Metrologie für den Energiesektor Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig und Berlin
Inhaltsverzeichnis Energie Ziele einer nachhaltigen Versorgung...3 PTB Metrologie für Industrie und Gesellschaft, in Deutschland und weltweit...5 Metrologie Die Basis für eine saubere und sichere Energieversorgung...7 Energieerzeugung...9 Photovoltaik...9 Solarthermie...9 Windenergieanlagen...10 Konventionelle Kraftwerke...12 Kraftstoffe-Biokraftstoffe...13 Energiespeicherung - Energietransport...15 Gasnetze als Energiespeicher...15 Ausbau des Stromnetzes - Vernetzte Systeme...16 Energieeinsparung...19 Energieeffiziente Beleuchtung und Lichtquellen...19 Energieeffiziente Fahrzeuge...19 Elektromobilität - Metrologie für die Batteriediagnostik...20 Anhang...21 Die PTB Zahlen und Fakten...21 Kontakt...21 Standort Braunschweig...23 Standort Berlin...23 Bildnachweis...24 1
Energie Ziele einer nachhaltigen Versorgung Unser modernes Leben hängt von der Verfügbarkeit von Energie ab. Aber Energie ist nicht unerschöpflich und unbegrenzt vorhanden. Darüber hinaus beeinflusst der Verbrauch von Energie unsere Umwelt und verändert unsere Lebensbedingungen. Diese beiden Erkenntnisse werden unsere Wirtschaft und das alltägliche Leben von uns allen in der Zukunft fundamental verändern, in Deutschland wie auch weltweit. Eine verlässliche und nachhaltige Energieversorgung bei ökonomisch vertretbaren Kosten ist die Voraussetzung für die Funktionstüchtigkeit einer modernen Industriegesellschaft und somit auch die Basis für die Erhaltung des Lebensstandards der Bevölkerung unseres Landes. Zur langfristigen Sicherung des Wirtschaftsstandortes Deutschland, seiner dauerhaften Konkurrenzfähigkeit im internationalen Umfeld sowie zur Vermeidung starker und einseitiger Abhängigkeiten von ausländischen Energielieferanten sollte es daher vorrangiges Ziel der Energiepolitik sein, eigene, möglichst erneuerbare Energiequellen bei konkurrenzfähigen Kosten zu erschließen, die Effizienz und Umweltverträglichkeit konventioneller Kraftwerke soweit wie möglich zu steigern, Energiespeicher, intelligente Strom- und andere Versorgungsnetze zu entwickeln und zur Verfügung zu stellen und nicht zuletzt energieeffiziente, umwelt- und ressourcenschonende Technologien in der Industrie sowie in den Haushalten zu etablieren. Um das Erreichen der oben formulierten Ziele zu gewährleisten, ist ein erheblicher Wandel in allen Bereichen des Energiesektors erforderlich, wie er im Energiekonzept der Bundesregierung vom September 2010 und seiner beschleunigten Umsetzung vom Juni 2011 dargelegt ist. Der Wechsel hin zu erneuerbaren Energien und einer effizienten Energiewirtschaft birgt ein erhebliches wirtschaftliches Potenzial. Deutschland hat die Chance, zum weltweit richtungsweisenden Protagonisten im Umbau von Energiesystemen zu werden und sich damit einen entscheidenden wissenschaftlichen, metrologischen sowie mess- und verfahrenstechnischen Vorsprung in einem sich rasant entwickelnden zukünftigen Wachstumsmarkt zu verschaffen. Als Wegbereiter und Begleiter dieses Wandels ist in praktisch allen Bereichen die Metrologie und damit die PTB als nationales Metrologieinstitut Deutschlands unverzichtbar. 2 3
PTB Metrologie für Industrie und Gesellschaft, in Deutschland und weltweit Metrologie, die Wissenschaft des richtigen Messens, bildet einen essentiellen Grundstein unserer arbeitsteiligen, industrialisierten und globalisierten Gesellschaft. Sie beeinflusst durch die Entwicklung und die Bereitstellung hochgenauer und international harmonisierter Normale und Messverfahren nahezu jeden Aspekt unseres modernen, vernetzten Lebens. Das Vertrauen in die Gültigkeit von Messergebnissen ist die Basis für alle industrialisierten Produktionsprozesse und den Verbraucherschutz. Dies gilt in besonderem Maße auch für den Bereich der Energiewirtschaft. Deutschland ist ein Transitland für Strom und Erdgas. Eine genaue Messung von Energiemengen in Pipelines, an Tankstellen oder auch in privaten Haushalten ist eine Voraussetzung für korrekte Abrechnungen und damit Voraussetzung für fairen Handel. Auf das Internationale Einheitensystem und nationale Normale rückgeführte Messungen, z. B. von Wärmefluss und Temperaturen in Kraftwerken, von Windgeschwindigkeiten bei zu errichtenden Windparks und von der Effizienz von Solarzellen, sind die wesentlichen Grundlagen für technologischen Wandel und Fortschritt. Durch nationale Gesetze und Verordnungen wie das Einheiten- und Zeitgesetz, das Eichgesetz oder das Gerätesicherheitsgesetz sind der PTB spezielle Aufgaben zugewiesen. So sorgt die PTB seit vielen Jahrzehnten dafür, das Vertrauen in Messergebnisse und damit die Sicherheit für Handelspartner, Verbraucher und Gesetzgeber sicherzustellen. Im Rahmen ihrer Mission, die Harmonisierung des internationalen Messwesens voranzutreiben und sicherzustellen, dass auf die nationalen Normale der PTB zurückgeführten Messungen international anerkannt werden, ist die PTB in das weltweite Netzwerk der Metrologieinstitute eingebunden. Dies eröffnet der PTB unzählige Möglichkeiten, ihre Aktivitäten international und vor allem europäisch zu koordinieren. Metrologische Forschung und Dienstleistung sind Wegbereiter für technologischen Fortschritt und damit für Innovation. Neben diesen beiden Standbeinen ist die Erarbeitung von nationalen und internationalen normativen Dokumenten ein wesentlicher Eckpfeiler