Die Rolle der saisonalen Energiespeicherung bei der Dekarbonisierung des Energiesystems

Energiespeicher sind erforderlich, um erneuerbare Energien zuverlässig und nachhaltig in das Energiesystem zu integrieren. Verschiedene Speichertechnologien sind erforderlich, um die Schwankungen von Energieerzeugung und -nachfrage auf verschiedenen Zeitskalen - von wenigen Sekunden bis hin zu saisonalen Schwankungen - auszugleichen. Allerdings sind nur wenige Technologien in der Lage, das langfristige (saisonale) Ungleichgewicht zwischen erneuerbarer Energieerzeugung und Energienachfrage auszugleichen. Hier skizzieren wir die Rolle und das Potenzial der saisonalen Energiespeicherung zur Dekarbonisierung des Energiesystems.

Die Energiespeicherung wird zu einem wichtigen Element für die Integration variabler erneuerbarer Energien auf dem Weg zu einem dekarbonisierten Energiesystem - traditionell einschließlich des Stromsektors, aber auch Wärme und Verkehr durch Sektorkopplung. Im Bereich der städtischen Energiesysteme, die durch verstreute und "dezentrale" erneuerbare Energieerzeugungsquellen gekennzeichnet sind, haben Energieingenieure einen Konsens über die Mischung technologischer "Lösungen" gefunden, die notwendig sind, um niedrige CO₂-Emissionen zu erreichen.

Während etablierte Systeme wie die Strom- und Erdgasnetze noch einen langen Weg der Transformation vor sich haben, konzentrieren sich die meisten Länder zusätzlich auf die folgenden Merkmale des Technologiemixes, um die Dekarbonisierung der Energiesysteme voranzutreiben:

1. Massiver Ausbau der erneuerbaren Energien vor allem durch Photovoltaik (PV) und Windenergie.
2. schrittweise Einführung von Speichertechnologien zur Integration erneuerbarer Energien, z. B. zur Abstimmung von Energieerzeugung und -nachfrage, was wiederum die Autarkie und Widerstandsfähigkeit erhöht (Batterien retteten den Tag für einige in Texas).
3. Elektrifizierung des Wärme- und Verkehrssektors durch Wärmepumpen bzw. Elektrofahrzeuge.

Ein Beispiel für ein optimales städtisches Energiesystem ist in Abbildung 1 dargestellt, in dem die drei oben genannten Merkmale in die Mischung verschiedener Technologien integriert sind, die das Spektrum von minimalen Kosten bis zu minimalen CO₂-Emissionen bilden. Die beiden Energiesysteme wiesen einen ähnlichen Technologiemix für die Energieerzeugung auf, wobei das kostengünstigste System auf erneuerbare Energien (die bereits heute rentabel sind) und auf die Strom- und Erdgasnetze setzt. Allerdings, Das Szenario mit minimalen CO2-Emissionen weist eine wichtige Ergänzung auf: die Abhängigkeit sowohl von kurzfristigen (über thermische Speicher und Batterien) als auch von saisonalen (über Power-to-Hydrogen, PtH₂) Lagerung um die Selbstversorgung zu erhöhen und das System zu dekarbonisieren.

Die saisonale Energiespeicherung ist eine vielschichtige Technologie, die verschiedene Energieträger (Wasserstoff, Ammoniak, Methan usw.), Umwandlungstechnologien ("Power-to-X" je nach Energieträger) und Speichermedien (Tanks) umfassen kann, Salzkavernen, usw.). Einige wenige Technologien haben das Potenzial, saisonale Schwankungen bei der Energieerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen auszugleichen, und es hat sich kein eindeutiger Sieger herauskristallisiert. (Wulf et al. 2020)gilt die Wasserstoffspeicherung als eine der realistischsten und vielversprechendsten Lösungen. (Nationale Akademien der Wissenschaften, Technik und Medizin, NASEM). Power-to-Hydrogen ist ein System, das aus einem Elektrolyseur für die Wasserstofferzeugung mittels Elektrizität, einer Brennstoffzelle für die Umwandlung von Wasserstoff in Elektrizität und Wärme und einer Wasserstoffspeichertechnologie besteht, die beide miteinander verbindet und Stromerzeugung und -bedarf entkoppelt.

Abbildung 1: Allgemeiner Vergleich von Multi-Energie-Systemtopologien mit minimalen Kosten und minimalen CO₂-Emissionen. Das Power-to-Hydrogen (PtH₂)-System besteht aus einem Elektrolyseur (EC), einer Brennstoffzelle (FC) und einem Speichertank (Petkov und Gabrielli 2020).

