Energiespeicherung Karsten Müller Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg 10. Februar 2014 1
Fluktuierende Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Quelle: http://www.eike-klima-energie.eu/news-cache/windkraftstrom-spiegel-wind-ei-der-woche-trotz-harter-fakten-keine-substanz/ Erneuerbare Energien sind stark vom Wetter abhängig Energie- erzeugung und verbrauch passen zeitlich nicht zusammen Motivation 2
Anforderungen an Speichertechnologien Ausreichende Verfügbarkeit Niedrige Kosten - Investitionskosten - Betriebskosten Geringe Verluste - hoher Wirkungsgrad - geringe Lagerungsverluste Umweltverträglichkeit / Sicherheit / Öffentliche Akzeptanz Hohe Speicherdichte Ausreichende Geschwindigkeit der Bereitstellung - schnelle Einspeicherung - schnelle Ausspeicherung Transportfähigkeit Speichertechnologien 3
Verfügbare Speichertechnologien für elektrische Energie Pumpspeicher Druckluftspeicher Schwungräder Kondensatoren Wärmespeicher mit gekoppelter Energiewandlung Wiederaufladbare Batterien Redox-Flow-Batterien Elektrolyse von Wasser - Lagerung elementaren Wasserstoffs - irreversible Umwandlung - reversible Umwandlung Andere chemische Speichertechnologien Speichertechnologien 4
Auswahl der Speichertechnologie Unterschiedliche Anwendungsfälle Unterschiedliche Technologien Grundtypen von Anwendungen: Kurzzeit Langzeit Netzdienstleistung Speicherung mobil stationär Wärme Elektrizität Quelle: 2012 E-Cat Conference Report: 1 MW E-Cat Ready Anforderungen 5
Wärmespeicher II. Hauptsatz der Thermodynamik: Wärme und Elektrizität sind nur eingeschränkt konvertibel Unterschiedliche Speichertechnologien für Wärme Speicherdichte Sensible Wärme Latentwärmespeicher Reaktionswärme Einfachheit der Anwendung Sensible Wärme: z.b. Wasser Latente Wärme: Phasenwechsel (Phase Change Materials; PCM) Reaktionswärme: z.b. CaCO 3 CaO + CO 2 Exkurs: Wärmespeicher 6
Anforderungen 7
Pumpspeicher Potentielle Energie von Wasser wird gespeichert Wirkungsgrad: 70-90% Vorteile: Geringe Verluste Niedrige Kosten Problem: Verfügbarkeit Speicherdichte nicht transportabel Speicherung fluktuierender Erzeugung Notreserve Beispiele für Energiespeicher 8
Druckluftspeicher Volumenarbeit des komprimierten Gases Wirkungsgrad: 54-85% Problem: Verfügbarkeit nicht transportabel Akzeptanzprobleme Speicherung fluktuierender Erzeugung Beispiele für Energiespeicher 9
Schwungradspeicher Kinetische Energie des Schwungrads dient als Speicher Wirkungsgrad: 85-95% Problem: Sicherheit bei Bruch Drehimpulserhaltung Netzdienstleistung Beispiele für Energiespeicher 10
Wiederaufladbare Batterien Ionisationsenergie wird als Speicher verwendet Wirkungsgrad: 65-90% Vorteile: direkte Gewinnung elektrischer Energie Mobile Kleinanwendungen (Handy, Notebook, etc.) Eingeschränkt für mobile Großanwendungen (PKW) Eingeschränkt als Netzdienstleister Problem: Verfügbarkeit von Rohstoffen Speicherdichte Dauerstabilität Beispiele für Energiespeicher 11
Redox-Flow-Batterien Ionisationsenergie wird als Speicher verwendet; Trennung von Elektrode und Elektrolyt Wirkungsgrad: 76-89% Vorteile: direkte Gewinnung elektrischer Energie große Tanks verwendbar Problem: Verfügbarkeit von Rohstoffen Entwicklung nach am Anfang Pufferung von schwankender Produktion Beispiele für Energiespeicher 12
