STROM ZUR RECHTEN ZEIT AM RECHTEN ORT

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1 TOPIC 3: ENERGIESPEICHERUNG UND ENERGIEVERTEILUNG Überspannungstest: Leistungsschalter mit Federspeicherantrieb für 550 kv in einem Hochspannungsprüffeld. STROM ZUR RECHTEN ZEIT AM RECHTEN ORT Dezentrale Einspeisung und die Integration erneuerbarer Energien sowie steigende Anforderungen an Effizienz und Klimaschutz bedingen Strukturveränderungen im Stromnetz. Am KIT-Zentrum Energie entstehen innovative Lösungen, die sicherstellen, dass Strom stets da verfügbar ist, wo er gebraucht wird wirtschaftlich und nachhaltig. 16

2 Energie speichern heißt, sie für eine spätere Nutzung bereithalten. Wenn das Speichern der gewünschten Energieform wegen geringer Kapazität oder niedrigem Wirkungsgrad ungünstig ist, wird eine andere Energieform gespeichert und bei Bedarf umgewandelt. So speichert eine Batterie chemische Energie und wandelt sie beim Entladen in elektrische Energie um. Energieverteilung dient dem Transport von Energie über Leitungsnetze vom Anbieter zum Verbraucher. Supraleitende Strombegrenzer Ein wegweisendes Betriebsmittel in der Versorgung mit elektrischer Energie ist der supraleitende Strombegrenzer. Sein Funktionsprinzip ist denkbar einfach: Ein Supraleiter kann als solcher Ströme nur bis zu einem Höchstwert tragen. Bei einem höheren Strom geht er in einen normal leitenden Zustand mit entsprechendem Widerstand über. Im regulären Netzbetrieb trägt der Supraleiter den Strom mit geringen Verlusten; kommt es aber zu einem Kurzschluss und steigt der Strom rasch über den vom Supraleiter tragbaren Wert, entsteht ein hoher Widerstand im Netz. So wird der Strom begrenzt, eine Überlastung wird vermieden und andere Netzelemente werden geschont. Mithilfe von supraleitenden Strombegrenzern lassen sich Netze ganz neu Forschungsarbeiten am KIT-Zentrum Energie befassen sich vor allem mit der Speicherung und Verteilung von elektrischer Energie sowie mit dem Energiespeicher Wasserstoff. Es geht darum, ökonomisch und ökologisch sinnvolle Energiespeichermöglichkeiten zu entwickeln und die Energieverteilung noch zuverlässiger, wirksamer und wirtschaftlicher zu machen. Die Arbeiten gliedern sich in fünf Forschungsfelder: supraleitende Komponenten, Betriebsmittel für elektrische Netze, intelligente Stromnetze/ Smart Grids, Batterien, Wasserstoff als Energiespeicher. Supraleitende Komponenten Die Supraleitung gehört zu den Schwerpunkten der KIT-Energieforschung. Ziel ist, Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) für den großtechnischen Einsatz weiterzuentwickeln, das heißt ihre Eigenschaften zu verbessern, was Herstellbarkeit, mechanische Verformbarkeit, Magnetfeldempfindlichkeit und Wechselstromverluste betrifft, sowie die Kosten zu senken. Supraleitende Komponenten können in Energienetzen verschiedene Funktionen erfüllen. Beim Übertragen und Verteilen elektrischer Leistung beispielsweise bieten supraleitende Kabel eine höhere Leistungsdichte und verringern Wärmeverluste. Dadurch steigern sie nicht nur die Energieeffizienz, sondern reduzieren auch die Emission von Schadstoffen und tragen damit zum Klimaschutz bei. Dem Kurzschluss keine Chance: Dieser zu einer Spule gewickelte Hochtemperatur-Supraleiter dient als Komponente eines Strombegrenzers, der Stromversorgungsnetze gegen Kurzschlüsse schützt. Supraleiter Bei Supraleitern handelt es sich um Materialien, die unterhalb einer bestimmten Temperatur ihren elektrischen Widerstand verlieren. Dies ermöglicht es, Strom zu leiten, ohne dass wegen elektrischen Widerstands ein Teil der elektrischen Energie in Wärme gewandelt wird und somit für die Nutzung verloren geht. Die Temperatur, unter der die Supraleitung einsetzt die so genannte Sprungtemperatur, hängt vom Material ab. Tieftemperatur-Supraleiter müssen mit flüssigem