In der Industrie und auch in anderen Bereichen des Energiesektors können Speicher einen wichtigen Beitrag zur Versorgungssicherheit und Wirtschaftlichkeit leisten. Über Wärmespeicher kann industrielle Prozesswärme aufgenommen und später bei Bedarf abgegeben werden. Damit lassen sich thermische Prozesse energetisch kaskadieren und der Primärenergieverbrauch verringern. Stromspeicher ermöglichen es, Angebot von Strom aus fluktuierenden erneuerbaren Energien mit der Nachfrage auszugleichen, Lastspitzen zu puffern und so die Systemstabilität zu erhöhen.
Im Energy Storage Technology Collaboration Programme (Energy Storage TCP) treiben Expertinnen und Experten die internationale Forschung, Entwicklung, Implementierung und Integration von Energiespeichertechnologien weiter voran. Darunter fallen thermische, elektrische und stoffliche Speicherung, aber auch eine virtuelle Form der Speicherung, die sich aus der Steuerbarkeit der Produktion ergibt – das sogenannte Demand Side Management. Die Betrachtungen erstrecken sich von detaillierten Material- und Komponentenuntersuchungen bis hin zu Fragestellungen der Systemanalyse, Marktpotenzialen und Wirtschaftlichkeit.
Energy Storage TCP auf einen Blick
Gründungsjahr: 1978
Mitglieder: Belgien, Österreich, Kanada, China, Dänemark, Finnland, Frankreich, Deutschland, Italien, Israel, Japan, Niederlande, Norwegen, Süd-Korea, Schweden, Schweiz, Techechien, Großbritannien, USA, Slowenien und Türkei
Webseite: www.iea-es.org
Die Integration fluktuierender erneuerbarer Energiequellen erfordert strukturelle Veränderungen in Transport- und Verteilnetzen und macht die gezielte Forschung, Entwicklung und Demonstration von Stromspeichertechnologien essentiell notwendig. Aber auch andere Energieformen können durch Speicherung effizienter genutzt werden: Gerade für die Industrie besteht über die Auskopplung, Zwischenspeicherung und Wiedereinkopplung der Prozesswärme die Möglichkeit, deutlich effizientere Prozesse zu betreiben.
Die Rolle der Industrie im zukünftigen Energiesystem wird zunehmend komplexer und wichtiger als heute. Die größten Herausforderungen für Forschung und Entwicklung an Energiespeichern sind: Investitionskosten reduzieren, längere Lebensdauer, höhere Effizienz, kompaktes Design, Sicherheit, Marktzugang, Geschäftsmodelle, regulatorische Rahmenbedingungen.
IEA-Forschungskooperationen im Energy Storage TCP
Stellvertretend für die Vielfalt der Forschungskooperationen — die sogenannten Tasks im Energy Storage TCP — werden nachfolgend einige Themen mit dem Schwerpunkt Industrie und Gewerbe aufgeführt:
Thermische Enteisungs- und Schneeschmelzverfahren bieten für den Winter innovative Lösungen mit zahlreichen Vorteilen gegenüber bisherigen Technologien. Sie ermöglichen es etwa, Oberflächen automatisch zu kontrollieren und vermeiden den Einsatz schädlicher Chemikalien.
Besonders interessant ist die Nutzung von Systemen, die im Sommer Sonnenenergie sammeln und diese in geothermische Saisonalspeicher laden. Die oberflächennahe Geothermie ist hier eine bewährte Speichertechnologie: Sie ermöglicht es, erneuerbare Energien einzubinden und effizient zu speichern und hat das Potenzial, die Stromnetze im Winter zu entlasten. Das ist besonders relevant für Schneeschmelz- und Enteisungsanlagen in kritischen Infrastrukturabschnitten. Prinzipiell ist die Umstellung hydraulisch betriebener Anlagen auf geothermische Heizsysteme oder erdgekoppelte Wärmepumpen einfach machbar.
Das Marktvolumen für relevante Anwendungen sollen Potenzialstudien in verschiedenen Ländern ermitteln. Expertinnen und Experten dokumentieren den Stand der Technik dieser Systeme für unterschiedliche Klimazonen und bereits existierende geothermische Anlagen zur Enteisung und Schneeschmelze in Japan, den USA, Kanada, Schweiz, Schweden, Niederlande und Deutschland. Sie sollen darüber hinaus durch ein Monitoring begleitet werden. Neue Demonstrationsanlagen sind geplant und werden auch in die Evaluation einfließen. Aus den Erfahrungen beim Bau und Betrieb der Demonstrationsanlagen unter verschiedenen klimatischen Bedingungen sowie aus den Erfahrungen mit bestehenden Anlagen erarbeitet ein Forschungsteam Empfehlungen, die wesentliche Aspekte bei Planung, Bau, Betrieb und Wartung von geothermischen Schneeschmelz- und Enteisungsanlagen zusammenfassen. Diese Empfehlungen sollen dann in nationale Richtlinienausschüsse einfließen.
