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Energie
Gebäude
Energiespeichersysteme werden verwendet, um verfügbare Energie, die nicht sofort benötigt wird, für eine spätere Verwendung zu speichern. Durch die Speicherung kann die Energie dann genutzt werden, wenn sie benötigt wird. Das Ziel ist es, ein zuverlässiges und umweltfreundliches System zu schaffen. Mit dem zunehmenden Anteil an erneuerbaren Energien steigt auch der Bedarf an Speicherung.
Erschwingliche und saubere Energie
Industrie, Innovation und Infrastruktur
Nachhaltige Städte und Gemeinden
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Beschreibung
Die weltweite Energienachfrage ist in den letzten zehn Jahren stark angestiegen. Die Gründe dafür sind das Wirtschaftswachstum, das Bevölkerungswachstum und die Industrialisierung der Entwicklungsländer. Diese Energienachfrage muss auf eine möglichst stabile und nachhaltige Weise gedeckt werden, und zwar mit erneuerbaren Energien(Proton OnSite, 2016).
Die variable Stromerzeugung ist ein häufiges Phänomen, wenn es um erneuerbare Ressourcen wie Wind und Sonne geht. So kann es zu einer Diskrepanz zwischen der erzeugten Energie und den Verbrauchsmustern kommen, was dazu führt, dass die Energie nicht unbedingt zu dem Zeitpunkt erzeugt wird, zu dem sie benötigt wird. Außerdem wird die Energie aufgrund der dezentralisierten und weit verbreiteten Energieerzeugung durch erneuerbare Quellen nicht unbedingt dort produziert, wo sie auch benötigt wird.
Energiespeichersysteme entkoppeln Energieerzeugung und -verbrauch und können daher zum Ausgleich des Systems beitragen, indem sie die im Moment verfügbare Energie, die nicht sofort benötigt wird, für die zukünftige Nutzung speichern(Distributed Control Methods and Cyber Security Issues in Microgrids, 2020).
Zu lösende Probleme
Indirekt durch die verstärkte Integration erneuerbarer Energien:
Energieerzeugung aus fossilen Brennstoffen
Kohlenstoff-Emissionen
Beeinträchtigung der Luftqualität
Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen
Unmittelbar durch Speicherlösungen:
Spannungs- und Frequenzregulierung
Instabilität des Netzes
Geografische Ungleichgewichte
Spitzenlastabschaltung
Effizienz der erneuerbaren Energien
Nutzungsrate der erneuerbaren Erzeugung
Vorteile
Der Nutzen zeigt greifbar, wie die Umsetzung einer Lösung die Stadt oder den Ort verbessern kann.
Das Hauptziel von Energiespeichersystemen ist es, die Nutzung von erneuerbaren Energien zu erleichtern. Es spart Energie und gleicht dadurch Unterschiede in der Erzeugungs- und Verbrauchszeit aus. Während einige Vorteile bei einer grundlegenden Implementierung der Lösung wahrscheinlich erfüllt werden, hängt die Erfüllung der potenziellen Vorteile von den in einem spezifischen Projekt implementierten Funktionen ab.
Wichtigste Vorteile
Verbesserung der Effizienz der Energienutzung
Erhöhter PV-Eigenverbrauch
Senkung der Nachfragegebühren
Effiziente Integration von erneuerbaren Energien
Reservestrom
Angemessenheit der Ressourcen
Reduzierung des Verbrauchs von Fossilien
, Reduktion fossiler Brennstoffe pint
Steigender Anteil erneuerbarer Energien
Zunehmende Energie-Autarkie
Potenzielle Vorteile
Erschließung neuer Geschäftsmöglichkeiten
Verbessert die Netzstabilität
Reduzierung der Energiekosten
Verbesserung der Lebensqualität
Reduzierung der lokalen Luftverschmutzung
Funktionen
Funktionen helfen Ihnen zu verstehen, was die Produkte für Sie tun können und welche Ihnen helfen werden, Ihre Ziele zu erreichen.
Jede Lösung hat mindestens eine Hauptfunktion, die zum Erreichen des grundlegenden Zwecks der Lösung erforderlich ist, und mehrere Zusatzfunktionen, die hinzugefügt werden können, um zusätzliche Vorteile zu bieten.