für ein einheitliches Messwesen. Beispiele sind hier PTB-Anforderungen, DKD-Richtlinien, Dokumente der Internationalen Organisation für das Gesetzliche Messwesen (OIML) und DIN-, EN- oder ISO-Normen. Diese Dokumente beschreiben den Stand der Technik und legen Standards fest, in Deutschland und auch weltweit. Für eine Exportnation wie Deutschland ergibt sich bei der Erschließung eines zukünftigen Wachstumsmarktes ein unschätzbarer Vorteil, wenn normative Dokumente international abgestimmt sind. Hier besitzt die PTB große Erfahrung und hervorragende Kontakte, nicht zuletzt durch die bereits seit über 50 Jahren betriebene erfolgreiche technische Zusammenarbeit zur Entwicklung metrologischer Infrastruktur in derzeit mehr als 80 Ländern. Die PTB trägt auf der Basis ihrer Kontakte und internationalen Aktivitäten in erheblichem Maße dazu bei, die weltweiten Märkte für die deutsche Wirtschaft zu erschließen und zu erhalten. Um die Forschung in Zukunftsfeldern, darunter auch die neuen gesellschaftlichen Herausforderungen in den Bereichen Energie, Umwelt und Gesundheit, noch effizienter und gezielter anpacken zu können, hat sich die PTB schon vor mehreren Jahren mit ihren europäischen Partnern zusammengetan. In gemeinsamen Forschungs- und Entwicklungsprojekten, zur Hälfte mit 200 Mio. von der EU kofinanziert und im Jahr 2012 von der EU-Kommission hervorragend beurteilt, sind ausgewählte Zukunftsthemen Gegenstand metrologischer Forschung. 4 5
Metrologie Die Basis für eine saubere und sichere Energieversorgung Der Umbau eines Energiesystems wie z. B. das der Bundesrepublik Deutschland kann nicht kurzfristig erfolgen, sondern muss vielmehr in einem kontinuierlichen Prozess basierend auf den jeweils verfügbaren technischen Neuerungen und Weiterentwicklungen vonstattengehen. Alle Elemente der Energiekette müssen hierbei optimiert und in ihrer Effizienz verbessert werden, woraus direkt die Notwendigkeit folgt, neue Technologien zu entwickeln und zu implementieren. Hiermit unmittelbar verbunden sind vorausschauende, begleitende und nachfolgende metrologische Forschungs- und Entwicklungsarbeiten, regulatorische Aktivitäten und ein Ausbau des metrologischen Dienstleistungsangebots der PTB. Nur wenn die Rückführung auf das Internationale Einheitensystem, d. h. die nationalen Normale in der PTB, gegeben ist, wird sichergestellt, dass Messungen vergleichbar sind, auch wenn sie an unterschiedlichen Orten, Zeiten oder Apparaturen bzw. von verschiedenen Personen vorgenommen werden. Die PTB hat die metrologische Situation wie auch Entwicklungen, die beim Umbau des Energiesystems zu erwarten sind, systematisch analysiert. Trends im technologischen Fortschritt zeigen deutlich, dass zukünftig noch stärker als bisher Messverfahren und damit Kalibrierkapazitäten für erweiterte Messbereiche und verschärfte Bedingungen sowie reduzierte Messunsicherheiten benötigt werden. Aufgrund neuer oder gestiegener Anforderungen müssen beispielsweise in verschiedensten Bereichen, wie etwa in der Biogasnutzung oder in Kraftwerken, neue Messgeräte zum Einsatz kommen. Neue Technologien wie beispielsweise Dünnschicht-Photovoltaik-Generatoren erfordern die Entwicklung und Bereitstellung neuartiger Messverfahren. In anderen Sektoren zeigt sich, dass regulatorische Vorgaben nicht in ausreichendem Maße vorhanden sind. Generell gilt immer, dass umfassende metrologische Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in den jeweiligen Themenbereichen vorgeschaltet sein müssen, bevor die PTB ihr Dienstleistungs- und Beratungsangebot an den neuen Bedarf anpassen kann bzw. Vorlagen für normative Dokumente und Richtlinien erstellt werden können. Im Rahmen ihrer Ressourcen agiert die PTB im Energiesektor seit vielen Jahren unterstützend, und verfügt daher über umfassende Kompetenzen in diesem Bereich. Nachfolgend wird getrennt nach den einzelnen Gliedern der Energiekette jeweils an einigen Beispielen die Rolle der Metrologie bei Fragen rund um das Thema Energie dargestellt und auch die Herausforderungen beschrieben, denen sich die PTB stellt. Bereits jetzt trägt die PTB durch ihre langjährige Erfahrung und Expertise wesentlich zur metrologischen Untermauerung der Energiewende bei und unterstützt so die Ziele der Bundesregierung. 6 7
Energieerzeugung Im Energiekonzept der Bundesregierung stellt der zügige Ausbau der erneuerbaren Energiequellen den zentralen Baustein für die Energieversorgung der Zukunft in Deutschland dar. Erneuerbare Energiequellen sollen langfristig den überwiegenden Teil des Strom-, Wärme- und Kraftstoffbedarfs decken. Wesentlich für die Realisierung dieses Zieles ist, dass das Potenzial, das in erneuerbaren Energiequellen steckt, optimal ausgeschöpft wird. Im folgenden wird an einigen Beispielen die Rolle der Metrologie erläutert und die Frage geklärt, wo und wie also die PTB mit ihrer Kompetenz gefragt und eingebunden ist. Photovoltaik Die Photovoltaik ist einer der am schnellsten wachsenden Technologiemärkte weltweit. Dies trifft insbesondere für den deutschen Markt zu, der weltweit wiederum einer der größten ist. Die Rückführbarkeit der Messungen für die Charakterisierung neuer Solarzellen-Typen ist eine zwingende Voraussetzung für deren Markteinführung und damit gerade für innovative mittelständische Firmen von erheblicher Bedeutung. Auch wenn Solarzellen und Module vielfach im Ausland gefertigt werden, wird die Zertifizierung für