosh (Alabama, USA). In inr Salzkavrn wrdn dabi in Zitn von Stromübrschuss inig Kubikmtr Luft auf inn Druck um 70 bar komprimirt. Wird lktrisch Enrgi bnötigt, tribt di Druckluft in Gasturbin an. Dis bnötigt aufgrund dr komprimirtn Luft kinn Turboladr, wodurch ihr Effizinz stigt. Allr dings ist di Effizinz hutigr Druckluftspichr rlativ nidrig (für Huntorf wrdn 40, für MacIntosh 54 Proznt anggbn), da di Luft bim Vrdichtn rhitzt wird, di Wärm abr in dr Rgl im Salz vrlorn ght. Bi dr Expansion kühlt sich di Luft ab und muss widr aufghizt wrdn. Abhilf könntn adiabat Druckluftspichr mit inm intgrirtn Wärmspichr schaffn. Dis könnt dn Wirkungsgrad auf twa 70 Proznt stigrn. Mit dm Adl-Projkt sollt in Dutschland in rstr Prototyp ntsthn, aufgrund dr vrfallndn Sprizung zwischn Tagsnidrig- und Tagshöchstprisn für lktrisch Enrgi rschint in solchr Spichr nach dm drzitign Projktstand als nicht wirtschaftlich, sodass di Ralisirung fraglich ist. Grundsätzlich ist abr angsichts dr vorhandnn Salzdom das tchnisch Potnzial in Dutschland rhblich. Für di Stundnspichrung rchnt man mit ähnlichn Kostn wi bi Pumpspichrkraftwrkn, für di Wochnspichrung abr mit shr hohn Kostn von 20 bis 40 ct/kwh. In dr notwndign Größnordnung, um längr Flautn und Zitn gringr Sonnnstrahlung zu übrbrückn ( nblig-trüb, windstill Novmbrwochn ), lässt sich Enrgi nur in chmischn Vrbindungn spichrn. Wassrstoff ist am infachstn aus lktrischr Enrgi zu rzugn. Diss Spichrmolkül hat inn Enrgiinhalt von 120 MJ/kg, allrdings ist dr volumnbzogn Enrgiinhalt diss Gass vil gringr. Wird Wassrstoff abr ähnlich wi Druckluft in Kavrnn gspichrt, rhöht sich di Spichrdicht um twa dn Faktor 50 ggnübr Luft. Obwohl Wassrstoff in shr flüchtigs Gas mit hohr Mobilität ist, sind wltwit dri groß Spichr mit Volumina von jwils mhrrn Kubikmtrn an Raffinri-/Chmistandortn in Btrib (Tsid in UK sowi Clmns Dom und Moss Bluff Dom, USA). Bi inm Wassrstoffdruck zwischn twa 50 und 135 bar lign di Lckratn untr 0,01 Proznt pro Jahr. Grundsätzlich liß sich mit flüssigm Wassrstoff di volumtrisch Spichrkapazität rhöhn, allrdings ist dis nrgiaufwändigr als di Komprimirung, und s wärn Kryobhältr notwndig, sodass dis vrmutlich kin großtchnisch Option ist. Das wsntlich Problm bi dr Spichrung lktrischr Enrgi in Form chmischr Vrbindungn, vrbundn mit Rückvrstromung, ist di nidrig Effizinz. Dis ligt bi kommrzilln Elktrolysanlagn, di Wassr durch Anlgn inr Spannung in Wassrstoff und Saurstoff spaltn, typischrwis bi twa zwi Drittln auf dr Ebn dr Gsamtanlag [4]. Für di Rückvrstromung in Brnnstoffzlln ligt di Effizinz bi twa 50 Proznt auf Systmbn, GuD-Turbinn sind für rinn Wassrstoffbtrib zwar noch nicht vrfügbar, vrmutlich ist abr analog zu Erdgas-GuD in Effizinz bis 60 Proznt möglich (ohn Kraft-Wärm-Kopplung). Di Gsamtffizinz dr Ktt von lktrischr Enrgi zu Wassrstoff und zurück ligt dahr nur zwischn 30 und 40 Proznt, wobi witr möglich Vrlust noch nicht brücksich tigt sind. Komprssionsvrlust