Mit den Expertenempfehlungen für Flächenheizungen können anwendungsspezifische Schneeschmelz- und Enteisungssysteme entwickelt werden, die auf eine effiziente geothermische Beheizung abgestimmt sind.
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Verschiedene Länder haben sich ehrgeizige Ziele für die Energiewende gesetzt: Sie streben etwa eine um 50 Prozent effizientere Energienutzung sowie eine Energieerzeugung aus 100 Prozent erneuerbaren Energiequellen an. Die thermische Energiespeicherung ist eine Schlüsseltechnologie für die Verwirklichung eines CO2-neutralen Energiesystems. Fernwärme ist eine ausgereifte Technologie, um Gebäude und Quartiere zu heizen — vor allem in Städten. Um Fernwärmesysteme weiter zu dekarbonisieren und zu flexibilisieren, sind thermische Energiespeichersysteme im Großmaßstab als Langzeitspeicher (Long Duration Energy Storage, LDES) erforderlich. LDES werden benötigt, um die spezifischen Kosten der Speichertechnologie weiter zu senken und Speicherkapazitäten zur Verfügung zu stellen, die besser an größere Heizungsanlagen angepasst sind. Bisherige Erfahrungen mit thermischen Energiespeichersystemen zur Integration in Nah- und Fernwärmenetze liegen in der Nutzung von Erdbecken-Wärmespeichern bis zu 200.000 Kubikmeter und Wasserspeichern bis zu 50.000 Kubikmetern. Ebenfalls Gegenstand dieser Arbeit sind Aquiferspeicher und Erdwärmesondenspeicher.
Große thermische Energiespeicher flexibilisieren Kraftwerke, Warmwassersysteme und industrielle Prozesse. Sie ermöglichen einen höheren Anteil an erneuerbaren Energien und Abwärme im Energiesystem und können durch Power-to-Heat (P2H) Spitzenlastausgleichsfunktionen für Stromnetze bieten. Somit ermöglichen sie die Sektorkopplung des Strom- und Wärmesektors.
Der Markt für große thermische Energiespeicher wächst. Beispiele sind Erdbeckenspeicher in Dänemark mit einem Volumen von 400.000 bis 500.000 Kubikmetern. Für Entscheidungsträger ist insbesondere mehr Wissen über das Potenzial und die Integrationsmöglichkeiten thermischer Energiespeicher entscheidend. Zudem gilt es, die Akzeptanz dieser großen Speicher zu verbessern. Dazu werden mehr Kenntnisse und bessere Materialien beziehungsweise Werkzeuge für die Auslegung, Planung und Integration der Speicher benötigt.
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Kompakte thermische Energiespeichertechnologien (CTES, Compact Thermal Energy Storage) sind Gegenstand von Task 40. Diese Technologien basieren auf Phasenwechselmaterialien (PCM) und thermochemischen Materialien (TCM). Sie werden im Ringversuch untersucht, verbessert, charakterisiert und in Komponenten getestet. Die wichtigsten Komponenten für diese Technologien sind Wärmetauscher und Reaktoren, die ebenfalls untersucht und weiter verbessert werden.
Ziele des Task 40:
- ein besseres Verständnis der Faktoren, die Speicherdichte und Leistungsabfall von CTES-Materialien beeinflussen
- die Möglichkeit, diese Materialien auf zuverlässige und reproduzierbare Weise zu charakterisieren
- Methoden zur effektiven Bestimmung des Ladezustands eines CTES
- bessere Kenntnisse über die Auslegung optimierter Wärmetauscher und Reaktoren für CTES-Technologien
Der Task 40 des Energy Storage TCP wird von Deutschland beziehungsweise vom ZAE Bayern geleitet.
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Welchen Wert bringt die Energiespeicherung in bestimmten Anwendungen mit sich und wie lässt sich dieser quantifizieren? Wie können die Vorteile der Energiespeicherung in vielversprechende Geschäftsmodelle umgesetzt werden? Im Rahmen des Tasks EcoEneSto wird eine koordinierte Bewertung der Wirtschaftlichkeit von Energiespeichern in allen für das Energiesystem relevanten Anwendungen durchgeführt. Dabei werden unterschiedliche methodische Ansätze und alle Energiespeichertechnologien — elektrochemisch, thermisch und chemisch — berücksichtigt. Grundlage ist eine Bestandsaufnahme wirtschaftlich interessanter Energiespeicherkonfigurationen und die Ableitung von passenden Rahmenbedingungen (technisch und nicht-technisch) für den Energiespeicherbetrieb.
