Energiespeicherung und andere Enabling-Technologien
Die verschiedenen erneuerbaren Energiequellen erfordern einen Innovationssprung bei der Energiespeicherung und anderen Enabling-Technologien, die zur Energiewende beitragen, unter anderem durch den Ausgleich von Stromangebot und -nachfrage. Zu diesen Enabling-Technologien zählt die Elektrolyse zur Erzeugung von Wasserstoff, der zur Speicherung der chemischen Energie oder als alternativer Brennstoff genutzt werden kann.
Elektrochemische, thermische und mechanische Energiespeichertechnologien existieren in zahlreichen Formen. Künftige Szenarien könnten alle der verschiedenen im Folgenden untersuchten Technologien beinhalten, wobei jede von ihnen sich besonders für bestimmte Endnutzungsarten oder wirtschaftliche Rahmenbedingungen eignet.
Hinweis:
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- Elektrolyseure zur Wasserstofferzeugung
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Laut dem von der Internationalen Organisation für Erneuerbare Energien (IRENA) herausgegebenen Fahrplan zum 1,5°C-Ziel werden Wasserstoff und Derivate bis 2050 einen Anteil von 12 % am Energieverbrauch haben müssen. Grüner Wasserstoff aus der Wasserelektrolyse unter Verwendung erneuerbarer Energien wird voraussichtlich gleichzeitig eine wichtige strategische Energiequelle und ein Speichermedium sein.
Mehrere Länder haben bereits im Rahmen von nationalen Wasserstoffstrategien Ziele für die Elektrolyseurkapazität festgelegt. Elektrolyseure würden in der Zukunft idealerweise aus billigen und reichlich vorhandenen Rohstoffen gebaut und mit erneuerbarem Strom betrieben. Laut einer aktuellen gemeinsamen Studie von EPA und IRENA zu Innovationstrends bei Elektrolyseuren zur Wasserstofferzeugung können die Investitionskosten für Elektrolyseuranlagen durch eine verbesserte Planung und Konstruktion, Skaleneffekte, die Ersetzung von knappen Materialien durch reichlich vorhandene Metalle und eine gesteigerte betriebliche Effizienz und Flexibilität kurzfristig um 40 % und langfristig um 80 % gesenkt werden. Dies würde dabei helfen, die weltweite Elektrolyseurkapazität von derzeit 0,5 GW auf die von der IRENA in ihrem Fahrplan zum 1,5°C-Ziel vorgeschlagenen 5 000 GW bis 2050 zu erhöhen.
Fünf Hauptgruppen von Teiltechnologien sind für die Senkung der Kosten der Elektrolyse von Bedeutung: [1] :
Betriebsbedingungen und Struktur der Zellen
Der Betrieb von Elektrolysezellen bei höherer Temperatur und unter höherem Druck erhöht die Effizienz der Elektrolyse, ohne die Lebensdauer zu beeinträchtigen, und senkt gleichzeitig die Kosten. Elektrolyseure müssen darauf ausgelegt sein, diesen Betriebsbedingungen standzuhalten.
Hochtemperaturbedingungen in Elektrolysezellen - vollständige trefferliste
Hochdruckbedingungen in Elektrolysezellen
Ein zentrales Element zur Optimierung der Zelleffizienz ist die Kontaktfläche zwischen der Membran und der Elektrode, die den elektrischen Widerstand und die Wärmeentwicklung reduziert:
Membran-Elektroden-Einheiten (MEA)
Materialien für Elektrokatalysatoren
Die Knappheit von Materialien, insbesondere von Edelmetallen, stellt ein großes Hindernis für die Senkung der Kosten von Elektrolyseuren und die Ausweitung der Produktion dar. Alternativen sind erforderlich, bei denen beispielsweise unedle Materialien zum Einsatz kommen. Die Entwicklungen umfassen Edelmetalle (einschließlich Oxiden), unedle Metalle, Legierungen und Keramik sowie organische, diamantene und nicht diamantene Materialien
Die folgenden Suchbegriffe umfassen Elektroden mit Katalysatormaterialien auf Grundlage von:
Unedlen Metallen und Legierungen
Keramik (ohne Edelmetallanteil)
Organischen Verbindungen
Katalysatoren auf Diamantbasis - vollständige trefferliste
Stapelbarkeit von Elektrolyseuren (Stacks)
Elektroden, Bipolarplatten und poröse Transportschichten können einen erheblichen Anteil an den Kosten von Stacks haben. Verbesserungen bei diesen Komponenten, unter anderem bei ihrer Herstellung, können dazu beitragen, die Kapitalkosten zu senken und die Skalierbarkeit zu erhöhen. Während bipolare Elemente, die Stacks enthalten, nach wie vor der wichtigste Entwicklungsbereich sind, ist die optimale Kombination dieser Elemente mit den Membran-Elektroden-Einheiten von entscheidender Bedeutung:
Photoelektrolyse
Die Photoelektrolyse mit Solarzellen als Energiequelle kann Strom- und Wasserstofferzeugung in einem einzigen Element vereinen, was potenziell eine höhere Effizienz ermöglicht. Auch wenn sich die Technologie noch in einem frühen Reife- und Prozessoptimierungsstadium befindet, gib es unter anderen die folgenden vielversprechenden Entwicklungen:
Photoelektroden mit Photoabsorber und Photo-Elektrokatalysator - vollständige trefferliste
Photoelektroden mit einschichtigem Photo-Elektrokatalysator - vollständige trefferliste
Co-Elektrolyse
Bei der Elektrolyse von Wasser allein entsteht Wasserstoff, der schwer zu speichern ist. Ein neuer Entwicklungsbereich ist die Co-Elektrolyse, bei der Wasserstoff in einer besser lagerbaren Verbindung erzeugt wird. Beispiele hierfür sind stickstoffhaltige Verbindungen wie Ammoniak (siehe unten) und andere wie Synthesegas (CO/H2) und die Herstellung organischer Brennstoffe (Methan, Alkohole).
