Michael Sterner

Energiespeicher - Bedarf, Technologien, Integration

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Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation: Direct Solar Energy

Executive Summary Solar energy is abundant and offers significant potential for near-term (2020) and long-term (2050) climate change mitigation. There are a wide variety of solar technologies of varying maturities that can, in most regions of the world, contribute to a suite of energy services. Even though solar energy generation still only represents a small fraction of total energy consumption, markets for solar technologies are growing rapidly. Much of the desirability of solar technology is its inherently smaller environmental burden and the opportunity it offers for positive social impacts. The cost of solar technologies has been reduced significantly over the past 30 years and technical advances and supportive public policies continue to offer the potential for additional cost reductions. Potential deployment scenarios range widely—from a marginal role of direct solar energy in 2050 to one of the major sources of energy supply. The actual deployment achieved will depend on the degree of continued innovation, cost reductions and supportive public policies. Solar energy is the most abundant of all energy resources . Indeed, the rate at which solar energy is intercepted by the Earth is about 10,000 times greater than the rate at which humankind consumes energy. Although not all countries are equally endowed with solar energy, a significant contribution to the energy mix from direct solar energy is possible for almost every country. Currently, there is no evidence indicating a substantial impact of climate change on regional solar resources.

Erneuerbares Methan: Analyse der CO2-Potenziale für Power-to-Gas Anlagen in Deutschland

ZusammenfassungDie Transformation des Energieversorgungssystems erfordert neben dem notwendigen Stromnetzausbau, der Erschließung von Lastmanagementpotenzialen und Effizienzsteigerungen zusätzlich den Einsatz von Energiespeichern zur Integration fluktuierender erneuerbarer Energien. Einen technischen Lösungsansatz zur Langzeitspeicherung in der erforderlichen Größenordnung bietet die Umwandlung von regenerativem Strom in den chemischen Energieträger erneuerbares Methan. Vor dem Hintergrund der Notwendigkeit an Langzeitspeichern wird in diesem Beitrag das Konzept der Strom-Gasnetz-Kopplung vorgestellt. Erneuerbares Methan kann sowohl als Speichermedium für eine Stabilisierung der Stromversorgung über die Nutzung von Überschussstrom und der bedarfsgerechten Rückverstromung, als auch als hochenergetischer Brennstoff in den Bereichen Verkehr und Wärme genutzt werden. Zur Herstellung des Speichergases erneuerbares Methan wird neben der zu speichernden elektrischen Energie eine CO2-Quelle benötigt. Vor diesem Hintergrund werden Potenziale und Kosten möglicher CO2-Bezugsquellen analysiert. Die Rolle von Biogasanlagen als eine nachhaltige biogene CO2-Quelle bildet einen Schwerpunkt der Untersuchung. Hierbei werden zwei konzeptionell denkbare Anlagenkombinationen zur Nutzung von biogenem CO2 für die Methanisierung beschrieben und die bestehenden deutschlandweiten CO2-Potenziale aus Biogasanlagen analysiert. Als wichtiger Schritt der Standortfindung für zukünftige Power-to-Gas Anlagen werden abschließend Biogasanlagenstandorte mit geeigneter Anlagengröße als CO2-Produzenten identifiziert und in Korrelation mit hohen flächenbezogenen Einspeisungen elektrischer Energie aus Windenergieanlagen dargestellt.AbstractBesides the essential expansion of the electricity network and enhancing energy efficiency, the transformation of the energy supply system requires the further development of demand side management and energy storage technologies for the integration of fluctuating renewable energy sources. The conversion of renewable power into the chemical energy source renewable methane offers a technical approach for long-term storage with the necessary storage and transport capacities. Among the description of the need for long-term storage and other alternative balance options, this article presents the innovative concept Power-to-Gas in greater detail. Renewable methane can be used as a storage medium for the stabilization of the electrical power supply as well as a highly energetic fuel for the transport and heat sector. Besides renewable surplus energy a CO2 source is required for the production of the storage gas renewable methane. After analyzing the potential and the costs of different CO2 sources in Germany, the evaluation of biogas plants as a sustainable biogenic CO2 source is one major focus of the article. Two different possible combinations of biogas plants with Power-to-Gas are described and the existing CO2 potentials from biogas plants are examined for Germany. As a first step for the identification of future locations for Power-to-Gas plants, the spatial correlation between biogas plants with a sufficient plant size and regions with a high density of wind energy converters is analyzed.

