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06 | 2019

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Energiespeicher Effekt

Energiespeicher Effekt Wasser Material (Beispiel) Gestein Spezifische Investitionskosten [€/kWh] [49; 50] 0,1 bis 10 [51] 0,4 bis 40 Typische Größen [MWh] [49] [51] Temperaturen [°C] [52] Tabelle Einordnung der Wärmespeicher und ihrer Charakteristika. tien konnten ihre Interessensbekundung an der Förderbekanntmachung des BMWi zur geplanten Förderung einer Batteriezellenproduktion in Deutschland und Europa bis zum 15. März 2019 einreichen. Eine europäische Batteriezellenproduktion wird hierbei als wichtiger Faktor für die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen und europäischen Automobilhersteller im Bereich der Elektromobilität gesehen. Diese Branche hat einen entscheidenden Einfluss auf die Batteriezellenhersteller und legt dabei auch die geforderten Standards fest. Auch die Standortsuche für die Batteriezellenfertigung orientiert sich an den Produktionsstätten der Automobilhersteller. Aktuell finden die europäischen Automobilhersteller ihre Batteriezellenlieferanten hauptsächlich in Ostasien. Das chinesische Unternehmens CATL hat angekündigt, eine Batteriezellenproduktion mit einer Kapazität von 14 GWh aufgrund eines Trend 2019 Sensible Wärmespeicher Wärmezu- / -abfuhr, einphasig < 100 < 5 000 bis 1 000 Latente Wärmespeicher Wärmezu- / -abfuhr, zweiphasig Salzhydrate Paraffine 10 bis 50 20 bis 100 < 10 < 500 bis 400 Thermochemische Wärmespeicher Chemisch reversibel, Sorptionsprozesse Salzhydrate Silicagel 8 bis 100 – < 10 – bis 1 000 Großauftrags von BMW in Erfurt aufzubauen [43]. Es existieren zudem Pläne, die Kapazität am Standort Erfurt auf 100 GWh perspektivisch auszubauen [44]. Mit Unterstützung der polnischen Regierung will der südkoreanische Batteriezellen-Hersteller LG Chem seine Produktionskapazitäten in Polen verdreifachen. LG Chem ist unter anderem ein Hauptlieferant von Batteriezellen für die Daimler AG, die in Standortnähe zum LG-Chem-Werk die Produktionskapazitäten für Mercedes- Benz Cars weiter ausbaut. In Ungarn ziehen die koreanische Unternehmen SK Innovation und Samsung SDI neue Produktionsstätten auf. Darüber hinaus existieren weitere Pläne zum Aufbau europäischer Batteriezellenproduktionskapazitäten, unter anderem von Northvolt in Schweden [45]. Weiterhin baut die Daimler AG ihre Batteriemodulfertigung im sächsischen Kamenz weiter aus [46]. Speichertechnologien sind eine essenzielle Flexibilitätsoption für ein klimafreundliches und sicheres Energieversorgungssystem. Sie ermöglichen die Dezentralisierung des Systems und die Integration hoher Anteile erneuerbarer Energien. Energiespeicher sind zudem zentrale Elemente von Sektorenkopplungspfaden und stellen auch hier notwendige Flexibilität zur Verfügung. Der steigende Bedarf an Energiespeichertechnologien spiegelt sich in einer wachsenden Vielfalt marktreifer Speicherbetriebsmodelle. Dank ihrer multifunktionalen Möglichkeiten werden Speicher häufig besonders effizient in Form von gemischten Betriebsmodellen, bei denen mehrere Anwendungsgebiete kombiniert werden („Multi-Use-Speicher“), eingesetzt. Nachdem das Marktsegment Heimbatteriespeicher in der Entwicklung zunächst vorlief, holt das Marktsegment der Groß- und