Co-Elektrolyse zur Herstellung von Ammoniak - vollständige trefferliste
[1] IRENA (2020), Green Hydrogen Cost Reduction: Scaling up Electrolysers to Meet the 1.5⁰C Climate Goal, Internationale Organisation für Erneuerbare Energien, Abu Dhabi.
- Energiespeicherung
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Der Strom, den wir verbrauchen, wird klassischerweise erst kurz vor seiner Nutzung erzeugt. Die Planung des veränderlichen und unkontrollierbaren aktuellen Energiebedarfs stellt die heutige Energieindustrie vor eine Herausforderung. Angesichts des komplexeren künftigen Energiebedarfs, z. B. aufgrund der Elektromobilität, und der erneuerbaren Energien aus wetterabhängigen Quellen wie Wind, Sonne und Wellen ist der Ausgleich von Angebot und Nachfrage zu einer zentralen Herausforderung geworden.
Bessere Technologien für die Energiespeicherung ermöglichen die Einspeisung größerer Mengen Strom aus regenerativen Quellen in die Netze und helfen so dabei, bei den verschiedensten Anwendungen den Strom aus fossilen Energieträgern zu ersetzen. Ein breites Spektrum von Technologien zur Energiespeicherung befindet sich derzeit in unterschiedlichen Entwicklungsstadien. Zu den Hauptkategorien zählen die mechanische Speicherung wie Pumpspeicherkraftwerke und Druckgasspeicher, thermische Speicher unter Nutzung von Wasser, Feststoffen oder Dampf sowie elektrochemische Lösungen einschließlich Batterien, die durch Technologien wie Superkondensatoren ergänzt werden können.
Elektrochemische Energiespeicherung (Batterien und Superkondensatoren)
88 % der gesamten Patentierungstätigkeit im Bereich der Stromspeicher entfallen auf elektrochemische Erfindungen (z. B. Batterietechnik), mit sehr großem Abstand gefolgt von elektrischen (9 %), thermischen (5 %) und mechanischen (3 %) Lösungen. Das Marktwachstum bei Elektrofahrzeugen und stationären Stromspeichern macht elektrochemische Lösungen für die Zukunft noch wichtiger.
Die Internationale Energieagentur (IEA) geht in ihrem Nachhaltigkeitsszenario aus 2020 davon aus, dass wir 2040 statt der aktuell verfügbaren 200 GWh über das gesamte Energiesystem hinweg pro Jahr eine Energiespeicherkapazität von annähernd 10 000 GWh in Form von Batterien und sonstigen Speichern benötigen werden.
Die Patentierungstätigkeit hat sich bei einer Reihe von Erfindungen intensiviert, etwa bei Bleisäure- und Redox-Flow-Batterien und Batterien auf Nickelbasis. Angeführt wird die Innovation auf diesem Gebiet jedoch von Lithium-Ionen-Batterien mit einem Anteil von 45 % im Vergleich zu lediglich 7,3 % für andere Chemikalien, der Rest entfällt auf Herstellungs- und technische Aspekte.
Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien
Die Auswahl des Kathodenmaterials ist von zentraler Bedeutung. Während bislang Lithium-Kobalt-Oxid eingesetzt wurde, hat sich aufgrund der Bedenken im Zusammenhang mit den Kosten und der Versorgung der Schwerpunkt auf nickel- und/oder manganhaltige Materialien (zusammen mit Lithium-Eisenphosphat oder LFP) verlagert. Die folgenden Kathodentechnologien wurden als zentral für diese Entwicklung ausgewählt:
Nickel-Mangan-Kobalt (NMC) - vollständige trefferliste
Lithium-Nickel-Kobalt-Oxid mit Aluminium oder Magnesium (NCA-Mg)
Natrium-Ionen-Batterien
Zu den Kandidaten, die das Potenzial haben, die Anforderungen an Technologien für Hochleistungsbatterien zu erfüllen, gehören Lithium-Metall-Festkörper-, Lithium-Schwefel-, Natrium-Ionen- und sogar Lithium-Luft-Batterien, die im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien eine Verbesserung in Bezug auf Kosten, Dichte und Lebensdauer sowie eine bessere Verfügbarkeit darstellen könnten. Natrium-Ionen-Batterien beruhen auf leicht verfügbaren Basismaterialien und bieten somit potenziell eine unbegrenzte Kapazität.
Superkondensatoren
Superkondensatoren können Lithium-Ionen-Batterien durch die Abdeckung spezifischer Anforderungen ergänzen. Superkondensatoren können innerhalb von Sekunden ge- und entladen werden. Sie können jedoch keinen Strom in so großen Mengen speichern wie Batterien. Ihre Fähigkeit zur Bereitstellung von Stromschüben macht sie in Kombination mit anderen Batteriearten mit höherer Kapazität wertvoll, beispielsweise in Elektrofahrzeugen.
Anorganische Feststoffbatterien
Ein großer Teil der heutigen Innovationen bei Festkörperelektrolyten ist darauf ausgerichtet, Alternativen zu den Flüssigkeiten und Polymergelen zu finden, die derzeit in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden und sehr leicht brennbar sind. Neben einer verbesserten Sicherheit können Festkörperelektrolyten ein hohes Niveau an spezifischer Energie und einen hohen Grad an Stabilität und Haltbarkeit bieten. Entsprechend wenig überrascht es, dass dieses Gebiet der Technik sich sehr rasch entwickelt.
Redox-Flow-Batterien
Für einige Anwendungen können Redox-Flow-Batterien eine sicherere, langlebigere und skalierbarere Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien darstellen. In Redox-Flow-Batterien werden poröse Elektroden eingesetzt, bei denen eine Ionenaustauschmembran die aktiven Materialien in Form von positiven und negativen flüssigen Lösungen mit redoxaktiven Spezies trennt.
Für Redox-Flow-Batterien können verschiedene Chemikalien verwendet werden, wobei Vanadium das am häufigsten eingesetzte redoxaktive Kation ist. Ihre Skalierbarkeit macht sie besonders interessant für Haushaltsanwendungen und große stationäre Anwendungen.
Mechanische Energiespeicherung
Elektrische Energie kann in verschiedene Formen mechanischer Energie umgewandelt werden, z. B. in potenzielle Energie der Gravitation und kinetische Energie, oder sie kann zur Komprimierung eines Gases, wie z. B. von Luft, verwendet werden. Einige dieser Energieformen eignen sich für große Langzeit-Energiespeicher (LDES). Mechanische Energiesysteme haben tendenziell einen großen ökologischen Fußabdruck und erfordern oft günstige geologische Bedingungen, um überhaupt tragfähig zu sein.
Pumpspeicherkraftwerke sind eine Form der Schwerkraftspeicherung, bei der Wasser aus einem tiefer gelegenen Stausee auf ein höheres Niveau gepumpt wird. Wenn Strom benötigt wird, z. B. zum Lastausgleich, läuft das gespeicherte Wasser zur Stromerzeugung durch Turbinen. Auf diese Technologie entfallen heute rund 90 % der vorhandenen Speicher für Stromnetze. Die bestehenden Pumpspeicherkraftwerke könnten auch eine größere Rolle beim Ausgleich von Angebot und Nachfrage bei anderen Technologien zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen spielen.
Die Flüssigluftspeicherung (LAES) ist eine Form der kryogenen Energiespeicherung: Dabei wird Luft in flüssiger Form bei einer sehr niedrigen Temperatur, aber nahezu Umgebungsdruck gespeichert. Zur Stromerzeugung wird die flüssige Luft zu einem Gas erwärmt, das dann zum Antrieb einer Turbine verwendet wird.
