Segelseminar SS 15. Energiewirtschaftliches Seminar

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1 Segelseminar SS 15 Energiewirtschaftliches Seminar Stromspeicher zur Ergänzung der Erneuerbaren: Erforderlichkeit und Probleme Vorgelegt von: Michel Schmidt 4. Semester WI-MA Kiedricherstraße 33, Ingelheim und Michael Ollinger 4. Semester WI-MA Lindenstraße 13a, Merzig Themensteller: Jürgen E. Blank

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3 Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis... I Abbildungsverzeichnis... II Tabellenverzeichnis...III Abkürzungsverzeichnis... IV 1 Einleitung Relevanz und Aufgabengebiete von Speichertechnologien Klassifizierung der Stromspeichertechnologien Elektrochemische Stromspeicher Elektrische Stromspeicher Mechanische Stromspeicher Chemische Stromspeicher Rolle der Stromspeicher im zukünftigen Energiesystem Mögliche Entwicklung des deutschen Stromsektors Analyse der Stromspeicher Batterien Doppelschichtkondensator Supraleitende magnetische Energiespeicher Schwungmassenspeicher Pumpspeicherkraftwerke Druckluftspeicherung Wasserstoffspeicherung Methanisierung Auswertung Fazit...39 Literaturverzeichnis...40

4 Abbildungsverzeichnis II Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Schwankungen in der Stromproduktion durch Wind und Solar im Jahresverlauf 2014 (eigene Darstellung in Anlehnung an Burger 2015)....3 Abbildung 2: Einteilung der Speichertechnologien nach Energieformen (eigene Darstellung in Anlehnung an Rundel et al. 2013)....6 Abbildung 3:Vergleich der Stromtechnologien nach Ausspeicherdauer und Speicherkapazität (eigene Darstellung in Anlehnung an Sterner & Stadler 2014)....13

5 Tabellenverzeichnis III Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Klassifizierung verschiedener Batteriespeicher hinsichtlich der Speicherung...8 Tabelle 2: Installierte Erzeugungsleistung, Nettostromverbrauch, Jahreshöchstlast und Vorgaben zur Marktmodellierung (Bundesnetzagentur 2014)...16 Tabelle 3: Übertragungskapazitäten [MW] zw. DE und den angrenzenden Marktgebieten (Bundesnetzagentur 2014)...17 Tabelle 4: Potentielle Speicherkapazität für Wasserstoff. Dabei wurde ein Energiegehalt von 3 kwh/nm³ und ein Wirkungsgrad von 0,6 bei der Rückverstromung angenommen (eigene Darstellung in Anlehnung an Sterner & Stadler 2014)....33

6 Abkürzungsverzeichnis IV Abkürzungsverzeichnis C Grad Celsius 1/min A-CAES BE CAES CCS CH CO2 CZ DE DK DSK DVWG EE EEG FR GuD GW GWh h H2 Hz K kg KraftNAV kwh Umdrehungen pro Minute adiabatic Compressed Air Storage Belgien Compressed Air Storage Carbon Capture and Storage Schweiz Kohlenstoffdioxid Tschechien (Tschechische Republik) Deutschland Dänemark Doppelschichtkondensator Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches Erneuerbare Energien Erneuerbare-Energien-Gesetz Frankreich Gas und Dampf Gigawatt Gigawattstunde Stunde Wasserstoff Hertz Kelvin Kilogramm Kraftwerks-Netzanschlussverordnung Kilowattstunde

7 Abkürzungsverzeichnis V Li-Ionen LU m 3 Mrd. MW MWh Na-NiCl NaS NiCd NiMH NL Nm NO PL PSW PV SE SMES SMS TWh taus UBA US USA USV Vn Vol.% Lithium-Ionen Luxemburg Kubikmeter Milliarde Megawatt Megawattstunde Natrium-Nickelchlorid Natrium-Schwefel Nickel-Cadmium Nickel-Metall-Hydrid Niederlande Newtonmeter Norwegen Polen Pumpspeicherkraftwerke Photovoltaik Schweden Supraleitfähige magnetische Energiespeicher Schwungmassenspeicher Terrawattstunde Ausspeicherdauer Umweltbundesamt United States Vereinigte Staaten von Amerika Unterbrechungsfreie Stromversorgung Arbeitsgasvolumen Volumenprozent

8 Abkürzungsverzeichnis VI VRF WG Wh Vanadium-Redox-Flow Wirkungsgrad Wattstunde

9 Einleitung 1 1 Einleitung Stromspeicher sind mehr als eine Flexibilitätsoption. (dena 2014) Ausgehend von diesem Zitat wird die herausstehende Bedeutung von Stromspeichern im zukünftigen Energiesystem/Stromversorgung deutlich und gleichzeitig die damit einhergehenden Herausforderungen betont. Im Zuge der Energiewende befindet sich das deutsche Stromsystem in einer Umstrukturierung von einer nachfrageregulierten zentralisierten Stromerzeugung durch hauptsächlich fossile Energien zu einer angebotsorientierten dezentralisierten Strombereitstellung durch EE. Mit zunehmenden Anteilen von EE werden auch immer mehr Flexibilitätsoptionen notwendig sein, um die Schwankungen fluktuierender Stromerzeugung durch Windkraft und Photovoltaik flexibel auszugleichen und somit eine stabile Stromversorgung zu gewährleisten. Neben anderen Flexibilitätsoptionen wie Energiemanagement oder den Ausbau der Netze ist die Förderung von Stromspeichern eine Möglichkeit, diesen Herausforderungen zu entgegnen. Hierbei nehmen Stromspeicher eine besondere Rolle auf dem Weg zu einer regenerativen Vollversorgung ein, da sie eine zeitliche Verschiebung von Erzeugung und Verbrauch ermöglichen und durch die Speicherung von Überschussstrom die Integration der EE unterstützen. Daher bieten sie auch die Möglichkeit das Abregeln von EE-Anlagen aufgrund von Netzengpässen zu reduzieren, indem beispielsweise Erzeugungsspitzen der Windkraftanlagen, deren geographischer Ausbau sich hauptsächlich auf den nördlicher Raum in Deutschland richtet, gespeichert und bei Bedarf wieder in das Netz eingespeist werden können. Weiterhin können sie Systemdienstleistungen wie die Frequenzregelung übernehmen oder einen Beitrag zur unterbrechungsfreien Stromversorgung leisten. Mittel- und langfristig sind Stromspeichertechnologien die einzige Option sowohl kurzfristige als auch langfristige Erzeugungsschwankungen der EE auszugleichen. Verschiedene Arten von Stromspeichertechnologien können zur Deckung des Flexibilitätsbedarfs beitragen, wobei diese sich nicht nur in Funktion und möglichen Einsatzbereichen sondern auch im unterschiedlichen Marktreifegrad und ihren Potentialen unterscheiden. So werden bereits heute Pumpspeicherkraftwerke oder Batterien wirtschaftlich betrieben. Speichertechnologien wie Doppelschichtkondensatoren oder Schwungmassenspeicher sind zwar technisch ausgereift, für einen wirtschaftlichen Betrieb kommen sie jedoch noch nicht zum Einsatz. Bei anderen wie der stofflichen Speicherung hingegen, besteht noch weiterer Forschungs- und Entwicklungsbedarf.