Helium bis auf etwa minus 269 C abgekühlt und in speziellen wärmeisolierenden Behältern betrieben werden, um supraleitend zu wirken. Sie werden vor allem in der Medizintechnik verwendet, besonders bei der Kernspintomographie. In der Energietechnik lassen Tieftemperatur-Supraleiter sich für supraleitende Magneten von Kernfusionsreaktoren einsetzen. Hochtemperatur-Supraleiter sind keramikartige Materialien, die sich bereits bei Temperaturen von etwa minus 196 C supraleitend betreiben lassen. Die Kühlung lässt sich daher mit flüssigem Stickstoff relativ einfach und preisgünstig bewerkstelligen. Hochtemperatur-Supraleiter können in elektrischen Maschinen, Transformatoren und magnetischen Energiespeichern, für Leistungskabel und Strombegrenzer eingesetzt werden. 17

3 TOPIC 3: ENERGIESPEICHERUNG UND ENERGIEVERTEILUNG Stabilisierung von Frequenz und Spannung. Andererseits altern Teile der Stromnetze, und neue zu errichten ist wegen des hohen Zeit- und Kostenaufwands nicht immer vertretbar. In diesem Forschungsfeld geht es zunächst um Asset Management, das heißt darum, vorhandene Netze instand zu halten und die Qualität der Stromversorgung zu sichern. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am KIT befassen sich mit Alterungsmechanismen bei Isolier-systemen, mit der Zustandsdiagnostik der Betriebsmittel und mit unterschiedlichen Asset-Management-Strategien. Kryogene Wasserstoff-Freistrahlen: (von links nach rechts) Laserschnittbild eines ungezündeten turbulenten Wasserstoffstrahls, Schlierenaufnahme eines gezündeten sowie Infrarotbild eines brennenden Wasserstoffstrahls. dimensionieren, Teilnetze zusammenschalten und offene Netzknotenpunkte schließen, ohne dass hohe Investitionen erforderlich sind. Auch können supraleitende Strombegrenzer Energie einsparen, beispielsweise dadurch, dass weniger verlustbehaftete Transformatoren erforderlich sind oder dass die Netze vermaschter betrieben werden können. Betriebsmittel für elektrische Netze Gerade in Europa gehen immer mehr dezentrale Stromerzeuger ans Netz. Auch wird zunehmend Strom aus Quellen wie Sonne und Wind eingespeist, die Schwankungen unterworfen sind. Daher steigen die Anforderungen an die Zugleich entwickeln die Karlsruher Forscher neuartige Betriebsmittel wie verlustarme Leiter, supraleitende Strombegrenzer und supraleitende magnetische Energiespeicher (SMES) sowie neuartige Isoliermaterialien auf der Grundlage nachwachsender Rohstoffe. Um die Energieübertragung zu flexibilisieren, etwa vorhandene Leitungen besser auszulasten, werden bereits heute vereinzelt Flexible AC Transmission Systems (FACTS) in Stromnetzen eingesetzt. FACTS bestehen aus modernen Wechselrichtern, die den Leistungsfluss in Hochspannungsnetzen steuern sowie Verluste, Blindleistung und Oberschwingungsgehalte beeinflussen. Transformatorenwerk von Siemens in Nürnberg: Zu sehen ist ein Aktivteil eines 297-MVA-Umrichter-Transformators (550 kv) für ein HGÜ-Projekt in China vor dem Trocknungsofen. 18

4 Bündelung: Die Aufnahme zeigt eine Zwischenstufe eines Magnesiumdiborid-Supraleiters während der Herstellung mit der so genannten Pulver-in-Rohr-Technik. Intelligent: Mit solchen Stromzählern können Kunden ihren Verbrauch gezielt steuern. FACTS einzurichten ist deutlich weniger zeit- und kostenaufwendig als neue Hochspannungsleitungen zu bauen. Bei der Übertragung über große Entfernungen ist die Hochspannungs- Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) der herkömmlichen Drehstromübertragung vorzuziehen. HGÜ wird aber nicht nur für lange Freileitungen und Kabel, besonders Seekabel, sondern auch zur Kopplung von Wechselstromnetzen mit unterschiedlichen Frequenzen oder von nicht synchron zueinander arbeitenden Stromnetzen eingesetzt. Auch unter stark schwankender Erzeugung etwa bei Einspeisung von Strom aus Sonne oder Wind hält