Industriebatteriespeicher deutlich auf. Die Bereitstellung von Systemdienstleistungen durch Strom- und Wärmespeicher ist heute bereits etabliert und wird weiter an Bedeutung gewinnen. Die Elektromobilität treibt den Boom der Batteriespeicher weiter an und führt die Mobilitätswende in verschiedene neue Richtungen weg von fossilen Kraftstoffen. Die deutsche Regierung hat sich im Koalitionsvertrag energiepolitische Ziele gesetzt, die die Energiewende regulatorisch unterstützen sollen und mit Blick auf das neue Jahr 2019 Grund zur Erwartung entsprechender Gesetzesanpassungen geben. Kurzfristig helfen die europäischen Batteriezellenproduktionsstandorte aus Ostasien, den deutschen und europäischen Industrien Lieferwege zu verkürzen und Produktionskapazitäten zu sichern. Beide Aspekte sind wichtig, um auf globalen Märkten wettbewerbsfähig sein zu können. Deutschland und Europa haben erkannt, dass für die langfristige Entwicklung die Energiespeicherbranche ein Innovationstreiber und ein Tor zu den global dominierenden Zukunftsmärkten ist. Weltweit wächst die Nachfrage nach sicheren und intelligenten Energiespeichersystemen in allen Anwendungsbereichen – insbesondere der Elektromobilität. Eine erfolgreiche Energiespeicherbranche, inklusive dem Aufbau einer heimischen Batteriezellenfertigung in Deutschland, sichert die industriepolitische Wettbewerbsfähigkeit und zugleich den Anspruch auf eine Vorreiterrolle in internationalen Energiemärkten. Wärmespeicher Etwa 50 % des deutschen Endenergieverbrauchs entfallen auf die Wärmenutzung [47] – ohne Heizen mit Strom. Und nur ein kleiner Teil davon, etwa 12,9 % [48], werden derzeit aus erneuerbaren Energien bereitgestellt. Im Neubaubereich sind mittlerweile in zahlreichen Gebäudestandards feste Anteile der Hausenergieversorgung mittels erneuerbarer Energien vorgeschrieben. Das Thema Wärmespeicher rückt dabei zunehmend in den Fokus der Energieversorgung. PtH- Anwendungen ergänzen oder ersetzen die bisherigen Wärmebereitstellungsprozesse in Industrie und Gewerbe. In der Stromversorgung wird verstärkt der Einsatz von PtH-to-Power-Systemen zur Stromspeicherung in Demonstrationsprojekten erprobt. Entsprechend der Tendenz der zunehmenden erneuerbaren Energien entwickeln sich die Zahlen auf dem Markt für alle Speicher, speziell aber auch für thermische Speicher. 2018 beschäftigte die Wärmespeicherbranche rund 3 000 Personen und machte dabei einen Umsatzerlös von rund 950 Mio. € – ein Zuwachs von 19,5 % in den letzten vier Jahren [3]. Thermische Speicher lassen sich in drei Wirkprinzipien einordnen (Tabelle). Die sensiblen Wärmespeicher sind kostengünstig, das Einsatzmedium – zumeist Wasser – ist ungefährlich, und sie sind sehr gut koppelbar mit erneuerbarer und fossiler Wärmeerzeugung. Aus diesen Gründen werden diese Wärmespeicher in Einfamilienhäusern verbreitet zur Unter- 42 BWK Bd. 71 (2019) Nr. 6