einen Großteil des Weltmarktes von deutschen Photovoltaik-Kalibrier- und Prüflaboratorien durchgeführt. Diese benötigen für ihre Arbeit rückgeführte Referenzzellen. Die PTB ist das einzige nationale Metrologieinstitut in Europa, das eine primäre Rückführung der Messergebnisse für Si-Referenzsolarzellen durchführen kann. Um eine verbesserte Investitionssicherheit für Photovoltaikanlagen ebenso wie eine bessere Bestimmung der Qualität ausländischer Produkte ermöglichen zu können, gilt es, die unter Umständen lange Kalibrierkette zu verkürzen, damit geringere Messunsicherheiten an deren Ende, also beim Energieerzeuger, erreicht werden. Dies wird beispielsweise möglich, wenn Kalibrierlaboratorien nicht wie bisher nur Referenzsolarzellen von 2 2 cm² von der PTB erhalten, sondern wie in Zukunft beabsichtigt, auch komplette Referenzmodule. Ein wichtiges Element in der photovoltaischen Stromerzeugung besteht in der Erhöhung des Wirkungsgrads von Solarzellen durch die Verringerung ihrer Eigentemperatur. Hier ergeben sich bei Wasserkühlung in sogenannten photovoltaisch-thermischen (PVT)-Kollektoren Erhöhungen des Wirkungsgrads von 4 % bis 10 %. Eine Optimierung der thermischen Abstrahlung durch geeignete Methoden der wellenlängenselektiven Emissionsgraderhöhung beispielsweise durch geeignete Beschichtungen schlägt sich in einer passiven Temperaturreduzierung der Solarzelle nieder. Hierfür wird in der PTB eine Messtechnik entwickelt, welche die benötigte wellenlängenselektive Messung des Emissionsgrads mit ausreichend kleiner Messunsicherheit ermöglicht. Solarthermie Beim Wechsel von fossilen Brennstoffen zur Wärmeerzeugung auf Basis erneuerbarer Energie gewinnt die Solarthermie zunehmend an Bedeutung, sowohl in Deutschland als auch weltweit. Deutschland bildet in Europa bisher den größten Markt für solarthermische Anlagen. Die deutsche, zumeist mittelständische Industrie ist auf dem Gebiet der Wärmemengenmessung Weltmarktführer. Insbesondere ist sie in den extremen Wachstumsmärkten China und Indien dominierend. Der Weltmarktanteil deutscher Hersteller beträgt 40 % (stark steigend: Indien/China), in Europa halten die deutschen Hersteller 80 % Marktanteil. 8 9
In Zukunft werden Wärmemengenzähler nicht mehr nur wie bisher für Wasser als Wärmeträgermedium, sondern insbesondere auch für andere Medien, z. B. Wasser- Glykol-Gemische, benötigt. Für diese wie auch für mögliche andere zukünftige Wärmeträgermedien z. B. von Solar-Großkraftwerken, müssen die thermophysikalischen Stoffdaten der Transportflüssigkeiten zuverlässig bekannt sein. Die metrologische Schlüsseltechnologie für den energieeffizienten Betrieb solarthermischer Kraftwerke ist die Durchflussmesstechnik. Die Regulierung des Volumenstroms des Wärmeträgermediums ist die einzige Möglichkeit, die Temperatur im Kraftwerk zu steuern und so Beschädigungen der Installation zu vermeiden. Aktuell wird davon ausgegangen, dass die bisher eingesetzte Messtechnik für Durchflussmessungen Unsicherheiten von rund 10 % aufweist. Dies führt beim Betrieb der Anlagen zu erheblichen Effizienzverlusten, denn aus Sicherheitsgründen muss das Kraftwerk so gefahren werden, dass das Wärmeträgermedium eine Temperatur aufweist, die hinreichend weit entfernt von potenziell kritischen Bereichen liegt. Gelänge es, die Messunsicherheit der zugrunde liegenden Durchflussmessung um eine Größenordnung zu senken, würde sich nur aufgrund einer optimierten Betriebsweise des solarthermischen Kraftwerks sein Wirkungsgrad um rund 8 % 10 % erhöhen. Für die energieeffiziente Steuerung sollten daher zukünftig neuartige Wärmemengenzähler für Durchflussmessungen mit wesentlich verringerter Unsicherheit eingesetzt werden, die zudem für neuartige Wärmeträgermedien wie Thermoöle oder Salzschmelzen geeignet sein sollten. Dies ist ein weiteres Beispiel dafür, wo vorausschauende und hochpräzise Metrologie es ermöglicht, die großen Schritte, die mit der Energiewende verbunden sind, gehen zu können. Windenergieanlagen Der Anteil von Strom aus Windenergieanlagen wächst in Deutschland von Jahr zu Jahr. Windenergieanlagen werden als ein Basispfeiler einer Energieversorgung mit erneuerbaren Energien angesehen. Der von der Bundesregierung vorgelegte Maßnahmenplan zur Energiewende sieht vor, 50 % der benötigten elektrischen Energie bis zum Jahre 2050 aus Windenergie bereitzustellen. Für die nächsten 20 Jahre ist in Deutschland somit von einem jährlichen Zuwachs von mindestens 3 Gigawatt der aus Windenergieanlagen bereitgestellten Leistung auszugehen. Dies entspricht der Leistung von 2 bis 3 konventionellen Kraftwerken und unterstreicht die herausragende Bedeutung der Energiegewinnung aus Windenergieanlagen für die zukünftige Energieversorgung. Die Anforderungen an die Technik von Windenergieanlagen mit immer größeren Leistungen und bei einer angestrebten Nutzungsdauer von 20 Jahren sind enorm. Der Grund für die deutlich höhere Leistungsfähigkeit neuer Windenergieanlagen liegt in der Effizienzsteigerung durch zunehmend größere Rotordurchmesser und Nabenhöhen. Lagen im Jahr 1990 der Rotordurchmesser und die Nabenhöhe neuer Anlagen typischerweise bei 30 m bzw. 50 m, so betrugen diese im Jahr 2008 bereits 126 m bzw. 135 m. Damit nehmen aber auch die Anforderungen und Belastungen, die an diesen Anlagen auftreten, gewaltig zu. Bei Windenergieanlagen treten die größten überhaupt bekannten Drehmomente in technischen Anlagen