10 Einleitung 2 Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Erörterung der verschiedenen Rollen, die Stromspeichertechnologien in der zukünftigen im steigenden Maß auf EE aufbauenden Stromversorgung einnehmen. Der erste Teil stellt die Notwendigkeit von Stromspeichern als Flexibilitätsoptionen zum Ausgleich fluktuierender und nur im begrenzten Umfang planbaren Stromquellen dar. Im Zuge dessen werden Anwendungsbereiche bzw. Aufgaben von Stromspeichern genannt. (Kapitel 2) Inhalt des darauffolgenden Abschnitts ist die Klassifizierung verschiedener Stromspeichertechnologien durch Auswahl bestimmter Kriterien, woraufhin diese kurz vorgestellt werden. (Kapitel 3) Im Hauptteil erfolgt nach einer Erläuterung der möglichen Entwicklung des deutschen Stromsektors, eine Analyse zum Potential der Stromspeichertechnologien mit damit zusammenhängenden Problematiken. Anschließend werden die gewonnenen Erkenntnisse ausgewertet (Kapitel 4) und zusammenfassend das Ergebnis dieser Arbeit im Fazit formuliert. (Kapitel 5)

11 Relevanz und Aufgabengebiete von Speichertechnologien 3 2 Relevanz und Aufgabengebiete von Speichertechnologien Durch die formulierten Ziele im Energiekonzept der Bundesregierung und der damit verbundenen Einführung des Erneuerbare-Energien-Gesetz befindet sich das deutsche Energiesystem in einer fundamentalen Transformation. (Trost et al. 2012) Neben dem Atomausstieg bis zum Jahr 2022, soll vor allem ein ambitionierter Ausbau der erneuerbaren Energien erfolgen. Ihr Anteil am Bruttostromverbrauch soll bis % betragen, bis 2035 auf % erhöht werden und bis 2050 mindestens auf 80 % steigen. (Bundestag 2014) Im Jahr 2014 konnte der Bruttostromverbrauch zu 26,2 % durch EE gedeckt werden, wobei die Windkraft (9,1%) und Photovoltaik (5,7 %) durch deren starken Zubau in den letzten Jahren den größten Beitrag dazu lieferten. (BDEW 2014) Der Ausbau anderer EE wie beispielsweise Wasserkraft und Biomasse ist in Deutschland nahezu ausgeschöpft, sodass der Fokus mittel- und langfristig auf die Erhöhung der Kapazitäten von Windenergie und Photovoltaik gerichtet ist. (BMU 2012) So wird langfristig angenommen, dass diese bis 2050 zusammen mit 55 % an der Bruttostromerzeugung beteiligt sind. (Nitsch et al. 2012) Eine auf wachsenden Anteilen von EE basierende Stromversorgung stellt das Energiesystem vor neuen Herausforderungen und erhöht gleichzeitig die Erforderlichkeit, diese besser zu nutzen. Insbesondere der erzeugte Strom aus Windkraft und Photovoltaik unterliegt wetterbedingt teils starken Schwankungen, sowohl im Tages- als auch im Jahresverlauf (s. Abbildung 1), wobei mittelfristig präzise Prognosen nur schwer zu tätigen sind. (Rundel et al. 2013) 10 TWh Jan. Febr. März April Mai Juni Juli Aug. Sept. Okt. Nov. Dez. Wind Solar Abbildung 1: Schwankungen in der Stromproduktion durch Wind und Solar im Jahresverlauf 2014 (eigene Darstellung in Anlehnung an Burger 2015). Außerdem entspricht oft das geographische Potential der EE nicht mit Orten hohen Strombedarfs überein. (Fuchs et al. 2012) Da Stromangebot und -nachfrage für die Netzstabilität jedoch immer auf einander abgestimmt sein müssen, kam es in der

12 Relevanz und Aufgabengebiete von Speichertechnologien 4 Vergangenheit aufgrund von erzeugter Überkapazitäten zu Abregelungen von PVbzw. Windkraftanlagen. (Mahnke & Mühlenhoff 2012; Rundel et al. 2013) Um diese Herausforderungen zu bewältigen, sind verschiedene Maßnahmen zur Erhöhung der Flexibilität nötig. (Fuchs et al. 2012) Neben Flexibilitätsoptionen zur Integration der erneuerbaren Energien wie die verbesserte Nutzung flexibler konventioneller Kraftwerke, ein Demand Side Management (intelligente Anpassung der Stromnachfrage an EE-Einspeisung), ein Erzeugungsmanagement (bedarfsgerechte Stromerzeugung ergänzend zur EE-Einspeisung), Ausbau und Optimierung von Netzen zum regionalen und internationalen Strombedarfsausgleich ist der Fokus auf Stromspeicher zu legen. (Trost et al. 2012; Beck et al. 2013) Zwar tragen alle Maßnahmen zur erneuerbaren Vollversorgung bei, jedoch werden Stromspeicher aufgrund der zeitlichen Entkopplung von Stromerzeugung und -verbrauch als zentrales Element gesehen. (Höflich et al. 2010; Trost et al. 2012) Die gegenwärtige Stromspeicherkapazität in Deutschland liegt bei 0,04 TWh, sodass der Strombedarf Deutschlands bei einem Jahresstromverbrauch von 614 TWh für weniger als eine Stunde gedeckt werden kann. (Specht 2012; BDEW 2014) Stromspeicher bieten eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, die je nach Einsatzbereich verschieden sein können. (Mahnke & Mühlenhoff 2012) Die Speicherung von Überschussenergie als Lastausgleich von Abweichungen zwischen Strombereitstellung und verbrauch, die nicht auf Prognoseabweichungen beruhen, kann als klassische Aufgabe von Stromspeichern gesehen werden. (DCTI 2014; Sterner & Stadler 2014) Neben dem Ausgleich kurzfristiger Schwankungen des Stromangebots im Tagesverlauf ist der langfristige Lastausgleich von entscheidender Bedeutung. (DCTI 2014) Hierdurch kann vor allem ein Beitrag zur gesicherten Leistung geschaffen werden. Eine weitere Funktion ist das Verfolgen von Arbitragegeschäften, bei denen sich die Strompreisschwankungen durch die zeitliche Verlagerung des gespeicherten Stroms zu Nutze gemacht werden. (Schill 2015) Darüber hinaus können Stromspeicher auch Systemdienstleistungen übernehmen und leisten damit einen wichtigen Beitrag zur Gewährleistung einer stabilen Stromversorgung. (Beck et al. 2013) Hier können Stromspeicher vor allem zur Frequenzhaltung beitragen und so den Bedarf an Reserveleistung reduzieren. (Rundel et al. 2013) Für die Stabilität der Netze ist es wichtig, dass die Netzfrequenz (50 Hz im europäischen Verbundnetz) zu jeder Zeit weitestgehend konstant gehalten wird. Bei unvorhergesehenen kurzfristigen Abweichungen vom

