Thomas Bauer und K. Andreas Friedrich

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1 Energiespeichertechnologien - Forschung, Entwicklung und Anwendungsfelder für die Wirtschaft Thomas Bauer und K. Andreas Friedrich Institut für Technische Thermodynamik DLR-IHK Köln 14. November 2016

2 Folie 2 > DLR-IHK 2016> Bauer/Friedrich Das Institut für Technische Thermodynamik Institutsleitung: Prof. Dr. André Thess Stellvertretende Institutsleitung: Jörg Piskurek Systemanalyse & Technikbewertung Thermische Prozesstechnik Elektrochemische Energietechnik Computergestützte Elektrochemie Energiesystemintegration 180 MitarbeiterInnen in Stuttgart Köln Hamburg Ulm ca. 20 Mio. EUR Jahresbudget mit 50 % Drittmittelfinanzierung wissenschaftlicher Wegbereiter der Energiespeicherindustrie...

3 Folie 3 > DLR-IHK 2016> Bauer/Friedrich Abteilungen ECE und TPT Elektrochemische Energietechnik Entwicklung effizienter elektrochemischer Energiewandler: Batterien, Brennstoffzellen, Elektrolyseure Entwicklung künftiger Li-Batterien (Metall-Luft-/Lithium-Schwefel-Basis) Thermische Prozesstechnik Thermische und thermochemische Energiespeicherung für Kraftwerke und Industrieprozesse Thermomanagement im Verkehr Wärmeübertragung

4 Folie 4 > DLR-IHK 2016> Bauer/Friedrich Die Ziele des Energiekonzepts der Bundesregierung Treibhausgase (gegenüber 1990) Endenergieverbrauch (gegenüber 2008) Stromverbrauch (gegenüber 2008) Ziel in % Anteil Erneuerbarer in % Trend * bezogen auf Primärenergie Quelle: Craig Morris, Martin Pehnt (2012)

5 Folie 5 > DLR-IHK 2016> Bauer/Friedrich Energiespeicher - Multiple Lösungen für unterschiedliche Zeitskalen - Technologische Vielfalt zur Speicherung von - Strom elektrochemische Energiespeicher - Wärme thermische Energiespeicher - Stoffen chemische Energiespeicher Quelle: helmholtz.de - Unterschiedliche Charakteristika im Sinne von - Speicherdauer - Zyklenzahl und -dauer - Speicherkapazität - Be- und Entladeleistung Quelle: Linde

6 Folie 6 > DLR-IHK 2016> Bauer/Friedrich Elektrochemische Energiespeicher 1. Nutzung für mobile Anwendungen im Verkehr (Hybridfahrzeuge, Plug-in Hybride, Batteriefahrzeuge) 2. Nutzung als stationäre Energiespeicher zur Frequenzstabilisierung, zum Lastmanagement, als Notstrom- oder Pufferbatterie sowie in der Kopplung mit Erneuerbaren Herausforderungen: - Erhöhung der Energie- und Leistungsdichte - Verbesserung der Sicherheit - Erhöhung der Zyklenstabilität und kalendarischen Lebensdauer - Entwicklung industrierelevanter Fertigungsprozesse

7 Folie 7 > DLR-IHK 2016> Bauer/Friedrich Chemische Energiespeicher - Option zur Langzeitspeicherung von erneuerbarem Strom - Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien für bisher mit fossiler Primärenergie versorgte Anwendungen (Mobilität, Wärmeerzeugung, Chemie) Quelle: powertogas.info Herausforderungen: - Optimierung der Prozesse und Komponenten in Bezug auf Wirkungsgrad, Langzeitstabilität und Kosten - Anpassung der regulatorischen Rahmenbedingungen Quelle: keck-energie.de

8 Folie 8 > DLR-IHK 2016> Bauer/Friedrich Wasserstoff als Energievektor Energy infrastructure (PEM-) Electrolysis Methanisation Re-Electrification Industry + mobility Heat generation Gas infrastructure