Hauptfunktionen
Speichern von Energie
Thermische oder elektrische Speicher für die spätere Nutzung
Entkopplung Nachfrage aus der Produktion
Ausreichende Speicherkapazität für Spitzenverschiebungen
Management von Energie
Die Fähigkeit, Energie je nach Bedarf und Produktion zu verwalten
Zusatzfunktionen
Visualisierung Stromverbrauch
Anzeige des Energiebedarfs des betriebenen Systems
Stabilisierung von Microgrid
Gegen erhöhte Spannungs- und Frequenzschwankungen und veränderte Stromflussmuster
Kontrolle der Teilnahme am Energiemarkt
Akute Kontrolle für Zeiträume mit niedrigen und hohen Marktpreisen
Varianten
Eine Variante ist im Allgemeinen etwas, das sich von anderen ähnlichen Dingen leicht unterscheidet. Im Zusammenhang mit Lösungen sind Varianten verschiedene Optionen oder möglicherweise Teilbereiche/Abzweigungen, mit denen die Lösung umgesetzt werden kann, z.B. verschiedene technologische Optionen.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Energiespeichersysteme zu klassifizieren, um Vergleichbarkeit zu schaffen. Die bekanntesten sind Klassifizierungen nach physikalischen, energetischen, zeitlichen, räumlichen und wirtschaftlichen Eigenschaften. Die energetische Klassifizierung unterscheidet in die übergeordneten Kategorien Leistung und Energie, die zeitliche in kurzfristig und langfristig, die räumliche in zentral, dezentral, stationär und mobil, die wirtschaftliche in Märkte, Kapitalkosten und Betriebskosten. Aufgrund der Popularität, der hohen Anzahl von Kategorien und des technischen Verständnisses werden die verschiedenen Speichersysteme physikalisch-energetisch klassifiziert und erklärt(Sterner, Stadtler, 2017).
Beschreibung
Mechanische Speichersysteme nutzen die Energie, die ein Medium aufgrund seiner Position (Potenzial), seiner Geschwindigkeit (Kinematik) oder seines thermodynamischen Zustands (Druck) besitzt. Sie sind hauptsächlich sekundäre Energieträger.
Da die Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen am wirtschaftlichsten ist, wenn sie in Form von Strom verwendet wird, ist die elektrische Speicherung eine naheliegende Option. Der Vorteil besteht darin, dass die elektrische Energie nicht in andere Energieformen umgewandelt werden muss und somit in manchen Fällen hohe Umwandlungsverluste vermieden werden können. Dem steht derNachteil einer extrem geringen Energiedichte - sowohl in Bezug auf das Volumen als auch auf das Gewicht - und exorbitant hoher Kosten gegenüber (Sterner, Stadtler, 2017). Aus diesem Grund ist ihr Einsatz derzeit lediglich auf Nischenanwendungen beschränkt.(Kurzweil, Dietlmeier, 2015)
Kondensatoren werden für die dezentrale Kurzschlussstromversorgung und für Anwendungen mit den höchsten Anforderungen an die Reaktionszeit (z.B. Spannungsqualität) eingesetzt.
Speichertechnologien:
Kondensatoren und Spulen
Magnetische Supraleiter-Energiespeicherung
Superkondensator-Energiespeicherung
Unterstützende lokale Faktore
Kurz- und langfristige Speicherung
Vorhandensein von Anlagen zur kohlenstoffarmen Energieerzeugung
Zusammen mit anderen Erzeugungsanlagen (PV & Wind)
Beschreibung
Elektrochemische Speichersysteme bestehen aus Elektroden, die chemisch miteinander verbunden sind. Die elektrische Energie wird durch chemische Reaktionen beim Laden und Entladen übertragen. Es gibt elektrochemische Systeme, die nur entladen werden können. Diese werden als Primärbatterien bezeichnet. Systeme, die wiederholt geladen und entladen werden können, werden als Sekundärbatterien (Akkumulatoren) bezeichnet. Bei chemischen Speichern hingegen handelt es sich um materielle Energiequellen wie Kohlenwasserstoffe oder energietragende Substanzen. Die Energie kann in gasförmigen Medien (Wasserstoff, Biogas), flüssigen Medien (Kraftstoffe wie Ethylen, Methanol) oder in festen Medien (Biomasse, Kohle) gespeichert werden. Die Ladeprozesse finden in der Natur statt (Photosynthese) oder werden technisch umgewandelt (Strom in Gas, Strom in Flüssigkeit). Die Entladung erfolgt durch Verbrennungsprozesse oder die Umwandlung von thermischer in mechanische oder elektrische Energie.