13 Klassifizierung der Stromspeichertechnologien 5 prognostizierten Lastverlauf können Stromspeicher bei der Regelung dieses Leistungsunterschieds unterstützend mithelfen, indem sie durch Einspeicherung Stromüberschüsse abbauen oder bei Bedarf Leistungsspitzen durch Stromeinspeisung decken. (Fuchs et al. 2012; DCTI 2014) Dabei lassen sich drei Arten von Frequenzregelungen unterscheiden. Die Primärregelleistung hat eine Ansprechzeit von weniger als 30 Sekunden und muss für 15 Minuten Leistung bereitstellen. Sie wird danach automatisch durch die Sekundärleistung abgelöst, welche nach 5 Minuten einsatzfähig sein muss und für mindestens eine Stunde Strom liefert. Zusätzlich gibt es noch die Tertiärregelleistung, die innerhalb von 15 Minuten zur Verfügung stehen muss und für eine längere Einsatzdauer benötigt wird. (Sterner & Stadler 2014) Da durch den weiteren Ausbau der EE, das Verhältnis von fluktuierender zu regelbarer Leistung zunehmen wird, wird auch der Flexibilitätsbedarf in Form von Regelleistung steigen. (Rundel 2013; DCTI 2014) Außerdem haben Stromspeicher noch weitere Aufgaben wie die Spannungshaltung zur Sicherstellung der Spannungsqualität, was der Aufrechterhaltung der Versorgungssicherheit dient. Viele Stromspeicher sind zudem schwarzstartfähig, d.h. sie können ohne Stromversorgung hochgefahren werden und im Fall eines Stromausfalls den schnellstmöglichen Wiederaufbau der Versorgung vorantreiben. (Beck et al. 2013) 3 Klassifizierung der Stromspeichertechnologien Es gibt eine Vielzahl von verschiedenen Stromspeichertechnologien, die sich auf unterschiedliche Art und Weise kategorisieren bzw. klassifizieren lassen. Eine in der Literatur gängige Möglichkeit ist die Einteilung anhand der physikalisch-energetischen Form der gespeicherten Energie, (Fuchs et al. 2012; Rundel et al. 2013; Sterner & Stadler 2014) wodurch ein erster guter Überblick gegeben werden kann. Demnach können die Stromspeicher nach mechanisch, elektrisch, chemisch und elektrochemisch gespeicherten Energieformen unterteilt werden. (s. Abbildung 2)

14 Klassifizierung der Stromspeichertechnologien 6 Abbildung 2: Einteilung der Speichertechnologien nach Energieformen (eigene Darstellung in Anlehnung an Rundel et al. 2013). In Abbildung 2 sind die im Laufe dieser Arbeit untersuchten Stromspeichertechnologien nach der oben genannten Aufgliederung ihrer entsprechenden Energieform zugeordnet. Eine zweite wichtige Klassifizierung ist die Untergliederung in Kurzzeit- und Langzeitspeicher. Hierfür wird als Unterscheidungsmerkmal das Verhältnis von Speicherkapazität und Ausspeicherleistung, welches mit der Ausspeicherdauer t aus gleichzusetzen ist, herangezogen und angibt, über welche Zeitspanne ein Speicher Strom bereitstellen kann. Charakteristisch für Kurzzeitspeicher ist eine Ausspeicherdauer t aus 24 h, sodass sie weiter in Sekunden-, Minuten-, Stunden- und Tagesspeicher differenziert werden können. Sie eignen sich aus diesem Grund für den kurzfristigen Ausgleich von Schwankungen in der Stromversorgung. Langzeitspeicher hingegen weisen hohe Speicherkapazitäten auf und können Strom über mehrere Tage bis hin zu Monaten liefern, sodass ihre Entladedauer t aus 24 h entspricht. (Sterner & Stadler 2014) Da in Deutschland die geographischen Besonderheiten eine wichtige Rolle spielen, ist eine räumliche Klassifizierung in zentrale und dezentrale Stromspeicher vorzunehmen. Als zentrale Stromspeicher werden große, an geographische Gegebenheiten geknüpfte Speichertechnologien bezeichnet, wogegen dezentrale Speicher kleinere, nicht ortsgebundene Speichertechnologien darstellen. (Fuchs et al. 2012; Sterner & Stadler 2014)

15 Klassifizierung der Stromspeichertechnologien Elektrochemische Stromspeicher Ein elektrochemischer Speicher, auch Batterie genannt, speichert elektrische Energie in Form chemischer Energie und wandelt diese beim Entladen wieder in elektrische Energie um. (Diekmann & Rosenthal 2014) Batterien werden unter anderem in Primärbatterien und Sekundärbatterien unterteilt, wobei Primärbatterien nur eine einmalige Entladung der chemischen Energie erlauben. Sekundärbatterien hingegen ermöglichen das wiederholte, vollständige beziehungsweise nahezu vollständige elektrische Aufladen. (Mahnke & Mühlenhoff 2012) Sie sind im deutschen Sprachgebrauch als Akkumulatoren bekannt und Gegenstand dieses Abschnittes. Wird im Folgenden der Begriff Batterie verwendet, so ist von einem Akkumulator die Rede. Des Weiteren findet eine Unterteilung der elektrochemischen Speicher in interne und externe Speicher statt. Interne Speicher wie Blei-Säure- oder Lithium-Ionen- Batterien sind dadurch gekennzeichnet, dass die Energiewandlung und -speicherung räumlich nicht voneinander getrennt stattfindet. Ihre Speicherkapazität ist mit der Lade- bzw. Entladeleistung verknüpft. Bei externen elektrochemischen Speichern, wie z.b. den Redox-Flow-Batterien, finden die Energiewandlung und -speicherung getrennt voneinander statt. Die Dimensionierung der durch die Wandlereinheit bestimmten Leistung, als auch der durch den Speicherinhalt bestimmten Kapazität kann unabhängig voneinander stattfinden. (Diekmann & Rosenthal 2014) Der Aufbau einer Batterie besteht aus einer Kombination zweier verschiedener Metalle oder Metalloxide, welche als Elektroden dienen, und einer Elektrolytlösung (z.b. verdünnte Schwefelsäure). (Diekmann & Rosenthal 2014; Mahnke & Mühlenhoff 2012) Die verschiedenen Batterien unterscheiden sich hinsichtlich ihrer verwendeten Materialien und der daraus resultierenden Nennspannung. Eine Abweichung vom klassischen Akkumulator sind Hochtemperatur-Akkumulatoren. Diese besitzen im Gegensatz zum klassischen Akkumulator einen festen Elektrolyten und flüssige Elektroden, wobei die Aktivmassen erst bei Betriebstemperaturen zwischen 290 C und 380 C vorliegen. (Diekmann & Rosenthal 2014) Da Batterien in ihrer Dimensionierbarkeit bis zu gewissen technischen und wirtschaftlichen Größen uneingeschränkt und zudem nicht an geographische Gegebenheiten gebunden sind, eignen sie sich sehr gut als dezentrale Speicher. Auf-grund

16 Klassifizierung der Stromspeichertechnologien 8 ihrer meist beschränkten Energiedichte werden sie jedoch nur als Kurzzeit-speicher im Sekunden- bis Stundenbereich genutzt. (Mahnke & Mühlenhoff 2012; Diekmann & Rosenthal 2014; Sterner & Stadler 2014) Einzig die Redox-Flow- Batterien besitzen auf Grund ihrer Trennung von Speicher und Wandlereinheit und der damit verbundenen theoretisch großräumigen Speicherung das Potential eines Langzeitspeichers. Batterietyp intern/ extern Kurzzeitspeicher/ Langzeitspeicher zentral/ dezentral Blei-Säure Akkumulator intern Kurzzeitspeicher dezentral Nickelbasis Akkumulator intern Kurzzeitspeicher dezentral Lithium-Ionen Akkumulator intern Kurzzeitspeicher dezentral Na-NiCl Hochtemperatur- intern Kurzzeitspeicher dezentral Akkumulator NaS Hochtemperatur- Akkumulator intern Kurzzeitspeicher dezentral Vanadium- Redox-Flow Redox-Flow extern Kurzzeitspeicher/ Langzeitspeicher Tabelle 1: Klassifizierung verschiedener Batteriespeicher hinsichtlich der Speicherung dezentral Tabelle 1 gibt einen Überblick über gängige, sowie für die Energiewirtschaft interessante Batterien. Eine detaillierte Vorstellung der Batterien würde jedoch den Rahmen dieser Arbeit überschreiten. 3.2 Elektrische Stromspeicher Elektrische Energiespeicher lassen sich in elektrostatische und elektromagnetische Energiespeicher unterteilen. Sie speichern die elektrische Energie direkt ein und stellen diese auch wieder direkt als elektrische Energie zur Verfügung (Sterner & Stadler 2014), was bedeutet, dass keine weiteren Aggregate wie Motoren oder Generatoren benötigt werden. Die elektrostatische Speicherung der elektrischen Energie erfolgt über Kondensatoren. Hierbei wird die elektrische Energie in Form eines elektrischen Feldes gespeichert. (Diekmann & Rosenthal 2014) Diese Form der Speicherung ist die einzige Form, bei der die elektrische Energie in ihrer Reinform vorliegt. (Sterner & Stadler 2014)

