Energie Systems

Enegie-Systeme

Die SCHMID Energy Systems GmbH entwickelt, produziert und vertreibt stationäre Energiespeichersysteme auf Basis der leistungsstarken Vanadium-Redox-Flusstechnologie. Transformationsphasen des Energieversorgungssystems Die Klimaschutzziele der Regierung sind der Hauptantrieb für die Transformation des Energiewesens in Deutschland. Übergeordnetes langfristiges Ziel ist es, die Treibhausgas-Emissionen in Deutschland bis 2050 um mind. 80 Prozent, gemessen am Bezugswert des Kyoto-Protokolls von 1990, zu reduzieren. In den letzten Jahren haben verschiedene Institute eine Reihe von Zukunftsszenarien für die Weiterentwicklung des dt.

Energiesystems erarbeitet, die eine Reduzierung der energierelevanten CO ²-Emissionen um mind. 80 Prozent bis 2050 zeigen.

In den meisten Fällen sind regenerative Energieträger die wichtigste Energiequelle; darüber hinaus spielen bei der Erreichung der Ziele in allen Fällen eine effektive Umwandlung und Verbrauchsreduzierung eine große Bedeutung. Große Abweichungen gibt es auch in den Beispielszenarien mit einem großen Prozentsatz an regenerativen Energieträgern, nämlich in Bezug auf die Aufteilung der regenerativen Energieträger aus inländischer Erzeugung und Import.

Die Einfuhr kann entweder in Gestalt von Energiequellen (Biomasse, Brennstoff) oder in Gestalt von Stromeinfuhren über Hochspannungsnetze geschehen. Mit zunehmendem Export von erneuerbaren Energiequellen kann die inländische Erzeugung umso niedriger sein. Als Beispiel für ein Beispiel mit einem hohen Prozentsatz an steuerbarem Elektrizitätsimport aus Nordafrika (15 %) dient "Szenario 2, Drive 2013" (5. von rechts in Abb. 1)[2].

Zur Veranschaulichung der Entwicklungsgeschichte des Aufbaus der erneuerbaren Energieträger, aus der sich die Gestaltung der Umwandlung des Energiesystems in die Phase errechnet, wird ein ausgewähltes Beispielszenario verwendet, das als "Referenzszenario (Fh-ISE 2013)" bezeichnet wird (vierte von Rechts in Abb. 1). Grundlage dieses Szenarios ist die stündliche Berechnung und strukturelle Optimierung des dt. Energiesystems über Branchen und Energieträger hinweg unter der Voraussetzung einer 81%igen Reduktion der energetischen CO2-Emissionen[3].

Rund 80 Prozent der Stromproduktion werden durch regenerative Energieträger gedeckt, bei leicht gestiegenem Stromnachfrage. Mit der Verbrauchsreduzierung, vor allem im Umfeld der traditionellen Stromkonsumenten (z.B. Blockheizkraftwerke, vor allem im mittelgroßen (Kreisheizkraftwerke) und großen Leistungsspektrum (große KWK-Anlagen)), wird fast die gesamte Reststromerzeugung abgedeckt. Der Verlauf des Photovoltaik- und Windausbaus in diesem Beispiel ist in Abb. 1 dargestellt. Die meisten der berücksichtigten Planungsszenarien gehen von einer installierten Gesamtleistung von 300 GW oder mehr fluktuierender erneuerbarer Energieträger aus, worin der Mischungsverhältnis von Photovoltaik, Onshore und Offshore-Wind in jedem Fall unterschiedlich ist.

Allerdings kann dieser Betrag niedriger sein, wenn der Marktanteil der kontrollierbaren regenerativen Energieträger größer ist, z.B. wie in dem oben genannten Beispiel (Antrieb 2013)[2] mit einem hohen Stromimport. In den meisten Fällen ist der stetige Abbau schwankender regenerativer Energiequellen ein wesentliches Element der Energiewende. Inzwischen liegt der Marktanteil der regenerativen Energieträger an der Stromerzeugung bei mehr als 27%, gut die Hälfe davon entfällt auf die Bereiche Fotovoltaik und Windkraft.

In dieser Zeit wurden bedeutende Erfolge in der technologischen Entwicklung und Kostensenkung dieser Energieumrichter erzielt. Die erste Stufe der Energiewende ist als beendet anzusehen, da ein späterer Umbau eine Adaption des gesamten Systems erforderlich macht. In der anstehenden zweiten Stufe der Systemumstellung ist nun eine ganzheitliche Netzintegration der fluktuierenden erneuerbaren Energieträger erforderlich. Der steigende Marktanteil der erneuerbaren Energieträger am Strom-Mix macht es auch erforderlich, Flexibilitätspotenziale außerhalb der traditionellen Stromkonsumenten zu aktivieren, zunächst vor allem im Wärmeversorgungsbereich und dann auch im Mobilitätsbereich.

Wenn sich die Möglichkeit bietet, auf mittlere Sicht entsprechende Stromanteile aus kontrollierbaren erneuerbaren Energiequellen, z.B. aus Nordafrika, zu beziehen, wird der Teil der notwendigen Flexibilität niedriger sein. Die investitionsintensiven Massnahmen können neben dem bedarfsgerechten Management und den Flexibilitätsmöglichkeiten im KWK-Bereich mit relativ niedrigen Investitionskosten auch mit steigendem Einsatz von erneuerbaren Energieträgern ökonomisch Sinn machen.