auf. Rückgeführte Kalibriermöglichkeiten können weltweit nur von der PTB und bisher selbst von der PTB nur für einen Teilbereich angeboten werden. Diese großen Drehmomente stellen insbesondere eine enorme technische Herausforderung für die nachfolgenden Getriebe und Generatoren dar. Die Genauigkeit von Getriebekomponenten wird heutzutage mit Koordinatenmessgeräten geprüft. Die notwendige Infrastruktur für die Rückführung der Messungen und damit eine zuverlässige und wirtschaftliche Qualitäts- und Fertigungskontrolle dieser hochgenauen Getriebekomponenten ist erst teilweise aufgebaut. Enge geometrische Toleranzen sind jedoch entscheidend für die Lebensdauer z. B. des Getriebes und somit für die Wirtschaftlichkeit dieser Anlagen. Ein erster Schritt zur Lösung dieses Problems liegt in der Realisierung eines rückgeführten Großverzahnungsnormals durch die PTB. Bei noch größeren Referenzobjekten werden Fragen nach deren innerer Temperaturverteilung und der Stabilität der Messobjekte wesentliche Bedeutung erhalten. Hier müssen gänzlich neue Wege wie z. B. die Zerlegbarkeit von Normalen angegangen werden, um die Handhabbarkeit und ggf. einen Transport zu Komponentenherstellern überhaupt noch gewährleisten zu können. Einen Meilenstein in diesem Umfeld stellt die in den letzten Jahren von der PTB aufgebaute Referenzeinrichtung für die Kalibrierung von mobilen, optischen 3D-Messgeräten (Lasertrackern) dar. Solche und darüber hinaus gehende Kalibriereinrichtungen werden in vielen Bereichen benötigt, wenn es um die umfassende Charakterisierung von großen mechanischen Bauteilen geht, für die die Teile von Windenergieanlagen ein aktuell relevantes Beispiel darstellen. Die Erfassung und Vermessung von lokalen Windfeldern ist die Basis für die Wahl und Planung von Standorten für Windenergieanlagen. Mit deren zunehmender Größe spielt immer stärker auch der dreidimensionale Charakter von Windfeldern, der Einfluss von Scherwinden, drehenden Winden und Turbulenzen im Anlagenbereich eine wichtige Rolle. Mittels der heute üblichen einfachen Windgeschwindigkeitsmessung unter Verwendung von Schalenkreuz-Anemometern können solch komplexe Größen von Strömungsfeldern nicht erfasst werden. Die Lösung liegt in der Entwicklung und rückgeführten Kalibrierung neuer Sensortechniken wie LIDAR für sogenannte Windpotenzialanalysen, mit denen die Wirtschaftlichkeit von Windenergieanlagen über Langzeitmessungen an den potenziellen Standorten abgeschätzt wird, und deren Entwicklung von der PTB zusammen mit der Wirtschaft vorangetrieben wird. Ein zunächst wenig beachteter metrologischer Aspekt beim Ausbau von Windenergieanlagen von großer sicherheitstechnischer Bedeutung sind mögliche Rückwirkungen auf militärische und zivile Radar- und Navigationsanlagen. Gutachten über die Verträglichkeit von Windenergieanlagen mit Radaranlagen (z. B. des Deutschen Wetterdienstes) und terrestrischen Navigationsanlagen der Luftfahrt basieren derzeit ausschließlich auf theoretischen Annahmen und Simulationen mit zum Teil widersprüchlichen Ergebnissen. Um in dieser Situation Abhilfe zu schaffen, sind unter anderem das Amt für Flugsicherung der Bundeswehr, das Bundesamt für Flugsicherung und der Deutsche Wetterdienst an die PTB herangetreten. Die PTB wird hier neue, rückgeführte Messtechnik entwickeln, um Simulationsverfahren zu validieren und zukünftig entsprechende Dienstleistungen bereitzuhalten. 10 11
Bei dem weiter zunehmenden Ausbau von Windenergieanlagen werden auch andere Umweltaspekte zukünftig eine Rolle spielen, die z. Z. eher noch am Rande diskutiert werden. Windenergieanlagen emittieren z. B. überwiegend sehr tieffrequenten Schall mit Frequenzen unterhalb von 100 Hz. Die Entwicklung eines Schallleistungs-Normals für Frequenzen unterhalb von 100 Hz und Untersuchungen über die Wirkung von Infraschall auf das Gehör und den gesamten menschlichen Organismus sind offene Punkte, die bei Fragen zur Akzeptanz und Umweltverträglichkeit eine wesentliche Rolle spielen. Alles dies sind Fragen, denen sich die PTB jetzt schon stellt. Konventionelle Kraftwerke Elektrische Energie kann auf absehbare Zeit nicht in großen Mengen gespeichert werden, sondern muss zu einem wesentlichen Teil bedarfsabhängig produziert werden. Daher ist eine Mischung aus Grundlast-, Mittel- und Spitzenlastkraftwerken Voraussetzung, um die benötigte Energiemenge flexibel bereitstellen zu können. Es wird erwartet, dass im Jahr 2020 immer noch 40 % der produzierten Elektrizität von konventionellen Kraftwerken geliefert wird. Auch bei einem erhöhten Anteil erneuerbarer Energien werden Großkraftwerke in den nächsten Jahrzehnten weiterhin eine wichtige Rolle in der Energieversorgung spielen. Daher ist die Steigerung der Effizienz dieser Kraftwerke auch in Zukunft von großer Bedeutung. In Deutschland werden zurzeit etwa 50 % des Stroms durch Dampfkraftwerke erzeugt, in denen fossile Energie verbrannt und CO 2 als Abgas erzeugt wird. Konventionelle Kraftwerke beruhen darauf, dass Wasser als Energieträger erhitzt und diese Energie an eine Turbine abgegeben wird. Um höhere Wirkungsgrade als bislang zu erreichen, müssen aufgrund physikalischer Grundsätze Temperatur und Druck des erzeugten Wasserdampfes deutlich erhöht werden. Der mittlere Wirkungsgrad fossil befeuerter Kraftwerke liegt in Europa derzeit bei ca. 38 %. Siemens hat vor kurzem das erste Gas- und Dampfturbinenkraftwerk mit einem