Flüssigluftspeicherung - vollständige trefferliste
Bei der Druckluftspeicherung (CAES) wird Druckluft unterirdisch in Höhlen oder oberirdisch in Tanks gespeichert. Einige CAES-Systeme speichern auch die Wärme, die beim Komprimieren der Luft entsteht. CAES ist als mögliche Option für die Energiespeicherung im Netz umfassend diskutiert worden, ihrem großflächigen Einsatz stehen jedoch erhebliche Hindernisse im Weg, unter anderem die Kosten.
Bei Thermopotenzialspeichern (PTES) wird eine Wärmepumpe eingesetzt, um Strom in Wärme umzuwandeln. Die Wärme wird anschließend in einem Medium wie Wasser, Kies oder Sand in einem wärmeisolierten Tank gespeichert. Mithilfe einer Wärmepumpe wird die Wärme dann bei Bedarf wieder in Strom umgewandelt.
Thermopotenzialspeichern - vollständige trefferliste
Trockene Schwerkraftspeichersysteme (GES) verwenden einen Elektromotor, um eine Masse, z. B. eine sehr schwere Gesteinsmasse, anzuheben, um ihr potenzielle Energie zuzuführen. Diese Energie wird dann durch Absenken der Masse und Nutzung des Motors als Stromgenerator freigesetzt.
Trockene Schwerkraftspeichersysteme - vollständige trefferliste
In Schwungrad-Energiespeichersystemen (FES) wird ein Rotor (Schwungrad) mithilfe eines Motors auf eine hohe Drehzahl beschleunigt, um die kinetische Rotationsenergie im System zu speichern. Wenn Energie benötigt wird, wird die Drehgeschwindigkeit des Schwungrads reduziert und dabei Strom erzeugt.
Thermische Energiespeicherung
Thermische Energiespeicherung (TES) bedeutet die Speicherung von Energie in Form von Wärme. Die auf diese Weise gespeicherte Energie kann kurzfristig, d. h. täglich, oder längerfristig, auch saisonal, genutzt werden, sodass Wärme aus dem Sommer in einem bestimmten Medium gespeichert und im Winter zur Beheizung von Gebäuden wiederverwendet wird. Außerdem können Materialien bei niedrigeren Temperaturen zu Klimatisierungszwecken gelagert werden.
Alternativ kann Energie beim Phasenübergang von Wasser oder einem anderen Medium, z. B. einem Salz oder einem Polymer, aufgenommen oder freigesetzt werden, um latente Wärme zu speichern bzw. abzugeben.
Thermochemisch (chemische Reaktion, Adsorption, Absorption)
Die thermochemische Wärmespeicherung beruht auf einer reversiblen exothermen/endothermen chemischen Reaktion mit thermochemischen Materialien (TCM) wie Kaliumoxid, Kalziumhydroxid oder Nitrosylchlorid. Je nach Reaktanten kann diese Technik eine noch höhere Speicherkapazität als Latentwärmespeicher ermöglichen. Die exotherme/endotherme Adsorption von z. B. Wasserdampf durch Zeolithe kann eine praktische Methode zur Wärmespeicherung mit einer potenziell unbegrenzten Lebensdauer darstellen.
Thermochemisch (chemische Reaktion, Adsorption, Absorption) - vollständige trefferliste
Flüssig (heißes Wasser, Salzschmelzen)
Wasser hat eine relativ hohe Wärmekapazität und eignet sich daher besonders gut für die Speicherung von Wärme in Flüssigkeiten. Salzschmelzen können jedoch bei einer Temperatur von bis zu 1 400 °C für die Energiespeicherung gelagert werden (Molten Salt Energy Storage, MSES). Sie können anschließend bei Bedarf z. B. zur Erzeugung von Heißdampf genutzt werden, der wiederum Turbinengeneratoren zur Stromerzeugung antreiben kann. Die nachstehende Smart Search konzentriert sich auf flüssige Wärmespeichermedien, die zur Speicherung erneuerbarer Energien eingesetzt werden.
Flüssig (heißes Wasser, Salzschmelzen) - vollständige trefferliste
Fest (Kiesel, Stein, Beton, Metall)
Heiße Gesteine, Steine und Beton, etwa in Form von Granulatschüttungen, können eine kostengünstige, aber großvolumige Energiespeicherung ermöglichen, die hohen Temperaturen standhält. Ihre Nutzung kann z. B. durch Wärmepumpen zur Speicherung bzw. Entziehung der Wärme verbessert werden. Auch Metalle einschließlich Legierungen können als Speichermedium, das eine schnelle Wärmeübertragung begünstigt, genutzt werden. Die nachstehende Smart Search konzentriert sich auf zur Speicherung erneuerbarer Energien eingesetzte Wärmespeichermedien.