Funktion: Chemische Speicher fungieren als Langzeitspeicher für den Stromsektor, aber auch als Kraftstofflieferant für Mobilität und Wärme.
Wiederverwendung von EV-Batterien als Energiespeicher
Lösung für die Wiederverwendung von Batterien für Elektrofahrzeuge (EV). Die EV-Taxis des privaten Unternehmens OU Takso in Tartu werden teilweise mit erneuerbarer Energie aufgeladen, die vor Ort mit PV-Paneelen erzeugt und in gebrauchten EV-Batterien gespeichert wird, wodurch die Ausbeute der Batterien verbessert wird.
Es gibt drei Haupttypen von thermischen Energiespeichersystemen - sensible, latente und thermochemische. Während die sensible Energiespeicherung durch eine Temperaturänderung funktioniert, funktioniert die latente Energiespeicherung aufgrund einer Phasenänderung des verwendeten Materials. Bei thermochemischen Speichern wird eine chemische Reaktion mit hohem Energieaufwand zur Energiespeicherung genutzt. Sensible thermische Speicher haben einen hohen Entwicklungsstand, aber eine niedrige Energiedichte und thermochemische Speicher umgekehrt. Die latente Speicherung liegt bei beiden Parametern in der Mitte.
Speichertechnologien:
Sensiblethermische Speicherung
Fest
Flüssig
Latente Wärmespeicherung
Fest flüssig
Flüssig gasförmig
Fest-fest
Thermochemische Wärmespeicherung
Sorption
Chemisch reversibel
Die in der Netzflexibilitätslösung erwähnte Speicherlösung Salzschmelze fällt in die Kategorie der sensiblen Wärmespeicher.
Funktion:
Sensible Wärmespeicher fungieren als kurzfristige bis saisonale Speicher, die vom Niedertemperaturniveau für die Warmwasserbereitung im Haushalt bis hin zur Hochtemperaturspeicherung bei der Stromerzeugung (Salzschmelze für solarthermische Kraftwerke), mobilen und stationären Anwendungen reichen.
Für welche unterstützenden Faktoren und Merkmale einer Stadt ist diese Lösung geeignet? Welche Faktoren würden die Umsetzung erleichtern?
Die Zusammensetzung des Strompreises kann die wirtschaftliche Leistung eines Energiespeichersystems beeinflussen.
Gesetzliche Regelungen haben einen großen Einfluss und können Speichersysteme in Ländern, Regionen und Städten fördern oder hemmen.
Da die Stromspeicherung hauptsächlich mit erneuerbaren Energien zusammenhängt, sorgt die Nähe zu einer Anlage für erneuerbare Energien für einen ganzheitlichen Ansatz zur Maximierung der Emissionseinsparungen innerhalb der gezogenen Grenzen. So kann beispielsweise der von einer Windturbine oder einer Photovoltaikanlage erzeugte Strom in einem Speichersystem gespeichert werden.
Unterstützende Faktoren
Verbreitung lokaler erneuerbarer Energiequellen (Wind-/Solar-/KWK-Betrieb mit erneuerbaren Energien)
Netzmodernisierung, wie der Übergang zu intelligenten Netzen, hilft bei der Integration von Stromspeichersystemen
Lokale Vorschriften, die Energiespeichersysteme unterstützen (siehe Regierungsinitiativen)
Regierungsinitiativen
Welche Anstrengungen und Maßnahmen unternehmen die lokalen/nationalen öffentlichen Verwaltungen, um diese Lösung zu fördern und zu unterstützen?
Die wirtschaftliche Leistung vieler Technologien zur Energieerzeugung und -speicherung hängt stark von den rechtlichen Rahmenbedingungen ab, insbesondere von Steuern und Abgaben. Die Klimapolitik und die Auswirkungen des CO2-Preises haben das Potenzial, Technologien mit geringen Kohlenstoffemissionen zu fördern. Dann wird der Preis für die Zertifikate zu den variablen Kosten der einzelnen fossilen Technologien addiert. Mehrere europäische Länder haben zum Beispiel eine Kohlenstoffsteuer. Portugal, Schweden, Spanien und Polen sind nur einige Beispiele(taxfoundation, 2020).
Es hat mehrere EU-Initiativen zu Batterien gegeben, wie Batteries Europe, SET Plan action, BRIDGE-Projekte zu Batterien oder das BATSTORM-Projekt(Europäische Kommission, 2020).