17 Klassifizierung der Stromspeichertechnologien 9 Der [klassische Platten-] Kondensator lässt sich als eine Anordnung aus zwei gegenüberliegenden Elektroden beschreiben, welche durch ein Dielektrikum [(Material mit hohem Widerstand, welches elektrische Energie kaum, beziehungsweise nicht leitet)] getrennt sind. (Sterner & Stadler 2014) Die Kapazität des idealen Plattenkondensators ist unter Vernachlässigung der ohmschen und induktiven Eigenschaften der Platten, der Zuleitungen und des Dielektrikums nur von seiner Geometrie abhängig. Sie vergrößert sich ( ) mit zunehmender Elektrodenoberfläche und kleinerem Elektrodenabstand (Sterner & Stadler 2014). Zur Speicherung großer Energiemengen benutzt man heutzutage elektrochemische Doppelschichtkondensatoren, sogenannte Super Caps, deren Elektroden in einen Leitfähigen Elektrolyten getaucht sind. (Diekmann & Rosenthal 2014; Sterner & Stadler 2014) Kondensatoren lassen sich den Kurzzeitspeichern zuordnen, da sie die gespeicherte elektrische Energie nur über einen sehr kurzen Zeitraum abgeben können. Zu-dem sind sie aufgrund ihrer Kompaktheit sehr gut für dezentrale Lösungen geeignet. (Mahnke & Mühlenhoff 2012) Die elektromagnetische Speicherung erfolgt über die Speicherung der elektrischen Energie in Form eines elektromagnetischen Feldes. Hierzu werden supraleitfähige magnetische Energiespeicher (SMES) verwendet. (Diekmann & Rosenthal 2014) SMES bestehen aus einer supraleitenden Spule, einem kryogenen Kühlsystem und Wechselrichtern. Kryoflüssigkeiten, wie zum Beispiel verflüssigter Stickstoff oder verflüssigtes Helium besitzen extrem niedrige Temperaturen (Siedepunkt flüssiges He bei 4,21 K = -268,93 C). Diese werden benötigt, damit die Sprung-temperaturen und damit verbunden die kritischen Feldstärken der supraleitenden Materialien (z.b. Niob-Titan Sprungtemperatur 9 K) der Spulen nicht überschritten werden. (Mahnke & Mühlenhoff 2012; Diekmann & Rosenthal 2014) Durch die Spule des SMES wird so lange ein Gleichstrom geleitet, bis sich ein zeitlich konstantes magnetisches Feld aufgebaut hat, dessen Feldstärke unterhalb der kritischen Feldstärke des supraleitenden Materials liegen muss. Nach der Trennung der Spule vom Netz und dem Kurzschließen der Enden kann der das Magnetfeld erzeugende Strom verlustfrei im Stromkreis der Spule fließen bis er wieder durch den Anschluss der Spule an einen Wechselrichter ins Stromnetz gespeist werden kann. (Diekmann & Rosenthal 2014)

18 Klassifizierung der Stromspeichertechnologien 10 SMES dienen derzeit als dezentrale Kurzzeitspeicher und stellen elektrische Energie im Sekunden- und Minutenbereich bereit. (Mahnke & Mühlenhoff 2012) 3.3 Mechanische Stromspeicher Zu den mechanischen Stromspeichern können Pumpspeicherwerke (PSW), Druckluftspeicherkraftwerke (CAES) und Schwungmassenspeicher (SMS) gezählt werden. Die Technologie der Pumpspeicherkraftwerke ist eine langjährig zuverlässig durchgeführte und wirtschaftliche Form der großtechnischen Energiespeicherung. (Beck et al. 2013) Bei einem PSW wird elektrische Energie in Form von potentieller Energie von Wasser gespeichert. Ein PSW besteht aus einem Ober- und einem Unterbecken, welche entweder in Form von Stauseen künstlich angelegt sind oder als Seen oder Reservoire in der Natur vorkommen. Bei Überschuss an erneuerbar erzeugtem Strom wird dieser genutzt, um große Wassermengen von dem tieferen in das höher gelegene Wasserbecken zu pumpen. Die gespeicherte Energiemenge ist zum einen abhängig von der Größe des Speicherreservoirs und zum anderen von der Fallhöhe des Wassers. (Mahnke & Mühlenhoff 2012) Bei Bedarf der Rückverstromung wird das Wasser herabgelassen und über Turbinen, die an Generatoren angekoppelt sind, Strom produziert. Hauptsächlich dienen sie als Kurzzeitspeicher zum Ausgleich von unerwarteten Schwankungen im Tagesverlauf. Aufgrund ihrer Größe und der Erforderlichkeit geographischer Besonderheiten werden sie der Kategorie der zentralen Stromspeicher zugeordnet. (Beck et al. 2013; Sterner & Stadler 2014) Eine weitere - jedoch bisher kaum genutzte - Methode zur mechanischen Stromspeicherung sind Druckspeicherkraftwerke (CAES), bei denen überschüssige elektrische Energie genutzt wird, um Luft zu komprimieren und sie anschließend meist in unterirdischen Hohlräumen zu speichern. Für die Zwischenspeicherung eignen sich beispielsweise ausgesolte Salzkavernen, Bergbauschächte oder alte Gasfelder, sofern die Gasdichte und Druckstabilität gewährleistet werden kann. Zur späteren Stromrückgewinnung wird die Druckluft expandiert, sodass eine Turbine angetrieben wird. Über einen nachgeschalteten Generator wird die mechanische Energie wieder in elektrische Energie umgewandelt. (Sterner et al. 2010; Beck et al. 2013) Mit einer geringeren Speicherkapazität als PSW können sie bei Bedarf über einige