lassn sich abr vrmutlich gring haltn mithilf von Drucklktrolysurn, für di bi Druckbtrib fast dr glich Wirkungsgrad gilt wi bim drucklosn Btrib. Angsichts dr Vrlust bi dr Rückvrstromung könnt s jdoch sinnvollr sin, dn gspichrtn Wassrstoff stattdssn hr als Rohstoff für di chmisch Industri zu nutzn, wo r hut vornhmlich aus fossiln Qulln durch Dampfrformirung rzugt wird. Häufig wird di Witrvrwndung von Wassrstoff zur Hrstllung andrr Enrgiträgr diskutirt, so typisch Spichrzit in s Wh Li-Ionn (Elktronik) Kondnsatorn chmischr Spichr Kraftstoff Rdox-Flow Pumpspichr Li-Ionn Bliakku (Traktion) Druckluftspichr NaS-Battri Schwungrad 1 kwh 1 MWh 1 GWh 1 TWh typisch Kapazität 1 Jahr 1 Monat 1 Tag 1 Stund Abb. 2 Vrschidn Spichrtchnologin für lktrisch Enrgi untrschidn sich stark hinsichtlich dr typischn Kapazität und Spichrzit. aus [2] mit frundl. Gnhmig Wily-VCH Vrlag GmbH & Co. KGaA, Winhim Physik Journal 13 (2014) Nr

4 twa von Mthan, Mthanol odr flüssign Kohlnwassrstoffn. Di Tchnologin dafür sind grundsätzlich vorhandn, als Rohstoff kommt Kohlnmonoxid infrag, abr auch Kohlndioxid, aus dm sich durch di Wassrgas-Shift-Raktion Kohlnmonoxid hrstlln lässt. Prinzipill ist in witrr Konvrsionsschritt abr immr mit zusätzlichn Enrgivrlustn vrbundn. Einn solchn Schritt müssn dahr Vortil rchtfrtign, twa hinsichtlich Spichrbarkit odr vilsitigrr Vrwndbarkit. Dabi bitt sich in Kopplung zum Mobilitätssktor an, da sich di dri gnanntn Enrgiträgr für Vrbrnnungsmotorn ignn. Bsondrs attraktiv rschinn flüssig Kohlnwassrstoff, di übr di Fischr-Tropsch-Synths in hohr Qualität zugänglich sind. Wgn ihrr hohn Enr gidicht sind si idal für dn Flugvrkhr in dm Brich wird s vrmutlich am schwirigstn sin, Altrnativn zu findn. Di mistn andrn Mobilitätsanfordrungn lassn sich wahrschinlich übr Battrin, H 2 -Brnnstoffzlln odr litungsgbundn Enrgivrsorgung, wi bi dr Bahn, ralisirn. Di Kostn chmischr Spichr für lktrisch Enrgi wrdn wnigr durch dn Spichr slbst als durch di Aggrgat zur Hrstllung ds Spichrmolküls und für di Rückvrstromung bstimmt. Bi fluktuirndr lktrischr Enrgi fällt bsondrs ins Gwicht, dass di Anlagn nur zitwis in Btrib sind und damit di hohn Invstitionskostn auf rlativ kurz Btribszitn umglgt wrdn. Für in Kavrnn gspichrtn Wassrstoff wrdn drzit twa 25 ct/kwh für di Stundnspichrung angstzt, mit dutlichm Kostnsnkungspotnzial, für di Wochnspichrung rchnt man mit inign Cnt wnigr. Di Kopplung zur Elktromobilität Auch untrhalb dr Systmbn gibt s di Notwndigkit, lktrisch Enrgi zu spichrn, si s, um di Produktionsspitzn von Windnrgianlagn odr Photovoltaikfldrn abzupuffrn (inig zhn MWh) odr um Übrschussstrom aus Photovoltaikanlagn für Einfamilinhäusr zu spichrn (inig zhn kwh). Auch Traktionsbattrin für Elktrofahrzug müssn Kapazitätn von inign zhn kwh aufwisn. Für di größrn Anlagn auf disr Ebn kommn untr andrm di brits diskutirtn Tchnologin infrag. So war dr adiabat Druckluftspichr Adl twa zur Spichrung ds Übrschussstroms von mhrrn