HGÜ das Netz stabil. Intelligente Stromnetze Die Aufrüstung konventioneller Netze allein reicht allerdings langfristig nicht aus, um eine sichere und effiziente Stromversorgung zu gewährleisten. Neue Erzeugerstrukturen erfordern neue Netzstrukturen auf allen Spannungsebenen des Verbundnetzes. Dabei sind Großkraftwerke als zentrale Erzeuger ebenso zu berücksichtigen wie die zunehmend zu erwartenden dezentralen kleinen Erzeuger. In Zukunft sollen intelligente Stromnetze, so genannte Smart Grids, eine dezentrale Energieerzeugung in großem Maßstab ermöglichen. Smart Grids bedeutet unter anderem, Stromnetze mit moderner Informationsund Kommunikationstechnologie zu verbinden. So lassen Angebot und Nachfrage sich nach technischen und ökonomischen Gesichtspunkten großflächig abgleichen. Versorger können dadurch flexibel auf verändertes Verbraucherverhalten reagieren; Kunden können dank intelligenter Stromzähler ihren Verbrauch in Echtzeit Spannungsebenen kontrollieren und gezielt steuern. Vorstellbar ist auch, dass Energieversorgungsunternehmen einzelne Verbraucher in einem gemeinsam mit diesen festgelegten Umfang zu- oder abschalten, um Engpässe zu überbrücken oder aber Überangebote sinnvoll zu nutzen. Zudem bedeutet Smart Grids, Stromnetze mit moderner Leistungselektronik auszustatten. Denkbar sind auch ganz neu aufgebaute Netze. Beispielsweise untersuchen die Forscherinnen und Forscher am KIT- Stromnetze unterscheiden sich nach der Spannung, bei der sie Strom übertragen. Für Westeuropa sind die Höchst-, Hoch- und Niederspannung weitgehend standardisiert, nicht aber die Mittelspannung, da noch viele alte Erdkabel mit unterschiedlicher Spannung verlegt sind. Höchstspannungsnetz: Übertragungsnetz; verteilt die von Kraftwerken eingespeiste Energie landesweit an Transformatoren und ist an das internationale Verbundnetz angeschlossen. Hochspannungsnetz: Netz zur groben Verteilung von Energie; Leitungen führen in verschiedene Regionen und Ballungszentren sowie zu Großabnehmern, etwa in der Industrie. Mittelspannungsnetz: Netz zur Verteilung des Stroms an die Transformatorstationen des Niederspannungsnetzes oder an größere Abnehmer wie Unternehmen, Schulen und Behörden. Niederspannungsnetz: Netz zur Feinverteilung an Haushalte, Betriebe, Gewerbe und Verwaltungseinrichtungen. 19

5 TOPIC 3: ENERGIESPEICHERUNG UND ENERGIEVERTEILUNG verfolgen einen ganzheitlichen Ansatz, der sämtliche Komponenten einer Batterie einschließt und die gesamte Wertschöpfungskette von Materialien über Prozesse bis hin zu Komponenten und Gesamtsystemen betrachtet. Ein Schwerpunkt liegt auf der Materialforschung, da nanoskalige Materialien einen technologischen Durchbruch bei der Steigerung der Leistung von Lithiumionen- Batterien versprechen. Derzeitige Forschungsvorhaben beziehen sich vor allem auf Materialien für die Elektroden Anode und Kathode, ferner auf Elektrolyte, Interfaces und Systemaufbau. Blick in die Ventilhalle der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-Station Moyle/Nordirland. Wasserstoff als Energiespeicher Zentrum Energie, ob und wo sich ein übergeordnetes Hochspannungs-Gleichstrom- Netz mit HGÜ-Technologie lohnen würde. Kriterien, neue Netzstrukturen zu bewerten, sind einerseits die entstehenden Kosten, andererseits die eingesparten Wirkleistungsverluste und die dadurch vermiedenen CO 2 -Emissionen sowie die Vorsorgungssicherheit. Batterien stehen Lebensdauer und Zyklenfestigkeit sowie Sicherheitsaspekte im Fokus der Entwicklung. Lithiumionen-Batterien mit nanoskaligen Materialien Die Arbeiten fokussieren auf Hochleistungsbatterien für mobile und stationäre Anwendungen. Die Forscher Wasserstoff bildet im KIT-Zentrum Energie ein Querschnittsthema, das in mehreren Topics bearbeitet wird. Um Wasserstoff als Energiespeicher im stationären wie auch im mobilen Bereich