Wie speichert man Energie über lange Zeiträume? 13
Ich bin davon überzeugt, dass Wasser einmal als Brennstoff Verwendung finden wird, dass Wasserstoff und Sauerstoff, seine Bestandteile, zur unerschöpflichen und ganz ungeahnten Quelle von Wärme und Licht werden. Der Tag wird nicht ausbleiben, wo die Kohlekammern der Steamer und die Tender der Lokomotiven statt Kohle diese beiden Gase vielleicht in komprimiertem Zustand mitführen werden, die unter den Kesseln eine enorme Heizkraft entwickeln. Also keine Angst! Solange diese Erde bewohnt ist, wird sie den Bewohnern das Nötige liefern. Jules Verne, Die geheimnisvolle Insel (1874) Energiespeicherung mit H 2 14
Wirkungsgrad Energiespeicherung durch Wasserstoff besitzt eine feste Obergrenze bezüglich des Wirkungsgrades η ges,max = η Elektrolyse η Rückverstromung η Elektrolyse = LHV H 2H E elektrisch = 0,6 η Rückverstromung = E elektrisch LHV H2 H 0,55 LHV: unterer Heizwert η ges,max = 0,6 0,55 100% = 33 % η ges,real = η ges,max η Speicherung Energiespeicherung mit H 2 15
Probleme bei der Wasserstoffspeicherung Speicherdichte - gravimetrisch - volumetrisch Lagerungsverluste - Verdampfung / Diffusion - Materialversprödung Sicherheitsaspekte Energiespeicherung mit H 2 16
Probleme bei der Wasserstoffspeicherung Wasserstoffverflüssigung: T krit = 33,25K = -239,9 C Q = λ A T Energiespeicherung mit H 2 17
Herstellung von Brennstoffen H 2 + Co-Reaktand Brennstoff (+ Wasser) Wirkungsgrad in % Methanol 14-18 Methan 18-28 Fischer-Tropsch 18-20 Ammoniak 20 Vorteile: - hohe Speicherdichten - vorhandene Infrastruktur nutzbar Nachteile: - erhebliche Verluste - lokal nicht emissionsfrei Irreversible Umwandlung von H 2 18
Aktuelle Forschung an der FAU Energiespeicherung auf Organischen Wasserstoffträgern Energiespeicherung mit H 2 19
Konzept der Energiespeicherung mit Hilfe von LOHCs Elementarer Wasserstoff ist schlecht lager- oder transportfähig Speicherung auf einem Energietragenden Stoff Für Wasserstoff: Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC) Ungesättigte organische Verbindung wird zur Speicherung hydriert Dehydrierung zur Wasserstofffreisetzung Aktuelle Modellkomponenten: - N-Ethylcarbazol - Dibenzyltoluol Energiespeicherung in LOHCs 20
Konzept der Energiespeicherung mit Hilfe von LOHCs Energiespeicherung in LOHCs 21
Auswahl neuer LOHCs Bei der Auswahl neuer LOHCs sollten eine Reihe von Aspekten beachtet werden: Handhabbarkeit Temperatur- und Cyclenstabilität Verfügbarkeit der Rohstoffe Speicherdichte Hydrier- und Dehydrierbarkeit Hauptherausforderung bei der LOHC-Auswahl: Dehydrierung ist thermodynamisch ungünstig Kriterien für die Auswahl 22
Auswahl neuer LOHCs Reaktionsgleichgewicht der Hydrierung 23
Erster Schritt auf dem Weg zur mobilen Anwendung: Betrieb stationärer Anlage Stationäre Anwendung 24
Laufende und anstehende Arbeiten Bau von Pilotanlage Entscheidung für endgültigen LOHC Entwicklung von Methoden für Messung und Steuerung Abtrennung von LOHC aus H 2 -Strom Optimierung der Energieeffizienz Wärmeintegration Übertragung von stationärer auf mobile Anwendung Überblick 25
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 26