19 Klassifizierung der Stromspeichertechnologien 11 Stunden mehrere 100 MWh Strom liefern, dienen daher als zentrale Kurzzeitspeicher. (Mahnke & Mühlenhoff 2012; Beck et al. 2013) Ein Schwungmassenspeicher speichert Energie in Form von Rotationsenergie. Im Bereich der Stromspeicherung wird dabei ein Schwungrad mit Hilfe eines Elektromotors in Rotation versetzt, um die Energie zu speichern. Das Entladen findet ebenfalls über den Elektromotor statt, wobei dieser beim Entladevorgang als vom Schwungrad angetriebener Generator betrachtet wird. Die mögliche speicherbare Energiemenge ist stark abhängig von der erreichbaren Drehzahl, da die Drehzahl quadratisch in die Rotationsenergie eingeht. Die erreichbare Drehzahl ist wiederum von den verwendeten Materialien abhängig. So werden bei der Verwendung von Stahlrotoren Drehzahlen im Bereich von bis Umdrehungen pro Minute (1/min) realisiert, während mit Verbundmaterialien Drehzahlen von bis zu /min erreicht werden. (Diekmann & Rosenthal 2014) Ab Drehzahlen von 500 1/min nimmt die Bedeutung des Luftwiderstands zu. Deshalb müssen Schwungräder in einem geeigneten Medium wie Wasserstoff, oder in einem Vakuum betrieben werden, um den Luftwiderstand und somit die Reibung und die damit verbundenen Wirkungsgradverluste zu reduzieren. (Sterner & Stadler 2014) 3.4 Chemische Stromspeicher In konventionellen Energieträgern wie beispielsweise Holz, Kohle oder Erdgas wird die enthaltene Energie in Form chemischer Verbindungen gespeichert. Diese können durch Verbrennung in Wärme oder Elektrizität umgewandelt werden. In diesem Zusammenhang geraten Verfahren zur Herstellung von erneuerbaren Gasen wie Wasserstoff und Methan für die Speicherung von elektrischer Energie in Form von chemischen Energieträgern in den Fokus. (Beck et al. 2013; Sterner & Stadler 2014) Beide Ansätze können dem Konzept Power-to-Gas zugeordnet werden. Hierbei werden die genannten Gase mittels einer Einspeichertechnologie hergestellt, in Gasspeichern (z.b. Gasnetz, Untergrundspeicher) gespeichert und bei Bedarf durch eine Ausspeichertechnologie (z.b. Gasturbine) zur Rückverstromung bereitgestellt. (Sterner & Stadler 2014) Eine klimaneutrale Herstellung von Wasserstoff ist die Wasserelektrolyse mittels elektrischer Energie aus erneuerbaren Energien. (Sterner & Stadler 2014) In Zeiten

20 Klassifizierung der Stromspeichertechnologien 12 von Überkapazitäten aus erneuerbar erzeugtem Strom (Windkraft, PV) wird dieser genutzt, um Wasser in seine Komponenten Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Für die Zwischenspeicherung des hergestellten Wasserstoffs ergeben sich verschiedene Möglichkeiten. Der Einsatz von Druckgasbehälter oder die Verflüssigung des Wasserstoffs sind Varianten, die im kleineren Maßstab zum Einsatz kommen können. (Beck et al. 2013, Rundel et al. 2013) Für eine großtechnische Speicherung ist der Fokus auf Untergrundspeicher, vor allem auf Salzkavernen zu richten. Eine weitere Möglichkeit zur Wasserstoffspeicherung bietet die Einspeisung in das vorhandene Erdgasnetz, wobei laut DVGW die Beimischungsquote auf 5 Vol.% begrenzt ist, damit eine gleichbleibende Erdgasqualität gewährleistet wird. (Sterner & Stadler 2014) Zur Rückverstromung können Brennstoffzellen für kleinere Leistungsbereiche und oder GuD-Kraftwerke für große Leistungsbereiche eingesetzt werden. (Fuchs et al. 2012; Sterner & Stadler 2014) Bei dem Konzept der Methanisierung wird der zuvor durch Wasserelektrolyse erstellte Wasserstoff durch Zuführung von Kohlenstoffdioxid in synthetisches Methan umgesetzt. Das hierfür benötigte CO2 kann aus Rauchgas von Kohlekraftwerken, aus Biogas- oder Kläranlagen oder durch Extraktion aus der Luft gewonnen werden. Das synthetisch erzeugte Methan ist chemisch identisch mit fossilem Erdgas und kann zu 100 % als Austauschgas dienen, sodass die Langzeitstabilität als gewährleistet angesehen werden kann. Dies ermöglicht die problemlose Einspeisung in das vorhandene Erdgasnetz und die Nutzung derselben Gasspeicherformen und Ausspeichertechnologien wie bei konventionellem Erdgas. (Beck et al. 2013; Sterner & Stadler 2014) Die stoffliche Speicherung von elektrischer Energie in Form von Wasserstoff oder Methan ist aufgrund des hohen Potentials an Speicherkapazität und der hohen Energiedichte als Langzeitspeicherung von Strom zusehen, wobei der kurzfristige Einsatz zur Spitzenlastdeckung prinzipiell auch möglich ist. (Mahnke & Mühlenhoff 2012; Beck et al. 2013; Sterner & Stadler 2014) Die Speicherung von Wasserstoff oder Methan in großen Untertagespeichern ist für sich alleine als zentrale Stromspeicherung zu sehen, durch die Einspeisung in das Gasnetz und die Rückverstromung beispielsweise durch ein Gaskraftwerk dienen diese chemischen Energieträger als dezentrale Energieversorgung.

21 Klassifizierung der Stromspeichertechnologien 13 Basierend auf der getroffenen Klassifizierung und der Charakterisierung existierenden Stromspeichertechnologien kann durch Abbildung 3 zusammenfassend ein guter Überblick gegeben werden. Abbildung 3:Vergleich der Stromtechnologien nach Ausspeicherdauer und Speicherkapazität (eigene Darstellung in Anlehnung an Sterner & Stadler 2014). Durch die verhältnismäßige Darstellung von Ausspeicherdauer und Stromspeicherkapazität wird die am Anfang dieses Kapitels gemachte Untergliederung in Kurzzeit- und Langzeitspeicher verdeutlicht. Die gefärbten Bereiche fassen alle realisierten Anlagen einzelner Technologien in Deutschland mit deren Werte für die Zeitdauer der Ausspeicherung und der Speicherkapazität zusammen. Die meisten Stromspeicher sind als Kurzzeitspeicher (t aus 24 h) ausgelegt, darunter Kondensatoren, Spulen, Batterien, Schwungmassenspeicher, Pumpspeicher und Druckluftspeicher. Damit zusammenhängend haben sie geringe Speicherkapazitäten von einigen Kilowattstunden bis moderaten Speichervolumen von bis zu einigen Gigawattstunden an Strom. Letztlich sind aufgrund der hohen Potentiale an Speicherkapazität nur die Power-to-Gas-Technologien großtechnisch mit fossilen Energieträgern vergleichbar und kommen dementsprechend als Lösung der Langzeitspeicherung von Strom in Betracht. (Sterner & Stadler 2014)

22 Rolle der Stromspeicher im zukünftigen Energiesystem 14 4 Rolle der Stromspeicher im zukünftigen Energiesystem Welche Rolle Stromspeicher im zukünftigen deutschen Stromsektor spielen, hängt vor allem von dessen Entwicklung ab. Auf lange Sicht kann diese Entwicklung jedoch nur schwer vorhergesagt werden, da kleine Veränderungen im komplexen Stromsektor große Auswirkungen haben können. Aus diesem Grund beschränken sich die meisten Studien über die Notwendigkeit von Energiespeichern nur auf einfache Modelle mit fest definierten Randbedingungen. Im folgenden Abschnitt soll die zukünftige Entwicklung des deutschen Stromsektors anhand der aktuellen Ziele der deutschen Bundesregierung aufgezeigt wer-den. Im Anschluss werden die in Kapitel 3 vorgestellten Technologien mit Bezug auf diese Entwicklung analysiert. Auf Basis dieser Analyse und einiger Studien wird abschließend das zukünftige Stromspeicherpotential für Deutschland untersucht und erläutert. 4.1 Mögliche Entwicklung des deutschen Stromsektors Wie sich der deutsche Stromsektor entwickeln wird, ist nur schwer vorherzusagen. Orientieren kann man sich hierbei an den Zielen der aktuellen Bundesregierung und der Bundesnetzagentur. Ein Gesetz, welches maßgeblich zur Entwicklung des deutschen Stromsektors beitragen wird, ist das dreizehnte Gesetz zur Änderung des Atomgesetzes. In die-sem Gesetz wird das sukzessive Erlöschen der Betriebserlaubnis aller deutschen Atomkraftwerke festgesetzt. Die Betriebserlaubnis der letzten drei deutschen Atomkraftwerke Isar 2 (1,4 GW (e.on 2015)), Emsland (1,33 GW (RWE Power AG 2015)) und Neckarwestheim 2 (1,4 GW (ENBW, 2015)) erlischt diesem Ge-setz nach am 31. Dezember Somit wird ab 2023 kein Atomstrom in Deutschland produziert. Dabei entfällt auch ein wichtiger Grundlastlieferant in der Merit-Order des deutschen Kraftwerksparks. (von Roon & Huck 2010) Ein weiteres Gesetz, dass die Entwicklung des deutschen Stromsektors maßgeblich beeinflusst, ist das Gesetz für den Ausbau erneuerbarer Energien (Erneuerbare-Energien-Gesetz- EEG 2014). Dieses Gesetz verfolgt das Ziel den Anteil des aus erneuerbaren Energien erzeugten Stroms am Bruttostromverbrauch [ ] auf