Energiespeicher stützung der Trinkwasser- und/oder Heizungswassererwärmung sowie zur Kopplung mit Solarkollektoren eingesetzt. Überwiegend im Einsatz sind vor allem Schichtspeicher, die Wasser für eine kurzzeitige Tages- oder sogar nur Spitzenzeitenlastabdeckung thermisch speichern. Auch im Erdboden verbaute Speicher kommen zum Einsatz und werden insbesondere auch in Verbindung mit einer erdwärmebetriebenen Wärmepumpe genutzt. Hier sind überwiegend feste Speichermaterialien in Form von Sand, Kies, Gesteinen oder als Schüttung in Verbindung mit Wasser gebräuchlich. Die latente Wärmespeicherung – auch im Haushaltsbereich – ist noch nicht so verbreitet wie die sensible Wärmespeicherung. Die Ursache dafür liegt hauptsächlich in den höheren Kosten der Speichersysteme. Im Vergleich zu einem sensiblen Wärmespeicher kostet er in der Anschaffung etwa das Vierfache bei gleichem Energieinhalt. Wie wirtschaftlich diese Wärmespeichertechnik ist, hängt außerdem stark von der Wechselbeständigkeit der Phasenwechselmaterialien (PCM, Phase Change Materials) und der erreichbaren Speicherzyklenzahl ab. Muss das Speichermedium nach einer begrenzten Anzahl von Be- und Entladezyklen ausgetauscht werden, verlängert sich die Amortisationszeit beträchtlich. Vorteil der La tentwärmespeicher ist, dass man die Wärme nahezu zeitlich unbegrenzt ohne Verluste speichern kann. Zudem ist der Platzbedarf deutlich geringer als bei sensiblen Wärmespeichern. Üblicherweise wird bei latenter Wärmespeicherung die Zustandsänderung von fest nach flüssig beziehungsweise umgekehrt genutzt. Die Volumenzunahme bei diesem Phasenwechsel von gewöhnlich nicht mehr als 10 % zwischen diesen beiden Aggregatzuständen gilt als beherrschbar. Schwieriger zu beherrschen ist die Volumenänderung bei einer Zustandsänderung in den gasförmigen Zustand. Die Klasse der thermochemischen Speicher eignet sich sehr gut für den Einsatz bei Hochtemperaturprozessen in der Industrie und in Kraftwerken. Ihr Vorteil gegenüber den sensiblen Wärmespeichern ist die größere erzielbare Wärmedichte und das Fehlen von Ruheverlusten. Je nach Effekt handelt es sich hierbei um einen chemischen Prozess oder um einen physikalischen Prozess (Sorption). Derzeit befinden sich einige Speichersysteme noch in der Entwicklung oder Demonstration. Die Kosten sind nach derzeitigen Schätzungen um ein Vielfaches höher als bei der sensiblen Wärmespeicherung. Die Tabelle gibt eine Einordnung von charakteristischen Daten der Wärmespeicher. Je nach Quelle differieren diese Werte leicht. Die Spannbreite innerhalb der jeweiligen Technologien beruht auf dem Einsatz des Wärmeträgers sowie des Behälters und der zugehörigen Wärmedämmung. Der Endkundenbereich: Gebäude/Quartier/(Klein-)Gewerbe Eine hohe Marktdurchdringung haben Wärmespeicher bei Endkunden im Bereich Haushalte, zum Teil auch im Gewerbe und in kleineren Industriebetrieben erreicht. Üblicherweise findet man hier Wärmespeicher in Kombination mit erneuerbaren Energien, beispielsweise Solarthermie oder Holzheizungen, Blockheizkraftwerken (BHKW) oder auch Wärmepumpen. Klassischerweise werden in diesem Endkundensegment sensible Schichtenspeicher mit Wasser als Speichermedium eingesetzt. Der Nutzungsgrad dieser Wärmespeicher hängt dabei unter anderem von der richtigen Schichtung beziehungsweise der richtigen Umsetzung von verschiedenen Wärmeniveaus im Speicher ab. Die genaue Anzahl der aktuell in Betrieb befindlichen Wärmespeicher in Haushalten lässt sich nur grob abschätzen. So kann über die Anzahl der bisher errichteten Holzpelletheizungen sowie solarthermischen Anlagen eine entsprechende Abschätzung erfolgen. Im Jahr 2018 waren in Deutschland rund 465 500 Pelletkessel und rund 2,36 Millionen