großn Windturbinn gdacht. Bsondrs gignt in dism Kapazitätsbrich rschinn abr lktrochmisch Spichr. Battrispichr mit mhrrn zhn MWh sind als Natrium-Schwfl- und Rdox-Flow-Battrin kommrzill rhältlich, di Marktdurchdringung ist allrdings bgrnzt. Rdox-Flow-Battrin habn dn Vortil, dass sich Listung und Enrgimng unabhängig voninandr skalirn lassn. Bi inm dr bkanntstn Bispil, dr Vanadium-Rdox-Flow-Battri, wird di Rduktion von fünfwrtigm zu virwrtigm Vanadium mit dr Oxidation von zwiwrtigm zu driwrtigm Vanadium kombinirt. Das Vanadium bfindt sich in wässrigr Lösung in Vorratstanks, drn Größ übr di Spichrkapazität ntschidt. Di Raktion findt an inr Elktrod statt, drn Fläch übr di Listung dr Rdox-Flow-Battri ntschidt. Di Natrium-Schwfl-Battri wurd ursprünglich für Elktroautos ntwicklt, hat sich dort abr nicht durchstzn könnn. In dr Battri läuft di Raktion Na + x S NaS x ab (von links nach rchts Entladung). Sowohl Natrium als auch Schwfl lign als Schmlz vor, als Sparator dint in Natriumionn-litnd Aluminiumoxidmmbran. Da di Btribstmpratur bi 300 bis 350 C ligt, ignn sich solch Battrin nur für rlativ hoh Zyklnfrqunzn, da sonst di für di Hizung notwndig Enrgi di Effizinz rhblich snkt. In Japan wurd in Einhit mit mhrrn Battrimoduln und inr Gsamtkapazität von 245 MWh an inm Windpark installirt. Für vil Anwndungn sind di Spichrkostn in Battrin (zwischn twa 15 und 30 ct/kwh bi zwi Zykln pro Tag [5]) jdoch zu hoch. Für stationär Anwndungn ist di altbkannt Blibattri häufig in noch günstigr Altrnativ. Ein Altrnativkonzpt für großskalig stationär Battrispichr mit hohr Enrgidicht (ca. 1 kwh/kg) basirt auf dm rvrsibln Btrib inr Hochtmpratur-Brnnstoffzll (SOFC), wobi zur Spichrung in Mtall oxidirt wird und zum Entladn dr Battri di Brnnstoffzll im Elktrolys modus (SOEC) btribn wird (Abb. 3). Di Slbstntladungsratn diss Battrityps sind vrnachlässigbar, sodass r sich gut zur Langzitspichrung ignt. Daggn ist di Effizinz durch di Enrgiwandlung in SOFC und SOEC auf jwils ca. 70 Proznt bgrnzt. Aufgrund dr hohn Enrgi- Abb. 3 Bim Ladn inr Hochtmpratur-Oxidbattri (links) wird in Hochtmpratur-Brnnstoffzll im Elktrolysmodus btribn, dr ntsthnd Wassrstoff rduzirt in Mtalloxid zum Mtall. Bim Entladn (rchts) wird das Mtall durch Raktion zum Oxid zurück oxidirt, dr dabi ntsthnd Wassrstoff rzugt in dr Brnnstoffzll lktrisch Enrgi. Spannungsqull + I Vrbrauchr I U V O 2 H 2 O H 2 O 2 MO x M + H + O 2 H 2 O 2 Oxidation Rduktion Oxidation Rduktion O 2 34 Physik Journal 13 (2014) Nr Wily-VCH Vrlag GmbH & Co. KGaA, Winhim