23 Rolle der Stromspeicher im zukünftigen Energiesystem 15 mindestens 80 Prozent bis zum Jahr 2050 zu erhöhen (Bundestag 2014), wobei der Anteil bis zum Jahr bis 45 % und bis zum Jahr bis 60 % betragen soll. Hierzu soll ein jährlicher Ausbau der installierten Leistung der Windenergieanlagen an Land um MW pro Jahr (netto), der installierten Leistung der Anlagen zur Erzeugung von Strom aus solarer Strahlungsenergie um MW pro Jahr (brutto) sowie der installierten Leistung der Anlagen zur Er-zeugung von Strom aus Biomasse um bis zu 100 MW pro Jahr (brutto) erfolgen. Die installierte Leistung der Windenergieanlagen auf See soll MW im Jahr 2020 und MW im Jahr 2030 betragen. (Bundestag 2014) Im Jahr 2013 betrug die in Deutschland installierte Leistung der EE zur Stromerzeugung 84,9 GW, wobei der Anteil an installierter PV-Leistung 36,3 GW und der installierte Anteil an Windenergie 34,6 GW (0,9 GW auf See) betrug. (UBA 2015) Somit ist deutlich zu erkennen, dass die beiden erneuerbare Energien Technologien, welche am stärksten für die Fluktuation im deutschen Stromnetz verantwortlich sind, bereits jetzt und auch in Zukunft den größten Anteil der erneuerbaren Energien einnehmen werden. Der Netzentwicklungsplan 2025 der Bundesnetzagentur sieht für das Jahr 2025 vier verschiedene und für das Jahr 2035 zwei verschiedene Szenarien vor, wie sich der deutsche Stromsektor hinsichtlich installierter Erzeugungsleistung, Nettostromverbrauch und Jahreshöchstlast entwickeln wird. Hier ist anzumerken, dass Pumpspeicherkraftwerke bereits mit 8,6 GW im Jahr 2025 und 12,7 GW im Jahr 2035 der installierten Leistung hinzugerechnet werden, und somit schon eine der in Kapitel 3 genannten Speichertechnologien in diesen Szenarien Anwendung findet. Diese vorläufigen Zahlen ergeben sich für das Jahr 2025 aus der Annahme, dass Pumpspeicherkraftwerke nur dann zugebaut werden, sofern ein Netzanschlussbegehren oder eine Netzanschlusszusage nach der Kraftwerks-Netzanschlussverordnung (KraftNAV) vorliegt (Bundesnetzagentur 2014). So soll dem rückläufigen Trend der Umsetzung geplanter Pumpspeicherkraftwerke gerecht werden. Für das Jahr 2035 unterstellen die Szenarien, dass sämtliche, der Bundesnetzagentur gemeldeten, geplanten Pumpspeicherkraftwerke umgesetzt werden. Die genauen Zahlen der entsprechenden Szenarien sind Tabelle 2 zu entnehmen. (Bundesnetzagentur 2014) Somit wird laut Netzentwicklungsplan 2025 der Anteil der erneuerbaren Energien an der installierten Erzeugungsleistung im Jahr % bis 67 % der gesamten Erzeugungsleistung und im Jahr % betragen. Der Anteil der erneuerbaren Energien am Bruttostromverbrauch liegt im Zielbereich des EEG Dabei wird

24 Rolle der Stromspeicher im zukünftigen Energiesystem 16 deutlich betont, dass die Kappung von Lastspitzen berücksichtigt wurde und die Ziele ohne eine solche Kappung nicht eingehalten werden können. (Bundesnetzagentur 2014) Installierte Erzeugungsleistung [GW] Energieträger Referenz 2013 Szenario A 2025 Szenario B Szenario B Szenario B Szenario B Szenario C 2025 Kernenergie 12,1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 Braunkohle 21,2 14,2 12,6 9,1 12,6 9,1 10,2 Steinkohle 25,9 25,8 21, , ,9 Erdgas 26,7 26,5 29,9 40,7 29,9 40,7 29,5 Öl 4,1 1,3 1,1 0,8 1,1 0,8 1,1 Pumpspeicher 6,4 8,6 8,6 12,7 8,6 12,7 8,6 sonstige konv. Erzeugung 4,7 3,2 3,1 3,1 3,1 3,1 3,1 Summe konv. Erzeugung 101,1 79,6 77,3 77,5 77,3 77,5 67,4 Wind Onshore 33, ,8 88,8 63,8 88,8 59 Wind Offshore 0,5 8,9 10,5 18,5 10,5 18,5 10,5 Photovoltaik 36,3 54,1 54,9 59,9 54,9 59,9 54,1 Biomasse 6,2 6,4 7,4 8,4 7,4 8,4 6,4 Wasserkraft 3,9 3,9 4 4,2 4 4,2 3,9 sonstige reg. Erzeugung 0,4 0,5 0,8 1,2 0,8 1,2 0,5 Summe reg. Erzeugung 81,1 126,8 141, , ,4 Summe Erzeugung 182,2 206,4 218,7 258,5 218,7 258,5 201,8 Nettostromverbrauch [TWh] Nettostromverbrauch 543,6 543,6 543,6 543,6 543,6 543,6 516,4 Jahreshöchstlast [GW] Jahreshöchstlast 82, ,8 Marktmodellierung Vorgaben zur Marktmodellierung Einhaltung einer max. CO₂- Emission von 187 Tonnen in 2025 Einhaltung einer max. CO₂- Emission von 134 Tonnen in 2035 Einhaltung einer max. CO₂- Emission von 187 Tonnen in 2025 Tabelle 2: Installierte Erzeugungsleistung, Nettostromverbrauch, Jahreshöchstlast und Vorgaben zur Marktmodellierung (Bundesnetzagentur 2014) Aufgrund des wachsenden Anteils an erneuerbaren Energien und der damit verbundenen Fluktuation im deutschen Stromnetz ist auch der Import und Export von Strom nicht zu vernachlässigen. Der Stromimport und -export kann damit als Flexibilitätsoption gegenüber der Errichtung von Stromspeichern angesehen werden. Der nachfolgenden Tabelle 3 sind die angestrebten Übertragungskapazitäten entsprechend dem Netzentwicklungsplan 2025 zu entnehmen. (Bundesnetzagentur 2014)