Fest (Kiesel, Stein, Beton, Metall) - vollständige trefferliste
Latent (Phasenwechselmaterial)
Zu den Phasenwechselmaterialen zählen Salze, Polymere, Gele und Legierungen. Ihre unterschiedlichen Schmelzpunkte ermöglichen einen maßgeschneiderten Einsatz für eine sinnvolle, bedarfsgerechte Wärmespeicherung. Außerdem werden eisbasierte Technologien für Kühlzwecke genutzt. Diese werden häufig in Kombination mit Wärmepumpensystemen eingesetzt. Die nachstehende Smart Search konzentriert sich auf zusammen mit erneuerbaren Energien eingesetzte Phasenwechselmaterialen.
Dampfkraftwerke mit Dampf- oder Wärmespeichern
Dampfspeicher verwenden eine Kombination aus Wasser und Dampf und können in industriellem Maßstab eingesetzt werden. Der Dampf, der zum Antrieb von Dampfturbinen verwendet wird, kann auch zu Speicherzwecken genutzt werden, wenn man ihn teilweise kondensieren lässt, wodurch eine gewisse latente Wärmekapazität entsteht. Dampfkraftwerke können auch mit einer lokalen Wärmespeicherung unter Verwendung anderer Technologien kombiniert werden. Die nachstehende Smart Search konzentriert sich auf Wärmespeicher für Dampfkraftwerke, die in Kombination mit der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien eingesetzt werden.
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Solarthermische Kraftwerke mit Wärmespeichern
Solarthermische Kraftwerke können mit Wärmespeichern ausgestattet werden, um die Schwankungen der Solarenergie (und Windkraft) auszugleichen. Dies kann durch Dampferzeugung und -speicherung oder auch durch thermische Energiespeicherung mit Salzschmelzen (Molten Salt Energy Storage, MSES) erreicht werden. Anschließend kann bedarfsgerecht Strom erzeugt werden.
- Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS)
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Auch wenn künftig möglichst der gesamte Energiebedarf aus erneuerbaren Quellen wie Wind, Sonne und Wasserkraft gedeckt werden soll, ist der Übergang zu diesen Energiequellen nicht immer schnell umsetzbar. Eine Möglichkeit, den Klimawandel bis dahin aufzuhalten, ist die Abscheidung von CO2 (Kohlendioxid) aus stark emittierenden Prozessen (z. B. fossil befeuerte Kraftwerke und Schwerindustrie) oder sogar direkt aus der Luft (Direct Air Capture) und die anschließende Speicherung, in der Regel untertage oder unter dem Meer. Das abgeschiedene CO2 soll entweder dort verbleiben (physisch eingeschlossen oder chemisch gespeichert) oder künftig für bestimmte Industrieprozesse verwendet werden.
CO2-Abscheidung
Abhängig von seinen chemischen oder physikalischen Eigenschaften gibt es verschiedene Möglichkeiten, CO2 aus Gasen abzuscheiden. Für Direktabscheidung aus der Luft erscheinen Sorptionstechniken besser geeignet. Aufgrund der geringen CO2-Konzentration in der Luft müssen dazu sehr große Luftvolumina behandelt werden. Daher sind Techniken mit niedrigen Temperaturen oder hohen Drücken weniger gut geeignet, da sie auch mehr Energie verbrauchen. Folgenden Techniken werden hauptsächlich für die Abscheidung von CO2 eingesetzt:
Absorption mit flüssigen Lösungsmitteln
Absorption mit festen Lösungsmitteln
Biologische Abscheidung
Kryogene Abscheidung
Membran-Abscheidung
Chemische Abscheidung / Direktabscheidung
CO2-Speicherung
Nach der Abscheidung muss das CO2 gespeichert werden, wofür in der Regel Orte wie ausgeschöpfte Öl- oder Gasfelder vorgesehen sind. Da sie bereits mehrere Erdzeitalter lang Öl und Gas fest eingeschlossen haben, gelten sie allgemein als sicher für diese Speicherzwecke. Oft ist dort bereits Infrastruktur für den Eintrag von CO2 vorhanden, da zur Druckhaltung in Ölfeldern ohnehin Gas eingebracht wird. Alternativ kann das CO2 auch zur Reaktion mit bestimmten Mineralablagerungen gebracht werden, um kohlenstoffhaltige Minerale wie mafisches oder ultramafisches Gestein (Olivin, Peridotit usw.) zu bilden. In diesem Datensatz konzentrieren wir uns auf Anmeldungen, die sich nicht mit Druckhaltung sondern mit einer tatsächlichen Speicherung befassen.
Speicherung von CO2 untertage oder unter Wasser