5 Lithium-Ion Mtall-Ion Elktron Li + -litndr Elktrolyt Lithium-Ion (Aluminium) (Kupfr) Graphit Mtall-Ion Saurstoff-Ion positivr Stromablitr Li Saurstoff-Ion 1 xmo 2 Sparator / Li xc n ngativr Stromablitr Entladn Lithium-Ion Elktron Ladn Mtall-Ion Graphit Saurstoff-Ion Elktron Entladn Abb. 4 Graphit Ladn Jd Zll inr Li-Ionn-Battri bstht aus inr Kathod (+) und inr Anod ( ), inm Sparator sowi inm Elktrolytn. Für di Anod wird häufig Graphit vrwndt, währnd di Kathod aus inm Lithium-Mtall oxid bstht (mist Ni, Co odr Mn). Bid Elktrodn könnn Li-Ionn zwischn Ntzbnn inlagrn (Intrkalationsmatrialin). dichtn sind vrglichswis gring Kostn für dn Spichrbtrib zu rwartn. Trotz dr rcht hohn Kostn kann sich in Battrispichr abr möglichrwis lohnn, um dn Eignvrbrauch von Wohngbäudn in Vrbindung mit Photovoltaikanlagn zu dckn. Da j nach Gstzs lag dr Eignvrbrauch von Ntzumlagn und witrn Abgabn ntlastt ist, wird rlativ schnll Ntzparität rricht, sodass in solch Battrianlag btribswirtschaftlich sinnvoll sin kann. Di höchst Entwicklungsdynamik, in Bzug auf Listungsfähigkit und Kostn, rrichn drzit Lithium-Ionn-Battrin aufgrund dr britn Anwndung in Mobiltlfonn, Laptops, Powr-Tools und zukünftig vrstärkt als Traktionsbattri im Automobilbau (Abb. 4). Li-Ionn-Battrin schlagn di Brück zwischn dr stationärn Spichrung und dr Elktro mobilität, da si bi stark sinkndn Kostn für bids intrssant sin könnn. Allrdings bträgt ihr Enrgidicht drzit nur twa 0,2 Wh/kg, vrglichn mit twa 12 kwh/kg für flüssig Kohlnwassrstoff. Obwohl in Elktroantrib lichtr ist als in Vrbrnnungsmotor und di Effizinz ins Battriautos twa virmal so hoch, schränkn so nidrig Spichrdichtn di Richwit von Elktrofahrzugn stark in. Aufgrund dr hohn molarn Mass dr Übrgangsmtalloxid, di als Intrkalationslktrod für di Li-Ionn dinn und für di kin Ersatz in Sicht ist, ist auch kin wsntlich höhr Spichrdicht disr Battrin zu rwartn. Dis würdn nur grundsätzlich nu Battritchnologin ( Post-Lithium-Ionn ) rmöglichn, wi twa di Lithium-Schwfl-Battri odr rvrsibl Lithium-Luft-Battrin (Abb. 5). Di Spichrdicht lässt sich abr auch durch in Zllchmi mit Mhrlktronnraktionn rhöhn ( Post-Lithium ) wi bi Mg-, Zn- odr Al-basirtn Intrkalations-, Schwfl- odr Luft-Battrin. Drartig Konzpt habn glichzitig dn Vortil, dass si in dr Erdkrust häufig vorkommnd Elmnt vrwndn, di auch infachr zu prozssirn sind als Lithium. Dmntsprchnd wrdn Spichrkostn prognostizirt, di twa in Größnordnung untrhalb dr drzitign Kostn für Lithium-Ionn-Battrin lign. Bis drartig Systm für dn großtchnischn Einsatz praxistauglich sind wnn dis übrhaupt glingt, wrdn allrdings noch vil Jahr vrghn. Jnsits dr Mobilität könntn Elktrofahrzug auch auf dr Ebn ds Enrgisystms in gwiss Bdutung habn, da si sich grundsätzlich als ortsvrtilt Spichr für lktrisch Enrgi ignn. Ob Vrbrauchr s akzptirn würdn, dass ihr Traktionsbattri als Rglnrgi gnutzt wird, odr ob si sogar mit dr zitwilign Entladung invrstandn wärn, sollt Enrgi im Systm fhln, hängt von Faktorn wi Ladgschwindigkit, Zyklnfstigkit und dn Fahrgwohnhitn ab. Grundsätzlich könnt in groß Flott von Elktrofahrzugn gnügnd Enrgi für di Spichrung auf dr Tagsskala britstlln. Dm ntggn stht allrdings di bschränkt zyklisch Lbnsdaur dr drzit auf dm Markt bfindlichn Lithium-Ionn-Battrin, da di Battrin bi ntsprchndn Sznarin bschlunigt altrn würdn. Wärmspichr als Til ds Enrgisystms Wi brits rwähnt, wird in