Ziele des Task 41:
- Sammlung von Methoden zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit von Energiespeichersystemen für spezifische Anwendungen
- Definition von Kennzahlen (KPI) zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit von Energiespeichern
- Bestandsaufnahme wirtschaftlich interessanter Energiespeicherkonfigurationen und Ableitung von passenden Rahmenbedingungen (technisch und nicht-technisch) für den Energiespeicherbetrieb konkreter Anwendungen
- Identifikation von Hemmnissen, durch die sich bestehende Vorteile von Energiespeicherlösungen nicht in potenzielle Geschäftsmodelle übertragen lassen
- Vergleich von Energiespeicherkonfigurationen und Lösungen mit anderen Flexibilitätsmaßnahmen sowie Systemen ohne Energiespeicher
- Analyse des Einflusses regulatorischer Rahmenbedingungen auf potenzielle Geschäftsmodelle anhand konkreter Beispiele
- Erarbeitung eines Rahmens für die Entwicklung von Geschäftsmodellen für Energiespeicher
Der Task 41 der Technologieinitiative Energiespeicher (TCP Energy Storage) wird von Deutschland beziehungsweise vom Bundesverband Energiespeicher Systeme e.V. (BVES) geleitet.
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Um Energie effizient zu speichern, wird eine breite Palette unterschiedlicher Technologien benötigt, die Ladezeiten entsprechend abdeckt. Denn diese reichen von Sekunden bis zu mehreren Jahren. Der Herausforderung, diese Entladeverfahren zu standardisieren, stellt sich Task 42.
Kurzzeit-Energiespeicher, so genannte SDES-Systeme (Short Duration Energy Storage, SDS), haben Entladezeiten von Sekunden bis Stunden. Hierfür eignen sich sehr gut Lithium-Ionen- und andere Non-Flow-Batterien. Der Fokus liegt hierbei auf einem hohen Wirkungsgrad und einer Lebensdauer von mehr als ein paar tausend Zyklen. Die wichtigste Kennzahl bilden die Kosten pro Leistung (€/kW).
Unterhalb von Zeitskalen mehrerer Sekunden, wird von sehr kurzzeitiger Speicherung (Very Short Duration Storage, VSDES) gesprochen. Hier verlagert sich die Priorität auf Technologien, die eine große Anzahl von Zyklen überstehen und eine außergewöhnlich hohe Umschlagleistung aufweisen können. Schwungräder und Superkondensatoren dominieren in diesem Bereich und die wichtigste Kennzahl bilden die Kosten pro Leistungseinheit und Durchsatz (€/(kW/s).
Langzeit-Energiespeicher (Long Duration Energy Storage, LDES) werden für Entladezeiten weit über mehrere Stunden bis Jahre eingesetzt. Der Schlüsselmaßstab liegt auf Kosten pro Einheit elektrischer Energie, die freigesetzt werden kann (€/kWh).
Die mittelfristige Energiespeicherung (Medium Duration Energy Storage, MDES) mit Entladezeiten von 4 bis 200 Stunden bildet die Brücke zwischen SDES und LDES. Die Grenzen dieser Entladezeiten zu SDES beziehungsweise LDES sind jedoch noch nicht klar definiert. MDES-Technologien basieren meist auf (thermo-)mechanischen Technologien, aber auch Redox-Flow-Batterien spielen eine Rolle. Der Task 42 setzt sich das Ziel, MDES-Technologien im Kontext von klimaneutralen beziehungsweise CO2-reduzierten Energiesystemen zu definieren. MDES-Technologien sind trotz höherer Kosten entscheidend für eine kosteneffiziente und langfristig tragfähige Energieinfrastruktur.
Die Herausforderung für Task 42 besteht in der Festlegung beziehungsweise Auswahl der geeigneten Technologien für den Übergang.
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Die thermische Bauteilaktivierung nutzt vorhandene Speichermassen im Gebäude: Decken, Böden oder Wände aus Beton leiten über integrierte Rohrleitungen Wärme an den Raum ab oder nehmen sie auf. So agieren sie als innovativer Energiespeicher. Die thermische Bauteilaktivierung sorgt für ein angenehmes Raumklima, spart Energie und kann gut mit erneuerbaren Energien kombiniert werden. Dieses einzigartige Speicherpotenzial eignet sich sowohl für die direkte thermische Energiespeicherung als auch für das eigene Lastmanagement: Über die thermische Bauteilaktivierung kann der Betrieb vorhandener Wärmepumpen optimiert und der Energieverbrauch reduziert werden. Die Technologie bietet sowohl im Neubau als auch bei Sanierungen erhebliches Speicherpotenzial und präsentiert sich als Schlüsselkomponente für das zukünftige, auf erneuerbaren Energien basierende integrierte Energiesystem.
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Internationale Energieagentur
Die Internationale Energieagentur (IEA) ist die weltweit bedeutendste Kooperationsplattform für Regierungen und Experten zu Forschung, Entwicklung und Nutzung von Energieträgern und -technologien.
In verschiedenen Technologieinitiativen (engl.: Technology Collaboration Programmes - TCPs) können sich Mitgliedstaaten und interessierte Partner an der internationalen Zusammenarbeit im Energiesektor beteiligen – in Forschung und Entwicklung, Demonstration und Verbreitung innovativer Technologien. Übergeordnetes Ziel ist dabei, gemeinsam zu einem nachhaltigen, sicheren und wirtschaftlichen globalen Energiesystem beizutragen.
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