Den meisten Ländern in der EU fehlt ein spezifischer Fördermechanismus für Energiespeichersysteme, obwohl einige von ihnen spezifische Maßnahmen eingeführt haben. In Deutschland gibt es zum Beispiel ein Förderprogramm für den Vertrieb von Batteriespeichersystemen. Es soll sicherstellen, dass PV-Solaranlagen einen größeren Nutzen für das Gesamtsystem haben, indem ihr Export geglättet wird. Während einige Energiespeicherlösungen auch ohne Subventionen wirtschaftlich tragfähig sind, haben größere infrastrukturintensive Projekte, wie z.B. größere Pumpspeicherkraftwerke, aufgrund des hohen Ertragsrisikos derzeit Schwierigkeiten, Investitionen anzuziehen(cms, 2018).
Stakeholder Mapping
Welche Interessengruppen müssen bei der Planung und Umsetzung dieser Lösung berücksichtigt werden (und wie)?
Stakeholder-Karte Energiespeicherung
Stakeholder-Map eines Energiespeichersystems (BABLE, 2021)
Marktpotenzial
Wie groß ist der potenzielle Markt für diese Lösung? Gibt es EU-Ziele, die die Umsetzung unterstützen? Wie hat sich der Markt im Laufe der Zeit und in letzter Zeit entwickelt?
Es gibt viele Prognosen für den zukünftigen Energiespeichermarkt. Diese unterscheiden sich zum Teil erheblich, aber eine Aussage findet sich in allen Prognosen: Der Markt für Energiespeicherung wird wachsen. Eine Studie von Deloitte (2018) identifiziert verschiedene Treiber für dieses Wachstum:
Sinkende Kosten für Speichertechnologien
Bessere Leistung
Die Modernisierung der Netze und die Komplexität der Netze werden zunehmen
Es werden mehr erneuerbare Energien installiert (regional bis global)
Teilnahme von Speichersystemen an den Stromgroßhandelsmärkten
Finanzielle Anreize, die den Einsatz von Speichertechnologien unterstützen, werden geschaffen
Niedrige oder sinkende Einspeisevergütungen (FITs) für erneuerbare Energien erhöhen die Anreize für den Eigenverbrauch des erzeugten Stroms
Steigender Wunsch nach Selbstversorgung (Energieautarkie), Widerstandsfähigkeit oder Unabhängigkeit bei den Verbrauchern
Nationale Vorschriften und politische Maßnahmen zur Förderung von Speicherlösungen zur Bewältigung spezifischer Herausforderungen wie Importabhängigkeit, Schließen von Lücken im Erzeugungsmix, Erreichen von Umweltzielen und Dekarbonisierungszielen
Die Energiespeicherung wird wahrscheinlich auch von breit angelegten politischen Mandaten im Zusammenhang mit der Urbanisierung und den Zielen der Lebensqualität in Entwicklungsländern profitieren.
Im Jahr 2019 belief sich die weltweite Nachfrage nach Energiespeichersystemen auf 194,32 GW(Region, And Segment Forecasts, 2020). Laut Bloomberg NEF wird der Energiespeichermarkt bis 2040 kumuliert auf 943 GW oder 2.857 GWh wachsen. Von 2018 bis 2040 werden 620 Milliarden Dollar in die Energiespeicherung investiert werden. Bis 2040 wird erwartet, dass der Anteil der Energiespeicherung an der gesamten weltweit installierten Stromkapazität auf 7 % ansteigt. Zunächst wird ein großer Teil der Stromspeicher hinter dem Zähler installiert werden, aber bis Mitte der 2030er Jahre dürfte der Großteil der Speicher im Versorgungsbereich liegen. Die Entwicklung des Marktes in den einzelnen Ländern ist in der folgenden Abbildung zu sehen(BloomberggNEF, 2018).
Abbildung: Projizierter globaler kumulativer Speichereinsatz nach Ländern 2018-2030(Deloitte, 2018)
Kostenstruktur
Die Kosten für Speicherkapazitäten sind entscheidend für ein Energiesystem, das auf einem erheblichen Anteil erneuerbarer Energien basiert. Die folgende Abbildung zeigt eine Übersicht mit den spezifischen Preisen pro kWh für verschiedene Stromspeichertechnologien in den letzten Jahren. Dabei werden Batteriesysteme, Power-to-X-Technologien (Elektrolyse in brauner Farbe) und Pumpspeicherkraftwerke (gepumpte Wasserkraft in gelber Farbe) als die derzeit am meisten genutzten Lösungen berücksichtigt. Die Abhängigkeit zwischen dem Preis und der kumulierten installierten Kapazität ist auf den horizontalen Achsen dargestellt. Es ist also eine Korrelation zwischen der installierten Kapazität und den Kostensenkungen zu erkennen.