Dutschland mhr als in Drittl dr Primärnrgi für di Britstllung von Wärmnrgi vrwndt. Hir lign somit groß Potnzial für Vrbssrungn, wobi Wärmspichr für di untrschidlichstn Einsatzzwck in groß Roll spiln könntn. In mhrrn Brichn kommn si schon hut zum Einsatz. Solarthrmisch Kraftwrk habn häufig inn Wärmspichr, um nachts di Turbinn witr zu vrsorgn. Das Andasol- I-Kraftwrk in Almria, Spanin, vrfügt dazu übr Tonnn inr Salzschmlz, di auf inm Tmpraturnivau zwischn twa 300 und 400 C in thrmisch Enrgi von 1010 MWh spichrn kann. Dis richt für twa 7,5 Btribsstundn inr 50-MW- Turbin. An bssrn Salzmischungn für höhr Tmpraturn wird garbitt, grundsätzlich ignn sich auch Mtallhydrid als Wärmspichr: Bi dr Raktion ins Mtalls wi Magnsium mit Wassrstoff ntstht Wärm, durch Zufuhr von Wärm spaltt sich das Hydrid widr in Mtall und Wassrstoff auf. Rund Tonnn Magnsium könntn di glich Wärmnrgi spichrn wi Tonnn Salzschmlz. Di Industri litt klinr Wärmmngn, bsondrs bi nidrigr Tmpratur, häufig ungnutzt in di Umgbung, obwohl sich damit Schwimmbädr odr Gbäud hizn lißn. Mit disr Wärm kann man z. B. Natriumactat schmlzn wi in Taschnwärmrn, das di Wärm bim Erstarrn widr abgibt. Mittlrwil btribn Dinstlistr Containr mit Natrium- KIT, Inst. für thrmisch Vrfahrnstchnik 2014 Wily-VCH Vrlag GmbH & Co. KGaA, Winhim Physik Journal 13 (2014) Nr

6 spzifisch Enrgi in Wh/kg > 225 km hut > 200 km Richwit 160 km 50 km 80 km 100 km Pb-Säur Ni-Cd Ni-MH Li-Ionn Li-Ionn Zn-Luft Li-S Li-Luft (Zukunft) Pris in US-Dollar/kWh < 150 < 150 < 150 < 150 Abb. 5 Di Richwit von Elktroautos ist mit hutign Li-Ionn-Battrin noch stark ingschränkt. Dis wird sich rst mit zukünftign Battritchnologin actat, um di Wärm von dr Anlag, in dr si anfällt, zum Nutzr zu transportirn. Auch für di Raumhizung ist di Wärmspichrung von Bdutung, wobi sogar Wassr (mit sinr shr hohn Wärmkapazität) saisonals Spichrn rmöglicht. Dis ist z. B. in inm untrirdischn Wärmspichr am Richstag in Brlin odr in dr Münchnr Sidlung Am Ackrmannbogn ralisirt, wo rund 6000 Kubikmtr Wassr im Sommr mit Solarwärm aufghizt wrdn, um dis Wärm im Wintr widr abzugbn. Dis dckt knapp di Hälft ds Wärmbdarfs dr Sidlung. Schlißlich ist di Wärmspichrung auch intrssant in vrtiltn Systmn zur Britstllung lktrischr Enrgi. Hut wrdn Anlagn mit Kraft-Wärm-Kopplung (KWK) mist wärmgführt, dr Strom wird vrbraucht odr ins Ntz abggbn. Bi stark fluktuirndn rnurbarn Enrgin kann s daggn sinnvoll sin, lktrisch Enrgi vrtilt j nach Bdarf zu produzirn, solch Anlagn also stromgführt zu btribn. Dis stzt voraus, dass sich di anfallnd Wärm infach spichrn lässt, was slbst in gut isolirtn Wassrspichrn möglich ist. Ein Rih witrr Spichrvrfahrn, z. B. di D- und Rhydratisirung von Salzn odr von porösn Fstköprn wi Zolithn, ist drzit noch zu tur. Allrdings wird in solch Kopplung nur für di Bstandsbbauung sinnvoll sin, da zukünftig Wohngbäud fast als Null nrgihäusr ausglgt sin wrdn. Fazit > 400 km > 550 km rhältlich in Entwicklung F&E