25 Rolle der Stromspeicher im zukünftigen Energiesystem BE CH CZ DK-O DK-W FR LU NL NO PL SE Von DE nach Von nach DE BE CH CZ DK-O DK-W FR LU NL NO PL SE Von DE nach Von nach DE Tabelle 3: Übertragungskapazitäten [MW] zw. DE und den angrenzenden Marktgebieten (Bundesnetzagentur 2014) Auch die Elektromobilität wird im zukünftigen deutschen Stromsektor eine Rolle spielen. Die aktuelle Bundesregierung verfolgt das Ziel, dass bis zum Jahr 2020 eine Millionen Elektroautomobile auf deutschen Straßen unterwegs sind. (Bundesregierung 2015) 4.2 Analyse der Stromspeicher In den folgenden Abschnitten werden die verschiedenen Speichertechnologien hinsichtlich ihres Potenzials für den allgemeinen und den deutschen Stromsektor analysiert. Des Weiteren soll auch auf die Probleme der einzelnen Speichertechnologien und ihr Entwicklungspotenzial eingegangen werden Batterien In Kapitel 3.1 wurden bereits einige Batteriesorten genannt, wobei dort nur auf die wieder aufladbaren Sekundärbatterien eingegangen wurde. Dies wird auch weiterhin der Fall sein, da Primärbatterien, welche nur eine einmalige Entladung der chemischen Energie erlauben, für den Stromsektor uninteressant sind. (Mahnke & Mühlenhoff 2012) Eines der bekanntesten Batteriesysteme ist die Blei-Säure-Batterie. In ihrer 150 Jahre langen Entwicklungsgeschichte wurde sie vor allem als Starterbatterie, Elektroantriebsbatterie und ortsfeste Batterie für die Notstromversorgung optimiert und ist der am Häufigsten eingesetzte Speicher außerhalb des sogenannten Consumerbereichs. Zurzeit erfährt sie wachsende Bedeutung im lokalen (~10 kwh) und dezentralen (~1 MWh) Speicherbereich. Für den lokalen Betrieb wurde die Blei-

26 Rolle der Stromspeicher im zukünftigen Energiesystem 18 Säure-Batterie speziell weiterentwickelt, sodass ein Inselbetrieb oder ein netzgekoppelter Betrieb möglich ist. (Sterner & Stadler 2014) Einer der wich-tigsten Gründe für die weite Verbreitung der Blei-Säure-Batterie ist ihr niedriger Preis (25 bis 300 /kwh (Diekmann & Rosenthal 2014; Mahnke & Mühlenhoff 2012)) im Vergleich zu anderen Batterietechnologien. Auch die Stromgestehungskosten liegen mit rund 37 ct/kwh unterhalb derer anderer Batterietechnologien. (Mahnke & Mühlenhoff 2012) Weitere Gründe sind die im Vergleich zu anderen Systemen hohe Nennspannung, die nahezu vollständige Recycelbarkeit, die hohe Lebensdauer im Ladeerhaltungsbetrieb (z.b. Einsatz als unterbrechungs-freie Stromversorgung USV), die hohe Sicherheit (Beck et al. 2013) und der vergleichbar geringe Wartungsaufwand (Sterner & Stadler 2014). Der ideale Energiegehalt einer Blei-Säure-Batterie beträgt 160 Wh/kg. Im realen System werden jedoch nur geringe Werte von 25 Wh/kg bis 40 Wh/kg erreicht, was einen Nachteil der Blei- Säure-Batterie darstellt. (Sterner & Stadler 2014) Weitere Nachteile sind ihre geringe Schnellladefähigkeit und ihre Empfindlichkeit gegenüber hohen Temperaturen. Auch die Lebensdauer wird bei starker zyklischer Belastung eingeschränkt. Diese liegt zwischen 300 und 1200 Zyklen. Die kalendarische Lebensdauer beträgt je nach Art der Anwendung bis zu 15 Jahre. (Beck et al. 2013) Durch verschiedene technologische Entwicklungen kann den genannten Nachteilen jedoch entgegengearbeitet werden. Somit könnten sie in Kombination mit den geringen Materialkosten, der Recycelbarkeit und der hohen Sicherheit ein hohes Potential für den Einsatz zur Bereitstellung von Primärregelleistung aufweisen. (Beck et al. 2013) Die Entladezeit beträgt, je nach geforderter Leistung, eine Stunde bis mehrere Tage. Blei-Säure-Batterien weisen einen Wirkungsgrad von 65 bis 90 % auf. Die Selbstentladerate wird mit 5 % pro Monat angegeben. (Mahnke & Mühlenhoff 2012) Auch die Nickelbatterie hat eine mehr als 100 Jahre lange Entwicklung hinter sich, mit dem Ziel eine höhere Energiedichte ( Wh/kg (Diekmann & Rosenthal 2014)) und Robustheit im Vergleich zur Blei-Säure-Batterie zu erreichen. Nickelbatterien gibt es in vielen Ausführungen, wobei in der praktischen Anwendung die Nickel-Cadmium- (NiCd) und die Nickel-Metall-Hydrid-Batterien (NiMH) am häufigsten zum Einsatz kommen. (Sterner & Stadler 2014) Das Inverkehrbringen von NiCd-Batterien wurde jedoch durch das europäische Parlament, auf Grund des als sehr giftig eingestuften Cadmiums, bis auf wenige Ausnahmen verboten. Somit wurden sie durch die NiMH-Batterien ersetzt. (Diekmann & Rosenthal 2014) Diese

27 Rolle der Stromspeicher im zukünftigen Energiesystem 19 wurden im Hinblick auf die Anwendung im Hochleistungsbereich entwickelt und kommen bereits in Hybridfahrzeugen erfolgreich zum Einsatz. (Sterner & Stadler 2014) NiMH-Batterien besitzen eine gute Schnellladefähigkeit, benötigen jedoch auch eine komplexe Ladeelektronik um die Leistungsfähigkeit vollständig ausschöpfen zu können. Zudem ist ihre Selbst-entladung hoch. (Diekmann & Rosenthal 2014) Die erreichte Zyklenlebensdauer der NiMH-Batterien ist sehr hoch (Sterner & Stadler 2014), jedoch reicht sie für den ökonomischen Betrieb stationärer Anlagen noch nicht aus (Beck et al. 2013). Eine Weiterentwicklung ist die Nickel-Zink-Batterie, die eine höhere Leistungsdichte, sowie eine höhere Nennspannung (1,74 V) besitzt. (Diekmann & Rosenthal 2014) Eine weitere, heute weit verbreitete Batterieart ist die Lithium-Ionen-Batterie (Li- Ionen). Unter diesem Begriff wird eine Reihe verschiedener Zellchemien zusammengefasst. (Sterner & Stadler 2014) Li-Ionen-Batterien befinden sich entwicklungstechnisch, verglichen mit Blei-Säure- oder nickelbasierten Batterien, in ihrer Anfangsphase. (Beck et al. 2013) Die spezifischen Energiedichten der praktisch genutzten Li-Ionen-Batterien liegen derzeit im Bereich von 95 Wh/kg bis zu 240 Wh/kg. (Mahnke & Mühlenhoff 2012) Die Entwicklung von Li-Ionen-Batterien wird besonders durch den Markt elektrisch angetriebener Fahrzeuge geprägt. Der im US-Staat Kalifornien ansässige Automobilhersteller Tesla Motors plant zum Ende des Jahres 2016 die Fertigstellung der Tesla Gigafactory, der größten Li-Ionen-Batteriefabrik der Welt. Mit dem Produktionsbeginn im Jahr 2017 soll eine Kostenreduktion der Batteriepakete von über 30 % erfolgen. Die Jahresproduktion der Gigafactory im Jahre 2020 (35 GWh/Jahr) soll die globale Jahresproduktion an Li-Ionen-Batterien des Jahres 2013 (34 GWh/Jahr) übersteigen. (Tesla Motors 2015) Diese Entwicklung wird einen erheblichen Einfluss auf die Preisentwicklung der Li-Ionen-Batterien haben. Derzeit beträgt der Preis der Li-Ionen-Batterien für elektrisch angetriebene Fahr-zeuge bei ca. 170 bis 180 /kwh. (Sorge & Eckl- Dorna 2014) Die Stromgestehungskosten betragen rund 132 ct/kwh. (Mahnke & Mühlenhoff 2012) Als Lebenszyklenzahl werden Werte zwischen 500 und 3000 Zyklen bei 80-prozentiger Entladung (Mahnke & Mühlenhoff 2012) und als Lebensdauer zwölf Jahre (Hartmann et al. 2012) angegeben. Li-Ionen Batterien besitzen mit 90 bis 95 % einen sehr hohen Wirkungsgrad und die Selbstentladungsrate beträgt lediglich 5 % pro Jahr. Die Entladezeit von Li-Ionen-Batterien beträgt, wie

