Regenerative Energiesysteme und Speicher

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1 Regenerative Energiesysteme und Speicher Wie lösen wir das Speicherproblem? Robert Schlögl Fritz-Haber-Institut der MPG 1

2 Einige Grundlagen Atomausstieg ist ein kleiner Teil der Energiewende. Sie kommt unweigerlich durch Rohstoff- und Klimawandel. Energiewende ist nicht Strom alleine: systemischer Ansatz. Konzepte und Technologien durch Forschung. Rahmenbedingungen durch Politik und Gesellschaft. Umsetzung durch Industrie. Alle Beteiligten sollten gemeinsam planen und handeln 2

3 Energieversorgung: Ein System Wasser Wind PV Fossile Träger Gas Kohle Öl Pflanzenwachstum Biomasse Kernspaltung Verteil System Verbrennung CO 2 Speicher Elektrizität Mobilität Transport Wärme Prozesse Batterie Kraft-Wärme-Kopplung 3

4 Stromversorgung in Zahlen (D, 2009) 159 GW /594 TWh Erzeugte Energie Quelle: Daten BMWI 4

5 Stromversorgung in Zahlen (D, 2009) 159 GW /594 TWh Installierte Erzeugte Kapazität Energie Quelle: Daten BMWi Quelle: Daten BMWI 5

6 Stromversorgung in Zahlen (D, 2009) 159 GW /594 TWh Erzeugte Installierte Energie Kapazität Quelle: Daten BMWi Quelle: Daten BMWI 6

7 Die Perspektive Energiewende nur ein Anschub für einen grundlegenden Umbau des Energiesystems: Verfügbarkeit von Energieträgern (fossil, nuklear) Nachhaltigkeit der Gewinnung und Nutzung (Klima, Natur) Energiesparen, aber richtig (in D schon gut entwickelt). Solare Energie auf jeden Fall ausreichend: 0.17% des Sonneneinfalls für die Welt genug Biomasse (250TW) für Nahrung reservieren (25TW) Hauptmenge physikalisch gewinnen Das Speicherproblem 7

8 2 Wege, ein Ziel: Energiespeicherung aus der Sonne Das künstliche Blatt CO2 N2 HxOyCz NH3 H 2 O 2H 2 O 2 cat anode Solar PV & membrane H 2 cat cathode O 2 4H + 8

9 2 Wege, ein Ziel: Energiespeicherung aus der Sonne Das regenerative Elektrizitätswerk 9

10 Energiespeicher: Viele Verfahren Wir brauchen sie alle! Nicht alle Verfahren sind heute möglich Unterschiedliche Verfahren für unterschiedliche Zwecke 10

11 Chemische Energiespeicherung Gleich in Natur und Technik Energie Verluste Die Kunst ist die Verluste zu minimieren ohne die Stabilität zu verkleinern Katalyse Methanol (Zucker) Stabilität Speicherung Wasser Freisetzung CO 2 Reaktion Reaktion 11

12 Chemische Energiespeicherung Ohne sie keine vollwertigen regenerativen Energiesysteme wind energy photons CSP photons catalyst H 2 O C x H y H 2 O electrolysis charge separation proton reduction photons catalyst H 2 O CSP H 2 O M x O y M x O y O mineral carbon CO 2 pool combustion solar hydrogen bulk storage and transport biomass water and land CO N 2 sugars CH 3 OH C n H 2n+2 C n O m H 2n+1+m NH CH 3 4 chemicals gasoline C n H 2n solar fuels RS: Angew. Chem

13 Power to gas: Forschung oder Technik? wind solar PV conventional user user CCU e H2 e H2 e H2 e H2 e H2 e H2 CO 2 e H2 e H2 pressure storage combustion pressure storage H 2 CH 4 CCU CH 4 e - user H 2 CH 4 CH 4 e - gas pipeline, storage gas pipeline, storage user 13

14 Elektrolyse: Stabil ohne Platin: geht das? Fraction / % Fraction / % Fraction / % Mn 2+ Mn 3+ Mn 4+ i-mno x /MWCNT ox Mit P. Strasser, TUB s-mno x s-mno x /MWCNT ox Temperature / C (a) (b) Mn 2+ Mn 3+ Mn 4+ (c) Mn 2+ Mn 3+ Mn 4+ Nano- Mn 2 O 3 made electrically contacted by functionalized CNT 14

15 Elektrolyse: Stabil ohne Platin: geht das? electrical current lead reaction centre Mit P. Strasser, TUB Nano- Mn 2 O 3 made electrically contacted by functionalized CNT 15

16 Batterien: Optimierung oder neue Konzepte? Tarascon et al., Nature 1414 (2001) 359 mit M. Antonietti und J. Maier

17 Batterien: Optimierung oder neue Konzepte? LiFePO 4 Used Oxide (011) 0.37 nm) Tarascon et al., Nature 1414 (2001) 359 mit M. Antonietti und J. Maier

18 Batterien: Nanotechnologie mit System

19 Batterien: Nanotechnologie mit System

20 Die Zeit: Ganzheitlich verschlafen oder hektisch verspielen? 20

21 Wie lösen wir das Speicherproblem? Es gibt keine einzelne Lösung Es gibt heute skalierte mechano-thermische Lösungen, welche die Verträglichkeit regenerativer mit fossilen Stromquellen verbessern. Chemische Energiespeicherung ist eine nachhaltige Langfrist- Lösung für Strom- und andere Endenergieanwendungen. Power-to-gas ist eine erste Implementierung. Sehr hilfreich wären: Nicht-ausschließliche Fixierung auf Wirkungsgrad Experimentell bewiesene Einschätzungen der Technologien Mehrere sinnvolle Geschäftsmodelle Das Speicherproblem ist zentral aber kein Grund, die Energiewende zu zerreden 21

22 Finale: Eine Langfristoption Maximaler Erhalt der Infrastruktur No regret Aktionen Dynamischer Planungsprozess Sichere Randbedingungen 22

23 Dem Anwenden muss das Erkennen vorausgehen Max Planck Danke 23