Der stetig steigende Anteil der Energieerzeugung aus erneuerbaren Energien wie Wind- und Sonnenenergie wird zukünftig vermehrt den Einsatz von elektrischen Speichern erfordern um Angebot und Nachfrage nach Elektrizität besser zur Deckung zu bringen. Zusätzlicher Bedarf erwächst aus der zu erwartenden Transformation des mobilen Sektors hin zum Elektro- und Hybridfahrzeug. Hierbei werden sowohl elektro-chemische Speicher wie Batterien als auch Superkondensatoren und Brennstoffzellen zum Einsatz kommen.
Die Forschung und Entwicklung von elektrischen Energiespeichern ist in Deutschland lange vernachlässigt worden. Um den dadurch entstandenen Rückstand aufzuholen, müssen große Anstrengungen unternommen werden. Dabei liegen die Herausforderungen in der raschen Entwicklung von kostengünstigen Speichern mit hoher Energie- und Leistungsdichte sowie langer Lebensdauer. Für die nächste Generation elektrochemischer Energiespeicher ist eine Intensivierung der Forschung im Bereich Materialien und Zellchemie notwendig, um signifikant höhere Speicherdichten zu schaffen.

Auszüge aus dieser Studie: http://www.fvee.de/fileadmin/politik/10_...langfassung.pdf

...Einführung

Elektrische Stromspeicher haben eine Schlüsselrolle bei der Nutzung regenerativer Energiequellen, da sie aufgrund ihres hohen Energiewirkungsgrades optimal zur Pufferung von fluktuierenden regenerativen Stromquellen wie Photovoltaik oder Windenergie geeignet sind. Sie fangen Spannungsschwankungen ab, erlauben die Nutzung kabelloser oder netzunabhängiger Bauelemente und gewährleisten damit zum Beispiel Mobilität auf der Basis elektrischer Energie. Die elektrochemische Stromspeicherung in Batterien, ergänzt durch Kondensatoren bekommt eine zunehmende Bedeutung für die sich entwickelnde nachhaltige Energiewirtschaft

Die zurzeit massiv vorangetriebene Entwicklung von Elektrofahrzeugen eröffnet darüber hinaus langfristig die Möglichkeit, eine elektrifizierte Fahrzeugflotte als großes dezentrales Stromspeicherwerk einzusetzen. Dafür müssen Verknüpfungen der Elektrifizierung des Mobilitätssektors mit der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien geschaffen werden.

...Kleinskalige Batteriesysteme für portable Anwendungen (1-100 Wh für Handys, Laptops etc.) sind dagegen in den letzten 10 Jahren durch den nahezu vollständigen Übergang auf Lithium-Ionen-Zellen mit höherer Energiedichte geprägt.

Um auch große elektrische Speicher für stationäre und mobile Anwendungen möglichst schnell alltagstauglich zu machen, besteht die Herausforderung der aktuellen Batterieentwicklung in der Übertragung der so genannten „Lithium-Revolution“ auf großskalige industrielle Batteriesysteme mit hoher Energiedichte.

Für kostengünstige große stationäre Speicher auf Basis der Redox-Flow Technologie besteht die Herausforderung darin, die im Kilowattstunden-Bereich prototypisch existierende Technologie in die Megawattstunden-Klasse hoch zu skalieren.


...I. Elektrochemische Stromspeicherung für stationäre Anwendungen

Stationäre Stromspeicher werden beim weiteren relativ schnellen Ausbau von erneuerbaren Energien benötigt für den Ausgleich zwischen Energieangebot und Energienachfrage und für. eine Vergleichmäßigung der Einspeisung von erneuerbaren Energien in das Netz, wenn beispielsweise die Grenzen der Aufnahmekapazität der Netze erreicht sind. Letzteres erlaubt in Inselsystemen, aber auch in Verbundnetzen, eine Anpassung des erneuerbaren Energieangebots an den aktuellen Energiebedarf. So kann beispielsweise die Integration eines Speichers in ein Versorgungsobjekt mit einer dezentralen PV-Anlage sowohl aus technischer als auch aus ökonomischer Sicht sinnvoll sein, beispielsweise wenn Eigenverbrauch gegenüber Einspeisung in das öffentliche Stromnetz begünstigt wird. Mit der durch die Bundesregierung verstärkt geförderten Eigennutzung photovoltaischen Stroms wird sich die Nachfrage nach individuellen Stromspeicherlösungen in Deutschland verstärken. Dezentrale elektrische Speicherung beim Kunden kann aber auch dann schon sinnvoll sein, wenn gespeicherter Strom preiswerter ist als Spitzenstrom. Derartige Kostenreduktionspotenziale können nutzbar werden, wenn in Deutschland ab 2011 die Neufassung des Energiewirtschaftsgesetzes in Kraft tritt, die zeit- und lastvariable Stromtarife erlaubt.