solarthermische Heizungen installiert [53; 54]. Dazu kommt ein gewisser Prozentsatz an Wärmespeichern, die in Kombination mit den 880 000 erdund luftwärmegespeisten Heizungen installiert sind [55]. Angenommen, jede zweite dieser Heizungen ist mit einem Wärmespeicher ausgestattet, dann kann im Endkundenbereich „Haushalte“ eine Anzahl von insgesamt mindestens rund 3,2 Millionen Wärmespeichern abgeschätzt werden. Hinzu kommen eine unbekannte Anzahl von Wärmespeichern, die über klassische PtH-Systeme, zum Beispiel in Kombination mit Photovoltaik, eine gewisse Marktpräsenz erreicht haben sowie Wärmespeicher an weiteren Festbrennstoffstoffheizungen, für die gemäß 1. BImSchV Pufferspeicher zum Teil verpflichtend sind [56]. Auch in Kombination mit Erdgas- und Öl-Zentralheizungen werden teilweise Pufferspeicher eingesetzt. Hierzu liegen allerdings keine Daten vor. Die ab den 1950er-Jahren errichteten Nachtspeicherheizungen funktionieren nach dem klassischen PtH-Verfahren und speichern anschließend die Wärme in einem Feststoff, meist in Beton- oder Schamottsteinen, oder in Wasser. Sie waren bis zum Jahr 2000 auf eine Anzahl von 2,4 Millionen angewachsen. Im Jahr 2017 befanden sich noch rund 1,6 Millionen dieser Heizungen in Betrieb [57]. Es wird geschätzt, dass sie in Summe einen Strombedarf von etwa 10 bis 15 TWh/a haben. Auch wenn der noch 2009 von der Bundesregierung in der Energieeinsparverordnung (EnEV) beschlossene Austausch von Nachtspeicheröfen im Wärmemarkt bis zum Jahr 2019, der von einem entsprechenden Zuschuss von 200 € pro zu entsorgendem Gerät im KfW-Programm 431 begleitet wurde, 2013 wieder zurückgenommen wurde, sehen Szenarien den fast vollständigen Ersatz dieser Heizungstechnologie bis 2030 [58]. Ab 1993 erfolgte in den Programmen „Solarthermie 2000“ sowie „Solarthemie 2000plus“ über 15 Jahre eine systematische Förderung von größeren Solarthermieanlagen seitens des Bundes. Über 76 Anlagen – die meisten davon mit Speichern – wurden an Krankenhäusern, Bürogebäuden, Kleingewerbeeinheiten sowie Mehrfamilienhäusern errichtet. Bei den zugehörigen Speichern handelt es sich sowohl um Pufferspeicher für die kurzfristige Wärmespeicherung als auch um saisonale Speicher. Nicht alle diese Anlagen befinden sich noch in Betrieb. Die letzte bekannte Begleitstudie aus dem Jahr 2016 [59] ermittelte eine Quote von 86 % noch laufender Anlagen. Es ist jedoch davon auszugehen, dass es eine weitaus höhere Anzahl an Wärmespeichern in Gewerbebetrieben gibt, die statistisch derzeit nicht erfasst sind. Nicht nur sensible Wärmespeicher, sondern auch Latentwärmespeicher finden bereits Anwendung im Endkundenbereich. Die Anwendungsbereiche von La - tentwärmespeichern sind vielfältig und reichen von Logistik, Gebäuden, Medizintechnik, Lebensmittelindustrie hin zu Elektronik und weiteren Anwendungen. Die RAL-Gütegemeinschaft PCM hat einige Unternehmen gelistet, die aktuell gütegeprüfte PCM-basierte Produkte anbieten [60]. Im Gebäudebereich werden PCM in Speichern, in Kühldecken und in Baustoffen zur passiven Gebäudeklimatisierung einsetzt. Das Bayerische Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE Bayern) begleitet bereits über mehrere Projekte hinweg den Einsatz von PCM in Gebäu- BWK Bd. 71 (2019) Nr. 6 43

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