einsetzen zu können, sind noch verschiedene technische Probleme zu lösen, auch und vor allem bei der Speicherung. Die Karlsruher Wissenschaftler entwickeln als Alternative zur Druck- oder Tieftemperaturspeicherung neuartige Feststoffspeicher Energiespeicher werden die Zukunft der Energieversorgung wesentlich prägen. Große Batterien sollen Schwankungen bei Einspeisung und Nachfrage ausgleichen und helfen, Stromnetze zuverlässiger und wirtschaftlicher zu betreiben. Dadurch lassen sich auch erneuerbare Energien wie Sonne und Wind breiter nutzen. Autonome Energieversorgungszentren können ebenso entstehen wie dezentrale Versorgungssysteme, die auf Energiespeicherung angewiesen sind. Das KIT-Zentrum Energie erforscht innovative Technologien für elektrische und elektrochemische Energiespeicher. Im Bereich der Doppelschichtkondensatoren untersuchen die Wissenschaftler neue, nanoskalige Elektrodenkonzepte und darauf basierende Supercaps. Neben der Kapazität Brennstoffzellenforschung: Charakterisierung nanoskaliger Funktionsschichten für die Hochtemperatur-Brennstoffzelle SOFC. 20

6 mithilfe der Nanotechnologie. Diese Nanokomposite zeichnen sich durch eine hohe Speicherkapazität sowie kurze Be- und Entladungszeiten aus. Bei der Herstellung wird Natriumaluminiumhydrid, das als derzeit leistungsfähigster Wasserstoffspeicher gilt, mit maßgeschneiderten Titan-Nanopartikeln vermischt, die als Katalysatoren fungieren. Fahrzeuge, die mit Brennstoffzellen ausgerüstet sind und mit Wasserstoff fahren, sollen dank dieser Nanokomposite künftig schneller zu betanken sein und höhere Leistungen bringen. Zur Wasserstoffherstellung aus nachwachsenden Rohstoffen, konkret aus grüner Restbiomasse, wird am KIT die Anwendbarkeit der hydrothermalen Vergasung erforscht und die eigens entwickelte Technikumsanlage VERENA 1 betrieben. Energiespeicher Batterie Eine Batterie ist ein elektrochemischer Energiespeicher. Bei der Entladung wird gespeicherte chemische Energie durch die elektrochemische Redoxreaktion in elektrische Energie umgewandelt. Die Kapazität einer Batterie beziehungsweise ihre volumen- und gewichtsbezogene Kapazitätsdichte ist eine Kenngröße, die ihre Fähigkeit angibt, Ladung zu speichern. Von Interesse für Elektro- und Hybridfahrzeuge wie auch zur Speicherung regenerativ erzeugter elektrischer Energie sind wiederaufladbare Sekundärbatterien, das heißt Akkumulatoren. Bei diesen ist die Redoxreaktion umkehrbar, was eine mehrfache Umwandlung von chemischer in elektrische Energie und zurück ermöglicht. Die höchsten Zellspannungen und Kapazitätsdichten werden mit Lithiumionen- Batterien erreicht. Kondensator Ein Kondensator speichert elektrische Energie rein physikalisch. Im Prinzip besteht er aus zwei flächigen Stromleitern, den Elektroden, die durch einen Isolator, das Dielektrikum, voneinander getrennt sind. Wird eine Spannung an die Elektroden angelegt, führt dies zu einer Ladungstrennung. Über dem Dielektrikum baut sich ein elektrisches Feld auf. Im Vergleich zu Batterien weisen Kondensatoren eine wesentlich niedrigere Kapazitätsdichte auf. Ein Vorteil von Kondensatoren ist ihre Fähigkeit, die gespeicherte Energie innerhalb sehr kurzer Zeit aufzunehmen und abzugeben und dabei eine hohe elektrische Leistung umzusetzen. Hohe Kapazitätsdichten, die für den Einsatz in Fahrzeugantrieben und schnellen Energiespeichern für die Netzstabilisierung erforderlich sind, können mit Doppelschichtkondensatoren (Supercaps) erreicht werden. Ihre hohe Kapazität basiert auf der Ladungstrennung über eine elektrische Doppelschicht an der Grenzfläche zwischen einem flüssigen Elektrolyten und den Elektroden. Hybridkondensator Diese hybriden Bauformen sollen die positiven Eigenschaften des Doppelschichteffekts (hohe Leistungsdichte) und der Redoxreaktion (hohe Kapazitätsdichte) miteinander vereinen. 21