Abbildung: Erfahrungskurven für die Kosten und kumulierten installierten Kapazitäten verschiedener elektrischer Speichertechnologien(Schmidt, Hawkes, Gambhir, & Staffell, 2017)
Zusätzlich zu der historischen Senkung der spezifischen Kosten für elektrische Speicherkapazitäten werden weitere Kostensenkungen erwartet. Studien gehen davon aus, dass die Levelised Cost of Storages (LCoS) bis 2030 und 2050 um mindestens ein Drittel bis die Hälfte sinken werden. Außerdem wird erwartet, dass Lithium-Ionen ab 2030 für fast alle stationären Batterieanwendungen kosteneffizienter werden(Schmidt, Melchior, Hawkes, & Staffell, 2019). Der Effekt der Kostensenkungen wird nicht nur durch Skaleneffekte verursacht, sondern auch durch den Reifegrad der Technologien. Eine Projektion über die Entwicklung von LCoS ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
2016 - Paket "Saubere Energie für alle Europäer" - u.a. Umstellung auf saubere Energie und Öffnung der Strommärkte für Energiespeicherung(Europäische Kommission, 2017)
2019 - Richtlinie über die Ausgestaltung des Elektrizitätsmarktes (Neufassung): zielt darauf ab, Hindernisse für die Energiespeicherung abzubauen, und schreibt eine diskriminierungsfreie und wettbewerbsorientierte Beschaffung von Ausgleichsleistungen sowie faire Regeln für den Netzzugang und die Entgelte vor(Amtsblatt der Europäischen Kommission, 2019)
Energiewendegesetz: setzt ehrgeizige Ziele für 2030 für erneuerbare Energien in Frankreich, Energiespeicherung als Notwendigkeit, um umweltpolitische Ziele zu erreichen
Die Entwicklung dieser Lösung wurde mit EU-Mitteln unterstützt.
Anwendungsfälle
Sehen Sie sich Beispiele für die Umsetzung dieser Lösung in der Praxis an.
Energie
Verkehr
Wiederverwendung von EV-Batterien als Energiespeicher
Lösung für die Wiederverwendung von Batterien für Elektrofahrzeuge (EV). Die EV-Taxis des privaten Unternehmens OU Takso in Tartu werden teilweise mit erneuerbarer Energie aufgeladen, die vor Ort mit PV-Paneelen erzeugt und in gebrauchten EV-Batterien gespeichert wird, wodurch die Ausbeute der Batterien verbessert wird.
Energiespeicherung in Espoos positivem Energiebezirk
Die thermische Energie wird im Boden gespeichert (Bohrlöcher), wobei überschüssige thermische Energie in den Boden zurückgeführt und dort gespeichert wird. Eine elektrische Batterie in Lippulaiva wird zur Optimierung der Stromnutzung und zur Teilnahme an den Stromreservemärkten genutzt.
Etwa ein Viertel des Energiepreises entfällt auf den Transport der Energie. Durch die Einführung eines lokalen Energiesystems kann die Energieerzeugung von einem zentralen System auf ein dezentrales System umgestellt werden.
Laut der Richtlinie über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden (EPBD) sind Gebäude für etwa 40% des Energieverbrauchs und 36% der CO2-Emissionen in der EU verantwortlich.
Der Großteil der öffentlichen Mittel für Energieeffizienz in der EU wird für den Gebäudesektor vorgeschlagen. Die Bundesmittel für Energieeffizienz in Wohngebäuden belaufen sich im Jahr 2019 auf 97 Millionen Euro. Ein Smart Home System ist eine Möglichkeit, die Energieeffizienz von Wohngebäuden zu verbessern.
Die Energieversorgung von Haushalten, öffentlichen Gebäuden und Dienstleistungen ist in den meisten Kommunen für den Großteil der Treibhausgasemissionen verantwortlich. Kommunale Energiesparsysteme sind pünktliche Lösungen zur Optimierung des Energieverbrauchs.
Der Peer-to-Peer-Energiehandel (P2P) schafft einen Online-Marktplatz, auf dem Energie mit niedrigen Hürden gehandelt werden kann. Dies macht lokale erneuerbare Energie leichter zugänglich.
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