Zwei Gründe für die Bedeutung der saisonalen Energiespeicherung

Die aktuelle wissenschaftliche Literatur und die Medien konzentrieren sich hauptsächlich auf Batteriespeicher. Dies liegt zum einen daran, dass der Energiesektor noch nicht das Niveau der installierten erneuerbaren Erzeugung und der Dekarbonisierung erreicht hat, das eine saisonale Energiespeicherung erfordert. Andererseits wird die saisonale Energiespeicherung selbst bei der Betrachtung zukünftiger Energiesysteme, die vollständig auf erneuerbaren Energien basieren, kaum untersucht (Hansen et al. 2019). Es wird jedoch ein Portfolio von Energiespeichertechnologien erforderlich sein (Guerra et al. 2020, Sepulveda et al. 2021), und die saisonale Speicherung sollte aus mindestens zwei Gründen Teil der Dekarbonisierungsdiskussion sein.

Erste, Es besteht die Notwendigkeit, Energie auf verschiedenen Zeitskalen zu speichern, da die Verfügbarkeit erneuerbarer Energien und der Energiebedarf langfristig nicht übereinstimmen. (siehe Empfehlungen der NASEM und von DNV). Wir zeigen diesen langfristigen Mismatch für den Fall einer von der Photovoltaik dominierten Energieversorgung in Abbildung 2a. Während andere erneuerbare Energiequellen wie Wind das Problem des langfristigen Ungleichgewichts erheblich verringern würden, ist für eine tiefgreifende Dekarbonisierung dennoch eine saisonale Speicherung erforderlich.

ZweiteDer Round-Trip-Wirkungsgrad (Laden/Entladen) von Speichertechnologien ist KEIN statisches Konzept. Die Round-Trip-Effizienz ist eine Funktion der Zeit aufgrund der Selbstentladung, die natürlich im Laufe der Zeit erfolgt. Deshalb müssen wir als Energietechniker berücksichtigen, wie lange die Energie gespeichert wird, um die optimale Speichertechnologie zu bestimmen. Abbildung 2b veranschaulicht den Zielkonflikt zwischen dem Wirkungsgrad und der Selbstentladung.

Die Modellierung der Dynamik der Speichereffizienz kann jedoch sehr komplex sein, und die meisten wissenschaftlichen Arbeiten befassen sich nicht mit diesem aufstrebenden Gebiet (Beuse et al. 2020, Sepulveda et al. 2021). Wichtig ist, dass Energiemodelle, die Folgendes berücksichtigen dynamisch Round-Trip-Effizienz zeigen die Notwendigkeit, herkömmliche (Li-Ionen-)Batterien zu ergänzen, aber auch über sie hinauszugehen, da sie nicht alle Probleme des Energiesystems auf unserem Weg der Dekarbonisierung lösen können (Gabrielli et al. 2020, Petkov et al. 2021). In Anbetracht dieser Gründe werden je nach dem Kosten-Emissions-Verhältnis unterschiedliche Investitionsentscheidungen für Speichertechnologien getroffen.

Abbildung 2: (a) Langfristiges Missverhältnis zwischen Stromnachfrage und Solarstromerzeugung (Wochendurchschnitt) für Europa. (b) Schematische Round-Trip-Effizienz für eine kurzfristige (z. B. Batterie, grüne Linie) und eine langfristige (z. B. PtH2, blaue Linie) Speichertechnologie (Gabrielli et al. 2020).

Wie, wann und wo man saisonale Energiespeicher installiert

Die beiden oben genannten Gründe werden veranschaulicht durch unsere jüngsten wissenschaftlichen Erkenntnissedie darauf hindeuten, dass die CO₂-Emissionen in städtischen Systemen um bis zu 90% reduziert werden können. ohne saisonale Energiespeicherung. Um jedoch die CO₂-Emissionen auf Null zu bringen, ist die saisonale Energiespeicherung als Technologie zur Emissionsreduzierung auf der letzten Meile notwendig, wenn auch mit deutlich höheren Kosten im Vergleich zum Minimalkostensystem.

Die Rolle der saisonalen Energiespeicherung ist in Bezirken mit einem hohen Verhältnis von saisonalem Wärme- zu Strombedarf besonders ausgeprägtdie typischerweise in kälteren Klimazonen zu finden sind. Das Erreichen von Null CO₂ erfordert nämlich eine umfangreiche erneuerbare Stromerzeugung mit hohem Eigenverbrauch (50 bis 90%), die eine vollständige thermische Elektrifizierung durch Wärmepumpen und Brennstoffzellen ermöglicht. Die Auswirkungen von Sektorenkopplung durch elektrisches Heizen auf die städtischen Energiesysteme ist bemerkenswert, da sie zu einem erheblichen Anstieg der Nettostromnachfrage führt.

In Abbildung 3 wird die Beziehung zwischen Wasserstoff- und Batteriespeichern veranschaulicht, wobei (i) die saisonale Verschiebung zwischen dem Laden im Sommer und dem Entladen im Winter dargestellt wird._; (ii) die optimale Größe der gespeicherten Energie in PtH₂ und Batterien, die im Durchschnitt zu etwa 5% bzw. 2% des jährlichen Energiebedarfs beitragen, und (iii) die kurzfristigen Schwankungen der Batterien. Hier haben Batterien im Allgemeinen eine Zyklusdauer von etwa 3 Wochen bis maximal 3 Monaten, während die PtH₂ System hat in der Regel vor dem Wintereinbruch (November) seine Speicherspitze und ist im Frühjahr (März) vollständig entladen.

