Energiespeicher – Stand und Perspektiven. Sachstandsbericht zum Monitoring »Nachhaltige Energieversorgung«

Die Energieversorgung steht vor einer Reihe neuer Herausforderungen. Die zunehmende Liberalisierung und Globalisierung der Energiemärkte setzt nicht nur neue Rahmenbedingungen, sondern stellt auch neue Anforderungen an die Energieversorgungssysteme der Zukunft. Zentral ist dabei die Aufrechterhaltung der Versorgungssicherheit mit elektrischer Energie bei zunehmenden Anteilen fluktuierender Energieträger sowie veränderten Bezugsbedingungen für fossile Rohstoffe. Auch spielen die Vermeidung weiterer Klimaveränderungen und Umweltbelastungen durch die Energieversorgung eine wichtige Rolle. Energiespeicher sind heute ein fester Bestandteil unseres Energieversorgungssystems. Dennoch wird ihre Rolle – außerhalb der technischen Ebene – kaum wahrgenommen. Der TAB-Bericht gibt vor diesem Hintergrund einen Überblick über den aktuellen technischen Stand verfügbarer Energiespeichersysteme und innovative Speicherkonzepte im stationären wie auch im mobilen Bereich.
Energiespeicher nehmen in Versorgungssystemen eine Schlüsselstellung ein, indem sie es ermöglichen bzw. erleichtern, das Energieangebot auf die zeitlich variable Nachfrage abzustimmen. ... mehrBesonders für die »flüchtigen« Energieformen Strom und Wärme existieren bislang nur wenige wirtschaftlich attraktive Technologien zur Speicherung von großen Mengen Energie (z.B. Pumpspeicher-Wasserkraftwerke). In Versorgungssystemen mit einem hohen Anteil an dargebotsabhängiger Energieerzeugung (z.B. Windkraft) können Energiespeicher perspektivisch einen entscheidenden Beitrag zur Gewährleistung einer zuverlässigen und nachhaltigen Energieversorgung leisten.

Gegenstand und Ziel der Untersuchung
Vor diesem Hintergrund wurde – auf Vorschlag des Ausschusses für Bildung, Forschung und Technikfolgenabschätzung – im Frühjahr 2006 die Bearbeitung dieses Themenfeldes als Monitoringstudie begonnen. Ziel der Untersuchung ist ein umfassender Überblick über den aktuellen Stand und die Perspektiven heutiger und zukünftiger Möglichkeiten der Energiespeicherung in Anwendung und Forschung. Das Projekt lief im Rahmen des TAB-Monitoring »Nachhaltige Energieversorgung«.
Aufgrund der hohen energiewirtschaftlichen und -politischen Bedeutung des Feldes wurde von einem breiten thematischen Ansatz ausgegangen. Dabei werden die Bereiche Strom, Wärme (Kälte) und Kraftstoffe gemeinsam betrachtet, um erkennbare Synergien und/oder Konkurrenzen dieser Felder auszuloten. Die Untersuchungen fokussieren auf Bereiche mit einer hohen energiewirtschaftlichen Relevanz. Neben den neuen Anforderungen an die Energiespeicherung im Kontext einer nachhaltigen Energieversorgung wird ein strukturierter Gesamtüberblick über aktuelle und zukünftig absehbare Möglichkeiten der Energiespeicherung gegeben – quasi um die Bandbreite der verfügbaren technischen Möglichkeiten und Entwicklungsoptionen aufzuzeigen. Darüber hinaus werden ausgewählte Anwendungsbereiche (Netzunterstützung bei hohen Anteilen an erneuerbaren Energien, Stromerzeugung im Sonnengürtel, Speicher in Fahrzeugen) in ihren Besonderheiten hinsichtlich der Speicherung von Energie – auch mit Blick auf weiterführende Speicherkonzepte – dargestellt. Abschließend werden wesentliche internationale Forschungsschwerpunkte bzw. ‑aspekte, die im Zusammenhang mit Energiespeichern relevant erscheinen – für ausgewählte Länder und Regionen (D, EU, USA, JP, KP) –, aufgeführt, und es wird auf den Forschungsbedarf eingegangen.

INHALT
ZUSAMMENFASSUNG 3
I. EINLEITUNG 19
II. NEUE ANFORDERUNGEN AN DIE ENERGIESPEICHERUNG 23
III. TECHNISCHE MÖGLICHKEITEN DER ENERGIESPEICHERUNG 31
1. Mechanische Speicher 31
1.1 Druckluftspeicher 31
1.2 Pumpspeicherkraftwerke 35
1.3 Schwungräder 37
1.4 Stationäre Speicher für stoffliche Energieträger 39
1.5 Mobile Speicher für stoffliche Energieträger 41
2. Thermische Speicher 44
2.1 Kapazitive (sensible) Wärmespeicher 45
2.2 Latentwärmespeicher 51
3. Chemische Energiespeicher 54
3.1 Elektrochemische Speicher (Akkumulatoren) 54
3.2 Stoffliche Energieträger 73
3.3 Chemische Speicher für Wasserstoff 77
3.4 Thermochemische Speicher 82
4. Elektrische/elektromagnetische Speicher 86
4.1 Elektrochemische Kondensatoren 86
4.2 Supraleitende magnetische Energiespeicher 92

IV. EINSATZFELDER VON ENERGIESPEICHERN IM ANWENDUNGSKONTEXT 97
1. Überblick 97
2. Netzunterstützung bei hohen Anteilen an erneuerbaren Energien 101
3. Stromerzeugung im Sonnengürtel 108
4. Speicher in Fahrzeugen 113
5. Abschliessende Betrachtung 118


V. INTERNATIONALE FORSCHUNGSSCHWERPUNKTE 121
1. Deutschland 121
2. Europäische Kommission 125
3. USA 128
4. Japan 131
5. Korea 134
6. Abschliessende Betrachtung 136

VI. SCHLUSSFOLGERUNGEN, OFFENE FRAGEN, HANDLUNGSFELDER UND FuE-BEDARF 141

LITERATUR 149
1. In Auftrag gegebene Gutachten 149
2. Weitere Literatur 149

ANHANG 162