...Eine Zusammenarbeit mit der Autoindustrie, die eigene Batterieproduktionskapazitäten auf-baut, ist auf dem Gebiet der Batteriesysteme insbesondere deshalb vorteilhaft, weil der Markt für Batterien im Bereich der PV-Systeme (netzunabhängig und netzgekoppelt) bereits existiert. Der Absatzmarkt im Bereich der Elektromobilität muss erst mit der Produktion von E-Fahrzeugen und der Sicherung der Nutzerakzeptanz geschaffen werden.

Smart Grids als Ergänzung und Alternative zur Speicherung

Da Speicherung und Übertragung elektrischer Energie über große Entfernungen immer mit zusätzlichen Kosten und Verlusten verbunden ist, sollten besonders die Potenziale des Energiemanagements ausgeschöpft werden, die eine Verschiebung des Verbrauchs in Zeiten erlauben, in denen die Einspeisung durch fluktuierende Erzeuger hoch ist. Allerdings lassen sich dadurch in der Regel nur Lastverschiebungen von wenigen Stunden bis maximal weni-gen Tagen erreichen, weshalb zum saisonalen Ausgleich dieser Einspeisung zusätzliche Spei-cherkapazitäten notwendig sein werden.

Im elektrischen Verbundnetz können die Fluktuationen der Einspeisung aus Wind- und PV-Anlagen durch großräumige Verteilung sowie dezentrales Energiemanagement ausgeglichen werden. Neue Potenziale bestehen hier vor allem beim Lastmanagement sowie bei der Regelung dezentraler Erzeugungsanlagen, die Biomasse und/oder Kraftwärmekopplung nutzen.

...Recycling

Neben der Leistungs- und Energiedichte spielt auch die Recyclingfähigkeit der unterschied-lichen Materialien und Systeme in der Praxis eine zunehmend wichtige Rolle. Vor allem Lithium ist eine begrenzte Ressource. Es muss daher in einen technologischen Recycling-prozess gebracht werden

II. Elektrochemische Stromspeicherung für Elektromobilität

Der Verkehr ist in Deutschland für etwa 20% der gesamten CO2-Emissionen verantwortlich. Dabei ist der Individualverkehr, also PKW- und LKW-Verkehr, mit etwa 80% der Hauptver-ursacher. Der Durchschnittsverbrauch an fossilen Treibstoffen pro Fahrzeug ist zwar in den letzten Jahren gesunken, weltweit steigt aber die Gesamtzahl der Fahrzeuge von derzeit etwa 900 Millionen weiter an und damit auch der Verbrauch an fossilen Energien und die CO2-Emissionen. Dies erfordert neue Wege der Mobilität. Die Bundesregierung hat das erkannt und unterstützt mit ihrem "Nationalen Entwicklungsplan Elektromobilität" die Entwicklung von Technologien für batterie- und brennstoffzellengestützte Elektrofahrzeuge. Beiden ge-meinsam sind der extrem energieeffiziente Elektroantrieb sowie die Möglichkeit, die Energie-versorgung aus erneuerbaren Quellen wie Sonnen- oder Windenergie zu leisten.

Unter dem Begriff "Elektromobilität" wird eine Vielzahl von technischen Systemen zusam-mengefasst: vom Full-Hybrid-System und den Plug-In-Hybrid – die jeweils eine Kombination des konventionellen Verbrennungsmotors mit einem Elektromotor darstellen – bis hin zum reinen Elektroantrieb, bei dem der Strom für Personenkraftwagen, leichte Nutzfahrzeuge, Stadtbusse und Zweiräder entweder aus der Batterie kommt oder über eine Brennstoffzelle bereit gestellt wird. Zur effizienten Auslegung eines Gesamtsystems ist häufig der Einsatz von Superkondensatoren, z.B. beim regenerativen Bremsen, sinnvoll.

Da heutige Batterien nur eine relativ kleine Menge an Energie pro Volumen oder Gewicht speichern können, sind die Reichweiten solcher Elektrofahrzeuge noch auf etwa 150-200 km begrenzt. Dennoch sind solche Fahrzeuge für viele Anwendungen ausreichend, da die meisten der täglichen Fahrten relativ kurz sind; etwa die Fahrt zur Arbeitsstätte oder zum Supermarkt. Sie sind deshalb ideal als Pendler-, Zweit- oder Stadtfahrzeug.