ändrn könnn. Di hllrn Brich in dn vir rchtn Säuln dutn di Unsichrhit in dr vorhrgsagtn Enrgidicht an. aus [6] mit frundl. Gnhmig. / Michal Movchin, CC-BY-SA-3.0 Schon hut nutzn wir Enrgispichr an dn vrschidnstn Stlln. In zukünftign, witghnd auf rgnrativn Enrgin basirndn Enrgisystmn wrdn sich di Spichraufgabn rhblich ändrn. Dabi ist s sinnvoll, nicht nur di Elktrizität zu btrachtn, sondrn di Mobilität und di Britstllung von Hiznrgi inzubzihn, da dis inrsits groß Vrbrauchssktorn sind, andrrsits zahlrich Synrgin bsthn. Ein optimal Lösung wird sich nur rgbn, wnn man das Gsamtsystm im Zusammnspil mit Ntzausbau, Rsrvkapazität und Dmand-Sid-Managmnt btrachtt. Auf dr Systmbn kommn großskalig Spichr wi Pumpspichrkraftwrk, Druckluftspichr und chmisch Spichr, primär Wassrstoff, in Btracht. Lokal könntn lktrochmisch Spichr in wsntlich Roll spiln; hir gibt s drzit di größt Entwicklungsdynamik, sichr auch in Zusammnhang mit dm angstrbtn Ausbau dr Elktromobilität, wofür di Lithium-Ionn-Battri und zukünftig Battrignrationn ( Post-Lithium-Ionn und Post- Lithium ) von großr Bdutung sin wrdn. Wärmspichr sind in dr Rgl vrglichswis kostngünstig und infach zu btribn. Si solltn vrstärkt in dn Blick gnommn wrdn, da si s rmöglichn könntn, lktrisch Übrschussnrgi kostngünstig zu nutzn. Di Spichrung wird rst in viln Jahrn in Schlüsslroll rhaltn, dahr blibt gnug Zit für Forschung und praktisch Erprobung vrschidnr Ansätz. Dis Zit solltn wir nutzn. Litratur [1] U. Wagnr t al., Intgration und Bwrtung rzugr- und vrbrauchrsitigr Enrgispichr, TU Münchn (2012), [2] F. Schüth, Enrgispichr dr Zukunft, Spktrum dr Wissnschaft, April 2012, S. 72 [3] W. Lonhard t al., VDE Studi Enrgispichr in Stromvrsorgungssystmn mit hohm Antil rnurbarr Enrgiträgr (2008) [4] Currnt Stat-of-th-Art Hydrogn Production Cost Estimat Using Watr Elctrolysis, NREL/BK-6A (2009) [5] M. Klimair t al., Enrgy Storag for Improvd Opration of Futur Enrgy Supply Systms, CIGRE (2008) [6] P. Bruc t al., Natur Matr. 11, 19 (2012) DIE AUTOREN Frdi Schüth hat Chmi (Promotion 1988) und Jura (1. Staatsxamn 1989) in Münstr studirt. Nach sinr Habilitation in Mainz 1995 wurd r als Profssor an di Univrsität Frankfurt brufn. Sit 1998 ist r Dirktor am MPI für Kohlnforschung in Mülhim. Er wurd mit inr Rih von Prisn ausgzichnt und ist drzit Vizpräsidnt dr Max-Planck-Gsllschaft. Sin Forschungsintrssn sind di Grundlagn dr Fstkörprbildung, Katalys, nanostrukturirt Matrialin und Enrgispichrung. Rüdigr-A. Eichl (AK Enrgi) hat in Köln Physik studirt, an dr ETH Zürich in Physikalischr Chmi promovirt und an dr TU Darmstadt habilitirt. Sit 2012 litt r inn Lhrstuhl für Enrgikonvrsion und -spichrung an dr RWTH Aachn und ist Dirktor am Institut für Enrgi- und Klima forschung (IEK-9 Grundlagn dr Elktrochmi) am FZ Jü lich. Sin wissnschaftlich Intrss gilt grundlgndn Fragn dr lktrochmischn Enrgiwandlung und -spichrung. 36 Physik Journal 13 (2014) Nr Wily-VCH Vrlag GmbH & Co. KGaA, Winhim