Wirkungsgrad von über 60 % gebaut. Dies bedeutet ca. 30 % weniger CO 2 -Emissionen! Das Kraftwerk wird mit einer Frischdampftemperatur von 600 C und einem Frischdampfdruck von 170 bar betrieben. Die Temperatur der Verbrennungsgase liegt mit bis zu 1500 C um etwa 100 C höher als bei konventionellen Kraftwerken. Auch bei Kohlekraftwerken kann durch sogenannte überkritische Dampfzustände (mindestens 285 bar und ca. 600 C) ein höherer Wirkungsgrad von bis zu 46 % erreicht werden. Ziel der Industrie ist es, durch Temperatur- und Druckerhöhungen einen Wirkungsgrad von mehr als 50 % zu erreichen. Bei allen diesen Zielen kommt Metrologie, und damit die PTB, ins Spiel, weil alles dies nur dadurch erreicht werden kann, dass sich die Technologie an der Grenze des physikalisch Machbaren bewegt. Der Arbeitspunkt einer Turbine wird für eine maximale Effizienz bis nahe der Schmelztemperatur der verwendeten Materialien eingestellt. Deswegen muss die Messunsicherheit von Temperaturmessungen bei mehr als 1000 C im Bereich von wenigen Grad liegen. Die Temperaturmessung erfolgt bei solch hohen Temperaturen berührungslos, d. h. mit optischen Methoden. Dafür sind rückgeführte in-situ-temperaturmessungen und die Entwicklung und Evaluierung von Messmethoden wie die dynamische Emissionsgradmessung für den spektralen Emissionsgrad oberhalb von 1000 C erforderlich. Mit herkömmlichen und bereits etablierten Methoden können bei berührungslosen Temperaturmessungen nur bis etwa 600 C vertrauenswürdige Ergebnisse erzielt werden. Weitere metrologisch relevante Punkte sind die Optimierung von Dünnschichtwiderstandsthemometern im Temperaturbereich bis ca. 700 C und die Messung der räumlichen Temperaturverteilung in strömenden Fluiden sowie die Kalibrierung von Volumenstromsensoren direkt unter Kraftwerksbedingungen. Kraftstoffe-Biokraftstoffe Die Verwendung von Pflanzen als Quelle erneuerbarer Biokraftstoffe wird heute differenziert betrachtet. Der Energieaufwand des Herstellungs- und Verteilungsprozesses, die damit verbundenen Umweltbelastungen, aber auch die zunehmende Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion sind die wesentlichen Punkte, die dabei in der Diskussion stehen. Indem Biokraftstoffe verwendet werden, sinkt allerdings die Abhängigkeit vom knapper werdenden Erdöl, das häufig aus politisch instabilen Ländern stammt. Die für die aktuelle Biokraftstoffproduktion benötigten Rohstoffe wachsen z. Z. noch überwiegend in Europa. Aufgrund der weltweiten Herstellungs- und Verteilungswege für Biokraftstoffe gibt es einen hohen internationalen Regulierungsbedarf, der geeignete Überwachungsmaßnahmen erforderlich macht. Um die Qualität und weltweite Vergleichbarkeit analytischer Messungen von Biokraftstoffen für diese Zwecke langfristig und global zu sichern, ist deshalb die Etablierung und Bereithaltung einer vollständigen Rückführung von analytischen Messergebnissen auf das Internationale Einheitensystem erforderlich. Kritische Messgrößen sind dabei unter anderem Elemente wie Phosphor und der Chloridgehalt, der ph-wert oder die Azidität von Bioethanol. Ein weiterer Punkt ist der Schwefelgehalt und der Gehalt mehrfach ungesättigter Fettsäuren in Biodiesel. In der PTB laufen z. Z. Forschungsarbeiten, um Referenzmessverfahren unter anderem in den Themenbereichen chemische Qualitätssicherung und auch Herkunftsanalytik zu entwickeln. So ist die Bestimmung der Isotopenhäufigkeiten gewisser Elemente ein charakteristisches Merkmal für die Herkunft von Stoffen. Anhand der Uran- und Strontium-Isotopenmuster von Kunstdüngern kann deren Herkunftsland eindeutig bestimmt werden. Da durch Kunstdünger in erheblichem Umfang Schwermetalle in landwirtschaftlich genutzte Böden eingetragen werden, ist ihre Rückverfolgung wichtig, um den Verbleib der Schadstoffe verstehen zu können. Zudem bietet sich damit eine Möglichkeit, die Herkunft von Bioethanol über die Isotopenhäufigkeiten von Blei und Strontium zu bestimmen. Mit diesen Verfahren lassen sich somit z. B. Zollvergehen oder illegale Waldrodungen zur Schaffung von Anbauflächen für Bioethanol aufdecken. So kann Metrologie dazu dienen, ungewollte Verdrängungen bzw. nicht nachhaltige Erzeugungsverfahren aufzudecken und zu unterbinden. 12 13
Energiespeicherung - Energietransport Der Ausbau des Anteils erneuerbarer Energien am Energiemix bedingt unmittelbar die Schaffung ausreichender Speicher- und Transportkapazitäten. Bei einer Versorgung mit Strom aus erneuerbaren Quellen durch Wind- und Solarenergieanlagen müssen wind- bzw. sonnenscheinarme Zeiten überbrückt werden. Aber auch bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten, z. B. während Stürmen, müssen Windenergieanlagen zur Vermeidung von Beschädigungen abgeschaltet oder zumindest so betrieben werden, dass ihre Effizienz abnimmt. Zu anderen Zeiten wird ein Überschuss an Strom aus erneuerbaren Energien produziert, der die Netzkapazitäten übersteigt. Mit dem z. Z. laufenden Ausbau insbesondere der Windenergieanlagen wächst Jahr für Jahr auch der Anteil der produzierten Energie, der nicht in das Stromnetz eingespeist werden kann. Auch wenn im Jahr 2010 dieser Anteil nur ca. 0,4 % der insgesamt eingespeisten Windenergie entsprach, gab es bestimmte Regionen im Norden Deutschlands, in denen der Ausfall nahezu ein Viertel des gesamten Jahresenergieertrags betrug. Je nach Einsatzbereich müssen Energiespeicher sehr unterschiedliche