9 Folie 9 > DLR-IHK 2016> Bauer/Friedrich Power-to-Gas Pilotanlagen in Deutschland

10 Folie 10 > DLR-IHK 2016> Bauer/Friedrich Wasserelektrolyse Elektrochemische Energiewandlung Strom Sauerstoff Wasser Wasserstoff

11 Folie 11 Lettenmeier Philipp PEM Elektrolyse Nutzen* Nachhaltiger Wasserstoff als Energieträger und Speicher Hohe Leistungsdichten, geringer Platzbedarf Einfaches und Sicheres Gesamtsystem Hochflexible Betriebsweise Herausforderungen* Teure Komponenten Hohe Katalysatorbeladung Benötigt seltene Edelmetalle (Iridium, Platin) Benötigt große Mengen an Titan. Relative hohe Überspannungen Korrosionsbeständigkeit Hydrogenics *M. Carmo, D. L. Fritz, J. Mergel and D. Stolten, Int. J. Hydrogen Energy, 2013, 38,

12 Folie 12 > DLR-IHK 2016> Bauer/Friedrich Wasserstoffinfrastruktur Stuttgart-Talstraße

13 Folie 13 > DLR-IHK 2016> Bauer/Friedrich Wasserstoffinfrastruktur Stuttgart-Talstraße Niederdruck- Speicher Hochdruck- Speicher Wasserstoff -Tankstelle Gaskessel

14 Folie 14 > DLR-IHK 2016> Bauer/Friedrich DLR 50kW PEM Elektrolyseur Systemauslegung: 50 kw el mit H 2 Produktionsrate von 7.5 Nm³/h Short-Stack: 6 Zellen à 1500 cm² Betriebstemperatur: 55 C (bis zu 65 C) Betriebsdruck: 8-20 bar Containerintegration (40-fuss Container)

15 Folie 15 > DLR-IHK 2016> Bauer/Friedrich Der Standort als Forschungsplattform Technologiekopplung von Alkalischer und PEM Elektrolyse Dynamische Betriebsführung; Synergien aus beiden Technologien? Technische und Technologische Anforderungen für Elektrolyseure als Netzdienstleister Forschungs- und Testplattform für Zellkomponenten mit aktiven Flächen bis 1500cm² Untersuchung unterschiedlicher Wasserstoff-speichertechnologien inkl. Gasnetzeinspeisung

16 Folie 16 > DLR-IHK 2016> Bauer/Friedrich Wasserstoff Nutzung? Source: KBB Source: ThyssenKrupp Source: ExzellenzNRW Source: SSB

17 Folie 17 > DLR-IHK 2016> Bauer/Friedrich Kostenstruktur für Wasserstoffherstellung mittels Elektrolyse Spez. H 2 Kosten der PEM-Elektrolyse Gesetzliche Rahmenbedingungen Wettbewerbsfähige Kosten Anerkennung von Wasserstoff aus EE auf die Biokraftstoffquote Anreizsysteme zur CO 2 - Vermeidung Studie PlanDelyKad 2014,

18 Folie 18 Lettenmeier Philipp Möglichkeiten der Kostenreduktion bei Komponenten PEM Elektrolyse Anode Katalysator VPS gesprühte Stromkollektoren Korrosionsschutzschicht OER HOR MPL CC Ti Nb Degradationsuntersuchung und Modellierung

19 DLR.de Folie 19 > Seitz TES für Industrieprozesse > Industrielle Prozesse Industrieller Prozess

20 DLR.de Folie 20 > Seitz TES für Industrieprozesse > Industrielle Prozesse Integration thermischer Speicher Stoffströme Wärmeübertragungsfluid Thermisches Energie- Speicher System Industrieller Prozess

21 DLR.de Folie 21 > Seitz TES für Industrieprozesse > Nutzen für den Prozess Stoffströme + Energieeffizienz + Flexibilität = Produktqualität Wärmeübertragungsfluid Thermisches Energie- Speicher System Industrieller Prozess