Beispielhaft seien hier Batteriespeichersysteme in Verbindung mit PV- oder Windkraftanlagen oder der Einsatz von steuerbaren erneuerbaren Energieträgern genannt. Ausgehend von einer Durchdringung von rund 60-70% der fluktuierenden Energieträger für die Stromversorgung und darüber hinaus wird eine Langzeitspeicherung immer notwendiger (der Einsatz von steuerbaren erneuerbaren Energieträgern könnte die zweite Stufe verlängern und die Kosten der Langzeitspeicherung senken).

An dieser Stelle setzt die dritte Stufe der Energiewende ein, in der immer mehr erneuerbarer Strom in erneuerbare Energiequellen - nämlich Wasserdampf, Methan, Flüssigkraftstoffe und Brennstoffe - umgewandelt wird. Bevor diese Energiequellen für Strom/Wärme genutzt werden, ist es ratsam, sie als Treibstoffe für den Transport zu verwenden, da sie die fossilen Energiequellen, die derzeit für den Antriebsstrang in Brennkraftmaschinen genutzt werden, unmittelbar ersetzen können.

Abschließend wird eine vierte Stufe der Energiewende erreicht, die durch die Verlagerung der zuletzt noch im Netz verwendeten fossilien Brennstoffe - vor allem von Gas - charakterisiert ist. Ob erneuerbare Energiequellen aus heimischer Produktion ins Spiel kommen oder Importenergieträger wie beispielsweise Flüssiggas aus sonnigen Gebieten, die dort in großem Umfang produziert werden, ist hier schwer vorherzusagen - aus heutiger Perspektive aber noch nicht aussagekräftig.

Abb. 8 Hier ist zu beachten, dass neben den Strukturphasen der Systemwandlung auch die wesentlichen Bestandteile, vor allem im Hinblick auf die Effektivität der Nutzung, durchgehend laufen müssen. Dazu gehören vor allem eine stetige Reduzierung des Heizwärmebedarfs durch bauliche Wärmedämmungsmaßnahmen sowie eine Effizienzsteigerung des Stromverbrauchs. Wesentlich für die Wirksamkeit der Energieumwandlung sind transformationsimmanente Faktoren, d.h. die Systemwandlung bewirkt sozusagen "automatisch" eine Effizienzsteigerung.

Durch die Verknüpfung von schwankenden regenerativen Energieträgern und flexibler Restkraftwerke, vorzugsweise mit Kraft-Wärme-Kopplung zur Stromproduktion, können große primäre Energieverluste, die heute beim Betreiben von Wärmekraftwerken anfallen, vermieden werden. Die Ablösung der einfachen Feuerung der Wärmeversorgung durch Elektrowärmepumpen in Verbindung mit hohem Anteil an CO2-armem Strom bedeutet eine deutlich leistungsfähigere Wärmeversorgung. Gleiches trifft auf den Austausch von Brennkraftmaschinen durch stromabhängige Anlagen (Elektromotoren mit Batterien oder Brennstoffzellen) zu.

Für die Verwendung von (Überschuss-)Strom aus regenerativen Energieträgern, vor allem in Kombination mit Wärmespeichern, gibt es im Heizungsbereich bereits jetzt verfahrenstechnische Möglichkeiten. Dabei ist zwischen verschiedenen Anwendungen zu differenzieren, wie z.B. der Versorgung mit Negativ-Kontrollenergie oder der derzeit regulierten Stromnutzung aus regenerativen Energieträgern. Im derzeitigen Regelwerk beruht die Regulierung auf zwei wesentlichen Ursachen, entweder Netzbeschränkungen, die eine unmittelbare Verwendung verbieten, oder negative Preise an der Elektrizitätsbörse.

Entscheidend für die Realisierung dieser Applikationen ist der vermehrte kombinierte Betrieb mit Hybridlösungen, um die Energiequelle je nach Stromversorgung variabel ändern zu können. Dies birgt auf mittlere Sicht ein großes Potential für die effiziente Nutzung von regenerativem Strom zur Wärmeerzeugung, wobei die Betriebsumwandlung auf Gas in Phasen niedriger Solar- und Windenergieerzeugung erfolgt. Dabei wurden im Zuge einer Untersuchung für die Agora Energywende Potentiale für die zeitnahe Erschließung von Flexibilisierungsoptionen im Wärmemarkt identifiziert und Handlungsempfehlungen für die Adaption des Regulierungsrahmens zur Erschließung dieser Potentiale gegeben[4].

Neben der Reduzierung der Rohstoffabhängigkeit in Verbindung mit den schwankenden Strompreisen sind die Klimaziele der Regierung die treibende Kraft für die Transformation des dt. Energiesystems. Zum einen sind sie ein wichtiger Faktor für den Klimaschutz. Die stetige Ausweitung der erneuerbaren Energieträger mit einem hohen Anteil an schwankenden Wechselrichtern (Solar, Wind) erfordert eine Adaption des gesamten Systems. Es sind vier Hauptschritte erkennbar, wovon die kommende zweite Stufe durch eine umfangreiche Anlagenintegration geprägt ist.

Durch die phasenweise Berücksichtigung der Transformationen des Energiesystems können die Transformationen strukturiert und Schwerpunkte auf der zeitlichen Achse identifiziert werden. In der bevorstehenden zweiten Stufe ist vor allem die Erzeugung von marktwirtschaftlichen Anreizen zur Flexibilität zu erwähn. "Grundlage für diesen Beitragsbeitrag ist ein gleichnamiger Vorlesung auf der Jahreskonferenz 2014 "Research for Energy Turnaround - Actively Designing Phasentransfers " der Forschungsvereinigung für Regenerative Energien e. V. (FVEE) (Berlin, 6. bis 7. November 2014).

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