Anforderungen erfüllen. Es werden einerseits Stromspeicher benötigt, die Schwankungen im Stromangebot vom Millisekundenbereich bis hin zu einigen Stunden abfangen können. Zur Gewährleistung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung brauchen sie vor allem eine sehr kurze Reaktionszeit von teilweise nur 10 Millisekunden. Auf der Zeitskala von Stunden, Tagen und länger werden dagegen Stromspeicher benötigt, bei denen die Speicherkapazität die ausschlaggebende Größe ist. Die erreichbare Leistung ist dann relevant, wenn schnell eine große Strommenge gespeichert oder abgegeben werden soll. Für alle Speichertechnologien ist deren Wirkungsgrad ein Schlüsselfaktor. Je mehr Energie bei der Stromwandlung und der Rückverstromung verloren geht, desto ineffizienter und teurer ist ein Speicher. Die bisher vorhandenen Energiespeicher dienen z. Z. in erster Linie dazu, auf einer Zeitskala bis zu einigen Stunden Angebot und Nachfrage auszugleichen und das Stromnetz zu stabilisieren. Die Überbrückung einer längeren Windflaute von mehreren Wochen oder von längeren Perioden ohne Sonnenschein bei einer komplett auf erneuerbare Energien umgestellten Stromproduktion ist mit allen bisher vorhandenen Technologien prinzipiell nicht realisierbar. Gasnetze als Energiespeicher Das Erdgasnetz kann eine wesentliche Rolle in der Speicherung großer Mengen des aus erneuerbaren Energien generierten Stroms über Zeiträume von Tagen bis Wochen spielen. Im Hinblick auf den langfristigen Umbau der europäischen Energieversorgung bieten Gasnetze einen großen Vorteil, denn sie sind bereits vorhanden oder ihr Ausbau ist mittelfristig vorgesehen. Das deutsche Erdgassystem stellt mit seinem 443000 km umfassenden Leitungsnetz ein ausgedehntes und schon flächendeckend vorhandenes Speichermedium dar, das der dezentralen Erzeugungsstruktur der erneuerbaren Energieträger entgegenkommt. Der jährliche Erdgasverbrauch in Deutschland mit etwa 1000 Mrd. kwh entspricht in etwa der doppelten Energiemenge des jährlichen Stromverbrauchs (2010: 608 Mrd. kwh). In den 47 unterirdischen Gasspeichern können ca. 230 Mrd. kwh eingelagert werden, also etwa der Erdgasbedarf für 3 Monate. Demgegenüber ist die Speicherkapazität allen deutschen Pumpspeicherkraftwerke mit einer gespeicherten Energiemenge von 14 15
40 Mio. kwh verschwindend gering. Sie entspricht dem Stromverbauch in einem Zeitraum von etwa einer halben Stunde. Daraus wird deutlich, welche enormen Speicherkapazitäten das Erdgasnetz bieten kann. Eine mögliche Realisierung könnte so aussehen, dass Strom aus erneuerbaren Energien, der während Zeiten mit einem Überschuss in der Produktion gegenüber dem Verbrauch erzeugt wird, durch Elektrolyse in Wasserstoff umgewandelt wird. Dieser kann gegebenenfalls durch eine weitere chemische Reaktion mit Kohlendioxid zu Methan umgesetzt werden. Der Wasserstoff bzw. das Methan werden dann in das vorhandene Erdgasnetz eingespeist, ebenso wie das durch Vergärung von Biomasse entstehende methanreiche Gas, für das ggf. noch eine geeignete Aufbereitung notwendig ist. Der so hergestellte Wasserstoff bzw. das Methangas können als Energieträger für die Wärmeerzeugung dienen oder rückverstromt werden. Auf diese Weise könnte der Energiebedarf mehrerer Wochen in den bestehenden Erdgasspeichern und -pipelines vorgehalten werden. Aus technischen Gründen gibt es derzeit eine Obergrenze hinsichtlich der Einspeisung von Wasserstoff in das Erdgasnetz. Diese liegt aktuell bei 5 % des Erdgasvolumens in einem Leitungsrohr; eine Erhöhung dieses Grenzwertes ist z. Z. allerdings in der Diskussion. Aber bereits für eine Grenze von fünf Volumenprozent erschließt sich ein erheblicher Speicher für erneuerbare Energien im Erdgasnetz, der 45-mal so groß ist wie die Gesamtkapazität aller heute in Deutschland bestehenden Pumpspeicherkraftwerke. Dieser neue und sehr vielversprechende Ansatz zur Speicherung und Verteilung von Wind- und Solarenergie setzt jedoch voraus, dass die für die Abrechnung und Nutzung erforderliche physikalische und chemische Charakterisierung von variablen Gasgemischen möglich ist. Damit kommt wieder Metrologie und somit die PTB ins Spiel. Es müssen Verfahren für die Charakterisierung dieser Gase, auch von dezentral eingespeistem Biogas, entwickelt und validiert werden. Dieses kann beispielsweise bis zu 5 % CO 2 enthalten, welches nicht brennbar ist und damit den Gaskunden auch nicht in Rechnung gestellt werden darf. Da bei einem 443000 km langen Leitungsnetz immer nur eine begrenzte Anzahl von Messstationen vorhanden sein kann, werden Verfahren benötigt, Brennwert und Zusammensetzung des transportierten Gases an jeder Stelle des Netzes durch rechnerische Verfahren zu rekonstruieren. Die so ermittelten Werte haben direkten Einfluss auf die Abrechnung, sodass solche Verfahren von einem unabhängigen Garanten für Verbraucherschutz mit der nötigen Kompetenz, wie die PTB sie hat, validiert und zugelassen werden müssen. Ausbau des Stromnetzes - Vernetzte Systeme Der Übergang von einem Energieversorgungssystem mit wenigen zentralen Erzeugern hin zu einer dezentralen Energieversorgung unter verstärkter Nutzung erneuerbarer und damit zeitlich schwankender Energiequellen erfordert einen massiven Ausbau der Stromübertragungssysteme. Dieser Netzausbau wird mehrere Jahrzehnte in Anspruch nehmen. Eine wesentliche Komponente beim Umbau unseres Energiesystems bildet der Ausbau der