22 DLR.de Folie 22 > Seitz TES für Industrieprozesse > Welcher Speicher passt zu welcher Anwendung? Stoffströme Sensibel Hoch Latent Temperatur Thermochemisch Wärmeübertragungsfluid Niedrig Speichertechnologien Industrielle Anwendungen

23 DLR.de Folie 23 > Seitz TES für Industrieprozesse > Welcher Speicher passt zu welcher Anwendung? Stoffströme Sensibel Prozessanalyse Hoch Latent Temperatur Thermochemisch Funktionalität Wärmeübertragungs- im Prozess fluid Niedrig Speichertechnologien Industrielle Anwendungen

24 DLR.de Folie 24 > Seitz TES für Industrieprozesse > Hochtemperatur-Prozesse Feststoffspeicher Einsatz als Winderhitzer seit den 1860 ern Kurze Zyklenzeiten von min Temperaturen über 1000 ºC Funktionalität als Regenerator Quelle: fotos.sc Cowper-Speicher Hochofenprozess (Stahlerzeugung)

25 DLR.de Folie 25 > Seitz TES für Industrieprozesse > Neue Ansätze Feststoffspeicher Von der Testanlage zum kommerziellen Produkt HOTEG-Anlage Source: Storasol CellFlux-Anlage

26 DLR.de Folie 26 > Seitz TES für Industrieprozesse > Hochtemperatur-Prozesse Flüssigsalz Regelbarer Strom aus Solarenergie seit den 1970 ern 10 h Speicher mit t Solarsalz Temperaturen ºC Funktionalität als großskaliger Stundenspeicher mit 1,1 GWh Quelle: solarreserve.com 2-Tank-Speicher Solarthermische Kraftwerke

27 DLR.de Folie 27 > Seitz TES für Industrieprozesse > Neue Ansätze Flüssigsalz Abwärmenutzung im Elektrostahlprozess 2-Tank-Flüssigsalzspeicher 10 MW, 5.3 MWh ca. 70 t Hitec-Salz, T m = ºC Ziel: Effizienzsteigerung und Stromerzeugung Quelle: BSW

28 DLR.de Folie 28 > Seitz TES für Industrieprozesse > Dampfbereitstellung Gleitdruckspeicher Einsatz in der Prozessindustrie Bereitstellung von gesättigtem Dampf Temperaturen bis 140 ºC Verwendung als Leistungsspeicher Quelle: Siemens Ruth s-speicher Prozessindustrie

29 DLR.de Folie 29 > Seitz TES für Industrieprozesse > Neue Ansätze Latentwärmespeicher Dampfbesicherung für ein Folienwerk Hochleistungs-Latentwärmespeicher 6 MW, 1.5 MWh Ca. 30 t NaNO 3, T m = 306 ºC Ziel: Brennstoffeinsparung und Prozess-Flexibilisierung

30 DLR.de Folie 30 > Seitz TES für Industrieprozesse > Neue Ansätze Thermochemische Speicher Lösungen mit Kalk Kostengünstiges Speichermaterial Hohe Speicherdichte Verlustfreie Speicherung Entkopplung von Leistung und Kapazität Möglichkeit zur Aufwertung von industrieller Abwärme durch Wärmetransformation

31 DLR.de Folie 31 > Seitz TES für Industrieprozesse > Energiespeicher - Zusammenfassung Energiespeicher können als Querschnittstechnologie erhebliche Beiträge in einem neuen Energiesystem leisten Für die erfolgreiche Umsetzung ist Forschung vom Material, über die Komponente bis zur Integration erforderlich Quelle: helmholtz.de Einige Energiespeicher sind bereits kommerziell und ökonomisch darstellbar, wobei zukünftig eine breitere Vielfalt an Technologien für das Gelingen der Energiewende notwendig ist Quelle: Linde

32 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Institut für Technische Thermodynamik Tel Tel