Für Fahrzeugnutzer, die weitere Strecken zurück legen müssen, eignen sich allerdings so ge-nannte Plug-In-Hybride (PHEV)1 bzw. Elektrofahrzeuge mit Range Extender besser. Diese Fahrzeuge besitzen neben einem Elektroantrieb noch eine Verbrennungsmaschine, so dass diese bei leerer Batterie zugeschaltet werden kann. Im fortgeschrittensten Fall fungiert der Verbrennungsmotor nur als Antrieb für die Stromerzeugung zur Ladung der Batterie. Dies ermöglicht eine besonders einfache Fahrzeugkonstruktion ohne mechanische Verbindung zwischen Verbrennungsmotor und Rädern.


...Integration von Elektrofahrzeugen ins Stromnetz

Für eine breite Einführung von batterieelektrischen Fahrzeugen (Ziel der Bundesregierung sind 1 Mio. Fahrzeuge in 2020) ist die Entwicklung von intelligenten Ladestationen ein wesentliches Element. Über die Ladestationen werden die elektrischen Speicher an Bord der Fahrzeuge mit dem Stromnetz – und so mit regenerativ erzeugtem Strom – verknüpft. Dabei kann die Fahrzeugbatterie auch für die Rückspeisung von Strom ins Netz genutzt werden

Schlussfolgerungen

Der ForschungsVerbund Erneuerbare Energien (FVEE) sieht in der Elektromobilität und in der Entwicklung kostengünstiger und zuverlässiger stationärer Stromspeicher – dezentral (kWh-Bereich), zentral (MWh-Bereich) – für Deutschland die Chance, ökonomisch und ökologisch in eine neue Dimension vorzustoßen. Mit dem notwendigen Technologiewandel im Mobilitätssektor sollte die Chance ergriffen werden, unser heutiges Energiesystem nicht nur anzupassen, sondern strukturell zu transformieren.

Diese Transformation führt in der Gesamtbilanz langfristig zu einem geringfügig höheren Strombedarf, der jedoch aus heimischen erneuerbaren Energiequellen gedeckt werden kann. Zudem haben Elektroantriebe ungleich höhere Wirkungsgrade und sind bei der Nutzung der erneuerbaren Energie nicht nur lokal, sondern auch über die gesamte Energiekette emissionsfrei, bzw. emissionsneutral. Um diese Vorteile nutzen zu können, müssen jetzt die Voraussetzungen für den viele Jahre dauernden Einstieg in das Zeitalter der Elektromobilität geschaffen werden.

In diesem Sinne ist die Notwendigkeit der parallelen Weiterentwicklung der elektrisch-en Energiespeicher (Batterietechnologie) und der Brennstoffzellentechnologie zu beto-nen, denn nur über die Erschließung beider Technologiepfade sind die Transformation des Mobilitätssektors und eine internationale Technologieführerschaft möglich.


...Die Zeiteinschätzung des FVEE für verschiedene Entwicklungsstadien der Elektromobilität bis zur Serienreife sind folgende:

• Reines Elektroauto: Fahrzeuge ausländsicher Hersteller ab 2011, deutsche Hersteller ab 2013

• Brennstoffzellenfahrzeuge für Reiselimousinen und Busse: etwa ab 2015

• Plug-In-Hybridfahrzeuge sind kurzfristiger realisierbar und dienen als Brückentechnologie für eine Markteinführung der Elektroautos: ca. 2 - 5 Jahre

• Kommerzialisierung eines reinen Elektroautos: Brennstoffzellen für Reiselimousinen und Busse sowie batterieelektrische Stadtfahrzeuge: mindestens 5 Jahre

Dafür sind günstige forschungspolitische Rahmenbedingungen notwendig:

• Verstetigung der im Konjukturprogramm II gestarteten Aktivitäten

• Förderung langlebiger und kostengünstiger Batterien und Hybridsysteme (Batterie/ Superkondensator) für dezentrale PV-Systeme mit intelligenter Netzankopplung

• Förderung der Wasserstofferzeugung und Speicherung in Kopplung mit Windkraftanlagen


ForschungsVerbund Erneuerbare Energien

Der ForschungsVerbund Erneuerbare Energien (FVEE) ist eine bundesweite Koopera-tion von Forschungsinstituten. Die Mitglieder erforschen und entwickeln Techniken für erneuerbare Energien und deren Integration in Energiesysteme, für Energieeffizienz und für Energiespeicherung. Mit etwa 2000 Mitarbeitenden repräsentiert der FVEE rund 80% der Forschungskapazität für Erneuerbare in Deutschland und ist das größte koordinierte Forschungsnetzwerk für erneuerbare Energien in Europa.

Weitere Studien de FVEE:

http://www.fvee.de/politik/studien-stellungnahmen/