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Forschungsbericht 2017
(2017)
Energy supply always requires energy storage—either as an intrinsic property or as additional system. It is an intrinsic property of solid, liquid, and gaseous fuels, although less so of water-borne heat, but not of electricity. So to meet variable demands and supplies, heat and electricity networks usually require additional storage systems. When they are added to an energy network, should they be viewed as ‘suppliers’ or as ‘consumers’? Who is responsible for covering the costs of storage systems? To categorize storage systems in the energy sector, they first need to be carefully defined.
This chapter defines storage as well as storage systems, describes their use, and then classifies storage systems according to temporal, spatial, physical, energy-related, and economic criteria.
Chemical Energy Storage
(2019)
Purely electrical energy storage technologies are very efficient, however they are also very expensive and have the smallest capacities. Electrochemical-energy storage reaches higher capacities at smaller costs, but at the expense of efficiency. This pattern continues in a similar way for chemical-energy storage. In terms of capacities, the limits of batteries (accumulators) are reached when low-loss long-term storage is of need. Chemical-energy storage and stocking fulfills these requirements completely. The storing itself may be subject to significant efficiency losses, but, from today’s point of view and in combination with the existing gas and fuel infrastructure, it is the only national option with regards to the long-term storage of renewable energies.
Chemical-energy storage is the backbone of today’s conventional energy supply. Solid (wood and coal), liquid (mineral oil), and gaseous (natural gas) energy carriers are ‘energy storages’ themselves, and are stored using different technologies. In the course of energy transition, chemical-energy storage will be of significant importance, mainly as long-term storage for the power sector, but also in the form of combustibles and fuels for transport and heat. Not only are conventional storing technologies discussed within this chapter, but a detailed explanation is also given about the storage of renewable energies in the form of gaseous (power-to-gas, PtG) and liquid (power-to-liquid, PtL) energy carriers for electricity, heat, chemicals, and in the form of synthetic fuels.
Mechanical Energy Storage
(2019)
Chemical-energy storage systems use caverns, porous storage facilities, tanks, and storage rooms to store chemical energy sources. Caverns, caves, and reservoirs can also be used to store gaseous media such as air, liquid media such as water, and solid media such as rock. The principles of mechanical energy storage are based on classical Newtonian mechanics, or in other words on fundamental physics from the eighteenth and nineteenth centuries. As a result, these types of storage are typically divided into two categories; storage of kinetic and potential energy, or storage of ‘pressure energy’. In this chapter, storage media is categorized by its aggregate state, and described by its function and application: first compressed air energy storage and then conventional electricity storage—pumped-storage plants. The chapter continues with a discussion of innovative methods of storing potential energy using water as a medium. These include artificially constructed pumped storage, pumped storage in the open sea, dam storage on rivers, pumped storage on heaps in repurposed mining areas, underfloor or underground pumped storage, and surface mine storage. The chapter concludes with a description of classical and modern flywheel energy storage systems. This age-old technology is then compared with a new concept: mechanical stored energy exploiting both pumped storage and change in the potential energy of rocks or large boulders.
Mechanische Energiespeicher
(2017)
Chemische Energiespeicher
(2017)
Durch das in Paris beschlossene Ziel, die globale mittlere Temperatur auf deutlich unter 2 Grad Celsius gegenüber dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen, ist ein Ausstieg aus der Nutzung fossiler Energieträger und Rohstoffe bis zum Jahr 2050 notwendig (WBGU 2016).
Daher hat sich die Bundesregierung das Ziel gesetzt, bis zur Mitte des Jahrhunderts eine weitgehende Treibhausgasneutralität zu erreichen. Hierzu ist neben einer Steigerung der Energieeffizienz in allen Sektoren ein Ausbau erneuerbaren Energien notwendig. Dies beinhaltet hauptsächlich den Zubau von Wind‐ und Solarstromanlagen. Somit gewinnt die Sektorkopplung immer mehr an Bedeutung und wird in Zukunft eine tragende Rolle für die Defossilisierung des Energiesystems spielen (BMUB 2016). Als zentrales Element der Sektorkopplung gilt Strom, der über Power‐to‐X (PtX) sowohl energetisch im Wärme‐, und Verkehrssektor als auch stofflich in der Industrie und vor allem im Chemiesektor eingesetzt werden kann (Ausfelder et al. 2018a). Im Rahmen des P2X‐Vorhabens der Kopernikus Forschungsinitiative wird die Sektorkopplung durch die Umwandlung von Strom mittels elektrochemischer Prozesse in stoffliche Ressourcen wie Wasserstoff, Synthesegas oder Kohlenstoffmonoxid untersucht. Der Schwerpunkt liegt auf der Betrachtung der Kopplung von Strom und Verkehr sowie Strom und Chemie und der Untersuchung von Prozessen und Pfaden, die aus ökologischer, ökonomischer und gesellschaftlicher Sicht vorteilhaft sind. Eine vergleichende Einordnung in den Gesamtkontext der Energiewende mit Abwägung zahlreicher Alternativen und Konkurrenztechnologien ist dort allerdings nicht vorgesehen. Zudem werden einige relevante PtX‐Technologien wie Power‐to‐Heat nicht betrachtet. Aus diesem Grund wurden in SPIKE ergänzende PtX‐Technologiepfade aus systemanalytischer Sicht untersucht. Dies sind Power‐to‐Heat (PtH) und Power‐to‐Gas (PtG) über Elektrolyse und optionaler anschließender Methanisierung sowie die Herstellung ausgewählter Pfade der strombasierten Herstellung von Produkten der energieintensiven Industrie. Ziel des Forschungsvorhabens war die Analyse von PtX‐Technologien und Pfaden, deren vergleichende Einordnung im Gesamtkontext der Energiewende sowie die Unterstützung des P2X Roadmapping Prozesses und die Ableitung von Handlungsempfehlungen. Ein besonderer Schwerpunkt lag auf dem Einsatz von PtX im Industriesektor. Für das Vorhaben wurden Arbeitspakete (AP) erstellt, die Untersuchungen zu Technologie, Potenzial, Ökonomie und Ökologie von PtH (AP 1), PtG (AP 2), Power‐to‐Ammoniak, Power‐to‐Ethen und Power‐to‐Propen (AP 3) umfassten. Daraus wurde in AP 4 ein Systemvergleich mit Einordnung von PtX in die Energiewende durchgeführt. Auf dieser Basis und der Identifizierung regulatorischer Rahmenbedingungen für PtX (AP 5) wurde das deutsche Energiesystem samt PtX‐Pfaden in einem Energiesystemmodell abgebildet (AP 6). Die Ergebnisse flossen in das Roadmapping ein (AP 7). Zudem erfolgte ein Austausch mit den Projektpartnern und das Verfassen wissenschaftlicher Abhandlungen (AP 8).