28 Rolle der Stromspeicher im zukünftigen Energiesystem 20 auch schon bei den Blei-Säure-Batterien, eine Stunde bis mehrere Tage. Ein Nachteil der Li-Ionen-Batterien ist in ihrer Sicherheit zu sehen. In den vergangenen Jahren traten Probleme mit explodierenden Batterien auf, die sich zu stark erhitzten. Aus diesem Grund werden zum Betrieb der Li-Ionen-Batterien besondere Anforderungen an die Überwachungselektronik und an die Kühlung gestellt. Dies hat ebenfalls negative Auswirkungen auf den Systemwirkungsgrad der Li-Ionen-Batterie. (Mahnke & Mühlenhoff 2012) Die Natrium-Schwefel-Batterie (NaS) ist im Gegensatz zu den bisher vorgestellten Batterien ein Hochtemperatur-Akkumulator, dessen Betriebstemperatur zwischen 290 C und 360 C liegt. Während des Betriebs reicht die Reaktionswärme der NaS- Batterie zur Aufrechterhaltung der Temperatur aus, jedoch muss sie in ihrer Ruhephase elektrisch geheizt werden. (Diekmann & Rosenthal 2014) Dies hat wiederum Einfluss auf den Wirkungsgrad und die Selbstentladung. Je länger der Strom gespeichert wird desto höher sind die Wirkungsgradverluste. So liegt der tägliche Systemwirkungsgrad zwischen 70 und 75 %, während der wöchentliche Systemwirkungsgrad bei einer Unterstellung von zwei zyklenfreien Tagen in der Woche 65 bis 70 % beträgt. Die Selbstentladung entsteht durch den Strombezug zur Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur. (Sterner & Stadler 2014) Die Energiedichte von NaS-Batterien wird in der Literatur mit 130 Wh/kg (Diekmann & Rosenthal 2014) bis 210 Wh/kg (Sterner & Stadler 2014) angegeben. In der Praxis werden NaS- Batterien bereits zum Ausgleich zwischen Spitzen- und Grundlast im Netz eingesetzt. Die Projektanlage der Tokyo Electric Power Company weist bei einer Leistung von 6 MW und einer Speicherkapazität von 48 MWh spezifische Investitionskosten von 650 /kwh auf. Diese könnten sich innerhalb der nächsten zehn Jahre halbieren. (Diekmann & Rosenthal 2014) Bei der Redox-Flow-Batterie sind Energiewandler und Speicher räumlich getrennt. Leistung und gespeicherte Energiemenge können somit unabhängig voneinander dimensioniert werden. Die Kapazität ist abhängig von der Menge der ein-gesetzten Elektrolyten. Zum Betrieb der Redox-Flow-Batterie eignen sich besonders Vanadium-Redox-Paare. Die Zyklenanzahl von Vanadium-Redox-Flow-Batterien (VRF) ist mit über Zyklen sehr hoch. Der Wirkungsgrad einer VRF-Zelle beträgt zirka 90 %, verringert sich jedoch unter Berücksichtigung der beteiligten Nebenaggregate auf 70 bis 80 %. Ein zukünftiger Gesamtwirkungsgrad von 90 % scheint jedoch durchaus möglich zu sein. (Diekmann & Rosenthal 2014) Durch die

29 Rolle der Stromspeicher im zukünftigen Energiesystem 21 getrennte Speicherung der Elektrolyte existiert bei der VRF-Batterie praktisch keine Selbstentladung. Jedoch ist die Energiedichte des Akkumulators beschränkt. Sie beträgt 15 bis 25 Wh/kg bei der Verwendung von Schwefelsäure und lässt sich bei der Verwendung von Brom auf 25 bis 50 Wh/kg steigern. (Diekmann & Rosenthal 2014) Die Investitionskosten pro kwh sind vom eingesetzten Material abhängig. Sie liegen im Bereich von 100 bis /kwh. (Mahnke & Mühlenhoff 2012) Auch die Stromgestehungskosten variieren entsprechend des eingesetztem Materials und dessen Menge. Mahnke und Mühlenhoff (2012) geben diese exemplarisch mit 30,5 ct/kwh bei sechs Stunden Speicherkapazität und mit 101,5 ct/kwh bei 200 Stunden Speicherkapazität an. Trotz des weiten Fortschritts der Technologie besteht auch hier noch weiterer Forschungsbedarf, besonders hinsichtlich Wirkungsgradsteigerung und Kostenreduzierung. (Sterner & Stadler 2014) Blei-Säure- und Li-Ionen werden in Zukunft die niedrigsten Kosten im Batteriesektor aufweisen. Dies ist unter anderem auch der guten Recycelbarkeit dieser Batterien geschuldet, welche auch das ökologische Potenzial wiedergibt. Dennoch sind die Zyklenzahlen bei diesen Batterien, wie auch die Lebensdauer im Vergleich zu anderen Technologien eher gering. Der allgemeine Vorteil von Batterien besteht darin, dass ihr gewählter Standort nahezu unabhängig von geographischen Gegebenheiten ist. Auch ihr Wirkungsgrad ist, verglichen mit anderen Systemen, relativ hoch. Als potenzielle Anwendungsgebiete für Batterien werden in der Literatur immer wieder die Lastspitzenabdeckung, die Erbringung der Primärregelleistung und der Minutenreserve sowie die Schwarzstartfähigkeit genannt. (Mahnke & Mühlenhoff 2012; Diekmann & Rosenthal 2014; Sterner & Stadler 2014) Zudem könnten Batteriespeicher in Zukunft auch für abregelbare erneuerbare Energien Anlagen interessant werden. Bereits heute werden in Deutschland Batteriespeicher verwendet, um den Ertragsverlusten durch Abschaltungen durch den Netzbetreiber entgegenzuwirken. (Rentzing 2014) Auch ein neues Vergütungsmodell des EEG könnte den Ausbau von Batteriespeichern in der Zukunft vorantreiben. Hierbei könnten Arbitrageeffekte ausgenutzt werden, um z.b. den in der Mittagszeit günstigen Solarstrom zu speichern und zu späteren Zeitpunkten teurer zu verkaufen. Solche Maßnahmen würden auch zur Netzstabilisierung in solchen Hochlastzeiten beitragen. Dies ist jedoch eine Kostenfrage, die erst durch eine weitere Reduzierung der Batteriepreise beantwortet werden kann.