Abbildung 3: Bereiche der gespeicherten Energie in PtH₂ (lila), Batterien (grün) und Wärmespeicher (rot unten) über ein Jahr in einem städtischen Energiesystem in Mitteleuropa. Die mittlere Auslegungsgröße wird für jede Technologie als Linie in einer anderen Farbe dargestellt.

Dies zeigt, dass PtH₂ wird kostenoptimal, um null CO₂-Emissionen zu erreichen. Die hohen Kosten von PtH₂ sind hauptsächlich auf die Technologien zur Erzeugung und Umwandlung von Wasserstoff - Elektrolyseure und Brennstoffzellen - und nicht auf die Speicherung selbst zurückzuführen. Bei großen Speicheranlagen sind die Kosten der Wasserstofferzeugungs- und -umwandlungstechnologien vergleichsweise weniger relevant und PtH₂ kostenmäßig wettbewerbsfähig wird. Mit anderen Worten, PtH₂ ermöglicht eine bessere Entkopplung von Energie und Leistung als andere Formen der Energiespeicherung.

Wasserstoff als Medium für die saisonale Energiespeicherung

Im Vergleich zu anderen chemischen Verbindungen (z. B. Methan), Wasserstoff ermöglicht aufgrund einer einfacheren Prozessgestaltung eine höhere Umlaufeffizienz. Gleichzeitig wird im Vergleich zu großen thermischen Anlagen, Wasserstoff ermöglicht eine bessere Sektorkopplung, da er sowohl für die Stromerzeugung als auch direkt für den Verkehr genutzt werden kann..

Es gibt verschiedene Formen der Wasserstoffspeicherung, nämlich die mittelgroße, oberflächennahe Großspeicherung und die großtechnische unterirdische Wasserstoffspeicherung (Kruck et al. 2013). Die oberflächennahe Speicherung kann durch Rohrspeicher und Tanks erfolgen, die eine hohe betriebliche Flexibilität ermöglichen - Abbildung 4 zeigt ein Beispiel für einen PtH₂ Projekt in Deutschland. Oberflächennahe Systeme sind jedoch weniger wettbewerbsfähig als unterirdische Wasserstoffspeicher. Zu den verschiedenen Optionen für eine groß angelegte unterirdische Speicherung, Salzkavernen werden als am wichtigsten angesehen, mit bestehenden Betriebseinheiten im Vereinigten Königreich und in den Vereinigten Staaten (Niederländische Unternehmensagentur 2017). Die Salzlagerstätten sind für Hochdruckgase nahezu undurchlässig, und die salzhaltige Umgebung verhindert den Beginn biochemischer Reaktionen, die andernfalls den gespeicherten Wasserstoff verbrauchen könnten, was zu einer vernachlässigbaren Selbstentladung führt (Gabrielli et al. 2020).

Abbildung 4: Beispiel für ein PtH₂ Anlage (Projekt RH2 -WKA), die mit Windkraft betrieben wird, in Deutschland (frei verfügbares Bild – Link zum Bild).

Hindernisse und Chancen für die saisonale Energiespeicherung in künftigen Energiesystemen

Eines der Haupthindernisse für den Einsatz von saisonalen Energiespeichern im Allgemeinen und von PtH₂ bezieht sich insbesondere auf seine die derzeit hohen Kosten, die rasch gesenkt werden (IRENA 2020). Diese Kosten werden auch bei großen Speicheranlagen gesenkt, die erforderlich sind, wenn eine vollständige Dekarbonisierung des Energiesektors angestrebt wird. In diesem Rahmen ist die kostenoptimale Lösung durch ein Portfolio von Speichertechnologien gegeben, um hohe Anteile erneuerbarer Energien vollständig zu nutzen. Hier, Energie wird über Batterien für kürzere Zeiträume und über Wasserstoff für längere Zeiträume gespeichert.

Gleichzeitig wird der Einsatz verschiedener Speichertechnologien dazu beitragen, die technischen Hürden im Zusammenhang mit der Degradation und der Zuverlässigkeit elektrochemischer Technologien zu verringern. Dies ist derzeit ein Hindernis für Elektrolyseure und Brennstoffzellen, betrifft aber auch Batterien. Außerdem wird der Einsatz von PtH₂ innerhalb des Speicherportfolios könnte dazu beitragen, geopolitische Probleme im Zusammenhang mit der Verfügbarkeit der für die Batterieherstellung benötigten Ressourcen zu entschärfen (U.S. DOE 2020) sowie eine bessere Verknüpfung des Stromsektors mit dem Wärme- und Verkehrssektor. Insgesamt wird dies eine bessere nachhaltiger und kostengünstiger Übergang zu einem vollständig dekarbonisierten Energiesystem.