Windenergiekapazitäten in den nächsten Jahren. Ein großer Teil des Stroms wird im Norden in Windparks an und vor der Küste produziert, während der Strombedarf vorwiegend in den Ballungs- und Industriezentren im Süden und Westen liegt. Zusätzlich wächst der internationale Stromhandel seit Jahren stetig, mit Deutschland als Transitland zwischen den west- und osteuropäischen Märkten. Der Netzausbau des Stromnetzes stellt daher eine tragende Säule sowohl für den Ausbau der erneuerbaren Energien als auch für die grenzüberschreitende Stromversorgung dar. Neben der Schaffung von weiteren konventionellen Übertragungskapazitäten bilden intelligente Verteilnetze eine maßgebliche Komponente im Ausbau und in der Systemintegration erneuerbarer Energien. Eine intelligente Vernetzung dezentraler Kraftwerke, die erneuerbare Energien nutzen, kann einen erheblichen Beitrag dazu leisten, große Mengen variabel anfallenden Stroms optimal in das Versorgungsnetz einzuspeisen. Dezentrale Kraftwerksanlagen wie Photovoltaikanlagen und Biogasanlagen, aber auch kleinere Windenergieanlagen, können durch intelligente Strom- und Gasnetze zu virtuellen Kraftwerken vernetzt und so zu flexiblen, schnell steuerbaren Leistungsreserven zusammengeschaltet werden. Bestehende Strukturen des Energieversorgungssystems werden so ergänzt und optimiert. Hier werden Fragen nach Netzqualität und Stabilität relevant, wenn nicht nur wenige zentrale Erzeuger, sondern Tausende bis Millionen kleinere Anlagen synchronisiert werden müssen. In Zukunft werden die Abgrenzungen zwischen Energie-Verbraucher, -Erzeuger, -Verteiler und -Speicher verschwinden, jede Rolle wird abhängig vom Netzzustand eingenommen, mit vielleicht ständig wechselnden Preisen für den entnommenen bzw. eingespeisten Strom. Studien zeigen, dass sich mit Hilfe geeigneter Steuerung Strombedarf und -produktion einer Großstadt wie Berlin gut aufeinander abstimmen lassen und sich Städte so zu Smart Cities entwickeln können. Dadurch ließe sich sowohl die höhere Netzebene entlasten als auch der Bedarf an konventionellen Reservekapazitäten deutlich verringern und damit die Energieversorgung optimieren. Auf kleinerem Maßstab sollen in Zukunft intelligente Netze in Haushalten etabliert werden. Hierzu gehört der Einbau von intelligenten Zählern ( smart meter ). Smart Grids sollen Kundendaten und je nach Konzeption auch bestimmte technische Daten transportieren. Zähler und Messsysteme, Überwachungs- und Steuereinrichtungen im Verbund mit komplexen IT-Systemen erfordern Lösungsansätze, die von der PTB im Hinblick auf die Anforderungen des gesetzlichen Messwesens und des Verbraucherschutzes metrologisch begleitet und bewertet werden. So müssen Messwesen, Kommunikations- und Sicherheitstechnik spartenübergreifend harmonisiert werden. Der langfristige systematische Aufbau eines solchen Internets der Energie ist nur unter Verwendung moderner Informations- und Kommunikationstechnologie möglich. Metrologische Aktivitäten der PTB liegen hier nicht nur im Bereich Forschung und Entwicklung, sondern insbesondere bei der Normen- und Gremienarbeit. Bei diesen Normungs- und Standardisierungsaktivitäten ist die PTB als unabhängige Einrichtung durch ihre spartenübergreifende Kompetenz ein einzigartiger Garant für die Wahrung der Interessen der Verbraucher und für den Erhalt eines fairen Wettbewerbs. 16 17
Energieeinsparung Die Steigerung der Energieeffizienz ist neben der Erschließung neuer bzw. alternativer Energiequellen der wichtigste Punkt zur Erreichung der gesteckten energie- bzw. klimapolitischen Ziele. Bei allen Verbrauchern, seien es Haushalte, Industrie oder Gewerbe, bestehen riesige Energieeinsparpotenziale in den Bereichen Wärme und Beleuchtung. Energieeffiziente Beleuchtung und Lichtquellen Licht ist wichtig für das menschliche Wohlbefinden, die Arbeitsqualität und -sicherheit sowie die Präsentation von Produkten. Das Licht muss aber richtig verteilt werden und die richtige Farbe haben. Zudem soll es nur leuchten, wenn Personen im Wirkbereich sind und das Tageslicht zu schwach ist. Daher darf - wenn es um Licht und Beleuchtung geht - die Energieeffizienz nicht losgelöst von Beleuchtungsqualität, Gesundheit und Lebensqualität betrachtet werden. Der Weltmarkt im Bereich Beleuchtung, der z. Z. etwa 80 Mrd. Euro beträgt mit deutschen Firmen unter den Weltmarktführern, wird sich in den nächsten Jahren weiter rasant entwickeln und zu großen Teilen auf moderne Lichtquellen wie LEDs und OLEDs umgestellt werden. Diese eröffnen ein weit gefächertes Spektrum an Möglichkeiten und Energieeinsparpotenzialen bei gleichzeitiger Beleuchtungseffizienz. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lichtquellen unterscheiden sie sich aber grundlegend in bestimmten Eigenschaften, z. B. ihrer Abstrahlcharakteristik, ihrem Alterungsverhalten und in ihrer Lebensdauer. Energiesparlampen stoßen in der Bevölkerung noch nicht auf die erhoffte Akzeptanz, ihr Licht wird von vielen als kalt und unangenehm empfunden. Für eine objektive Bewertung der Eigenschaften von Lichtquellen und ihrer Wahrnehmung bedarf es allerdings quantitativer Kriterien. Diese können nur aus rückgeführten Messergebnissen abgeleitet werden. Dazu werden in der PTB Photometer bezüglich ihrer integralen und spektralen Empfindlichkeit charakterisiert, Transfernormale für Halbleiterlichtquellen und neue Messverfahren für die Charakterisierung großflächiger Lichtquellen wie z. B. OLEDs, LED-Cluster und Displays entwickelt. Energieeffiziente Fahrzeuge Die Entwicklung von kraftstoffeffizienten Fahrzeugen ist seit Jahren eine stetige Herausforderung für die Fahrzeugindustrie. Hersteller von Fahrzeugmotoren verfolgen verschiedene Strategien, um die Effizienz ihrer Motoren zu steigern. Für alle Fahrzeughersteller gilt allerdings, dass eine hochgenaue Druckmessung unerlässlich ist, um den Verbrauch und damit auch den Emissionsausstoß weiter reduzieren zu können. Hier wird die PTB in Zukunft verstärkt eine dynamische Kalibrierung von Druckaufnehmern anbieten, die von der Industrie für die Entwicklung von effizienteren und damit kraftstoffsparenden Motoren benötigt wird. Die Möglichkeiten zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs durch optimierte Oberflächen bei reibungsbehafteter Relativbewegung in Antriebssträngen sind trotz Fortschritten nach wie vor groß. Insbesondere durch Hochleistungskunststoffe lassen sich die Reibungsverluste beweglicher Komponenten noch wesentlich verbessern. Bereits heute werden im Automobilbau an Komponenten wie Kolbenringen, Ventilen, Kolbenbolzen, Nockenwellen und Zahnrädern Diamond-Like-Carbon (DLC)-Beschichtungen eingesetzt. Diese DLC-Beschichtungen zeichnen sich durch sehr gute Eigenschaften aus und werden teilweise als Null-Verschleiß-Schichten bezeichnet, da ihr Verschleiß 18 19
Anhang mit herkömmlicher Messtechnik quantitativ nicht mehr zuverlässig zu bestimmen ist. Dies ist ein weiteres Beispiel dafür, dass die PTB an den Grenzen der Messtechnik neue Prüf- und Messverfahren entwickelt, um so die gestiegenen Anforderungen der Anwender aus der Industrie erfüllen zu können. Elektromobilität - Metrologie für die Batteriediagnostik Der Verkehrssektor mit einem Anteil von 30 % am Endenergieverbrauch wird sich in Zukunft radikal verändern. Die von der Politik gesteckten Klimaziele können durch sparsamere Verbrennungsmotoren allein nicht erreichen werden. Daher kommt der verstärkten Verwendung von Elektromotoren, deren Versorgung über erneuerbare Energien erfolgt, eine zentrale Bedeutung zu. Als Achilles-Ferse der Elektromobilität werden derzeit die noch nicht ausreichenden bedarfsgerechten Speicherkapazitäten gesehen sowie die noch mangelnde Lade-Infrastruktur. Zu den größten Herausforderungen in der Elektromobilität gehört die Entwicklung effizienter Batterien. Die heutigen Batterien, zumeist Lithium-Ionen-Batterien, sind den flüssigen Kraftstoffen für konventionelle Verbrennungsmotoren sowohl von der Energiedichte als auch von der Wirtschaftlichkeit her noch weit unterlegen. Bezogen auf ihr Eigengewicht liefern Batterien noch zu wenig Energie zur Bewältigung größerer Fahrstrecken. So reicht der Antrieb von Elektrofahrzeugen heute unter realistischen Bedingungen für typischerweise 100 km. Neben Ladestationen für eine schnelle Aufladung der Batterie gibt es Konzepte, eine entladene Batterie unterwegs durch eine aufgeladene auszutauschen. Da der Verbraucher allerdings nur die Energiemenge bezahlen will, die tatsächlich in der Batterie enthalten ist, sind Fragen von Ladezustand und Energieinhalt hier von wesentlicher Bedeutung. Idealerweise gibt eine Batterie in Zukunft im Betrieb selber Auskunft über ihren Ladezustand. Dies wird nur dann sicher möglich sein, wenn die interdisziplinäre Aufgabe, das komplexe System Batterie zu verstehen, durch Untersuchungen von elektrochemischen Parametern, Batteriealterung, Zustandsgrößen und Ladekennlinien gelöst ist. Hier ist die PTB mit einer Vielzahl von Einzelaufgaben in verschiedenen Bereichen beteiligt. Die PTB Zahlen und Fakten Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist das nationale Metrologieinstitut Deutschlands. Sie beschäftigt 1925 Mitarbeiter an den Standorten Braunschweig und Berlin und gehört als Bundesoberbehörde mit einem Jahresetat von ca. 150 Mio. zum Geschäftsbereich des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie. Zentrale Aufgabe der PTB ist es, die gesetzlichen Einheiten in Übereinstimmung mit dem Internationalen Einheitensystem (SI) darzustellen, zu bewahren und weiterzugeben. Die PTB steht damit an oberster Stelle der metrologischen Hierarchie in Deutschland. Durch verschiedene nationale Gesetze und Verordnungen sind der PTB in dieser Hinsicht spezielle Aufgaben zugewiesen. Dazu zählen neben dem Einheiten- und Zeitgesetz auch das Eichgesetz oder das Gerätesicherheitsgesetz. So sorgt die PTB dafür, das Vertrauen in Messergebnisse und damit die Sicherheit für Handelspartner, Verbraucher und Gesetzgeber sicherzustellen. Die PTB steht für Fortschritt und Zuverlässigkeit in der Messtechnik für Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft. Kontakt Die PTB in Braunschweig: Bundesallee 100 D-38116 Braunschweig Tel.: 0531 592-0 info@ptb.de Die PTB in Berlin: Abbestraße 2-12 D-10587 Berlin-Charlottenburg Tel.: 030 3481-0 info@ptb.de 20 21
Standort Braunschweig Standort Berlin 22 23
Bildnachweis Titelbild und Seite 2: Laser-Doppler-Anemometrie zur Sensorkalibrierung im Windkanalströmungsfeld Seite 4: Wärmezählerprüfstand Seite 6: Großverzahnungsnormal Seite 8: Roboter-Goniophotometer Seite 11: Schalenanemometer im Windkanal Seite 13: Autosampler Seite 14: Wärmezählerprüfstand Seite 17: Drehstromzähler Seite 18: Leuchtdioden Alle Fotos: PTB Foto Seite 11: Deutsche Windguard GmbH 24
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