Renewable energy and climate change

Executive Summary All societies require energy services to meet basic human needs (e.g., lighting, cooking, space comfort, mobility, communication) and to serve productive processes . For development to be sustainable, delivery of energy services needs to be secure and have low environmental impacts. Sustainable social and economic development requires assured and affordable access to the energy resources necessary to provide essential and sustainable energy services. This may mean the application of different strategies at different stages of economic development. To be environmentally benign, energy services must be provided with low environmental impacts and low greenhouse gas (GHG) emissions. However, 85% of current primary energy driving global economies comes from the combustion of fossil fuels and consumption of fossil fuels accounts for 56.6% of all anthropogenic GHG emissions. Renewable energy sources play a role in providing energy services in a sustainable manner and, in particular, in mitigating climate change . This Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation explores the current contribution and potential of renewable energy (RE) sources to provide energy services for a sustainable social and economic development path. It includes assessments of available RE resources and technologies, costs and co-benefits, barriers to up-scaling and integration requirements, future scenarios and policy options. GHG emissions associated with the provision of energy services are a major cause of climate change . The IPCC Fourth Assessment Report (AR4) concluded that “Most of the observed increase in global average temperature since the mid-20th century is very likely due to the observed increase in anthropogenic greenhouse gas concentrations.”

Lastmanagement als Energiespeicher

Wurden in den ▶ Kap. 6–9 vor allem Speicher diskutiert, die elektrische Energie in welcher Form auch immer speichern und im Anschluss diese wieder als Elektrizitat freigeben, wurden in ▶ Kap. 10 thermische Energiespeicher zum Management des Warmehaushalts behandelt.

Definition und Klassifizierung von Energiespeichern

Ohne Energiespeicher ist die Energieversorgung nahezu unmoglich. Sie sind elementarer Baustein unseres Energiesystems. Oft diskutiert wird die Rolle, die ein Speicher im Energiesystem spielt: Sind Energiespeicher Teil der Energienetze oder doch „Erzeuger“ und „Verbraucher“? An welcher Stelle werden die Kosten der Speicher verortet? Zur energiewirtschaftlichen Einordnung von Speichern sind Definitionen hilfreich.

Urban Energy Storage and Sector Coupling

Abstract Global warming, greenhouse gas emissions, and the general transition toward renewable energy resources are mentioned many times within this book, and will not be repeated again here. Countries that are transitioning to use of more renewable energy sources are mainly using wind and solar power—except for a few countries that, due to their prerequisites, will mainly use hydro power and/or bioenergy. The transmission process in terms of energy generation so far is mainly happening in rural areas—not in urban centers. Most technologies do not really play an important role in urban areas, and are mainly focused on the application of solar energy. Solar energy is widely applied more in rural areas, although investigations show that its application in urban areas already fits well into the existing grid infrastructure. Whereas rural areas are more prone to grid integration problems, the energy infrastructure in urban centers is already well prepared for renewables integration. In fostering tight bundles of potentially linked energy generation, distribution, networking, and use across power and thermal systems in stationary and mobile modes, urban centers become particularly critical in the energy transition processes as energy systems are becoming completely based on renewable sources without a nuclear or fossil-based backbone. This chapter discusses the almost unlimited energy storage possibilities. It will show their enormous capabilities, but also their significant differences in many physical and economical parameters. Next, the authors discuss the necessity of combining and coupling the different energy sectors for electricity, heat, cold, gas, and transport. Finally, the authors present the conclusion that only when coupling the energy sectors and using cheap and efficient energy storage options from one energy sector to solve challenges within another energy sector will the energy transition process be managed in an efficient way.

Speicherintegration in einzelnen Energiesektoren

Wie werden Energiespeicher in die Stromversorgung, die Warmeversorgung und die Mobilitat integriert und heute bereits eingesetzt? Diese Frage wird im vorliegenden Kapitel in Theorie und Praxis beantwortet. Der Fokus richtet sich dabei auf die Integration erneuerbarer Energien. Sektorenubergreifende Energiespeicher, mit deren Hilfe die Sektoren Elektrizitat, Warme und Mobilitat verbunden werden konnen, werden in ▶ Kap. 14 dargestellt.

Speicherintegration zur Kopplung unterschiedlicher Energiesektoren

Strom wird zur Primarenergie – dies wird vor allem in der Kopplung des Stromsektors mit den anderen Energiesektoren sichtbar.

Energiespeicher im Wandel der Zeit

Seit Anbeginn der Zeit nutzt der Mensch Energiespeicher. Vor etwa 2 Mrd. Jahren setzte die Photosynthese als erster Speicherprozess ein. Sie speichert Solarenergie in Form organischer Verbindungen und speist damit samtliches Leben auf der Erde. Im Zusammenhang mit der Entdeckung des Feuers vor ungefahr 1,5 Mio. Jahren wurde dieser „Energiespeicher“ in Form von Feuerholz vom Menschen erschlossen und genutzt. Erst in jungster Geschichte, seit der industriellen Revolution, greift der Mensch auf fossile Energietrager zuruck, die eine altere Form der Biomasse darstellen. Langfristig gilt es, den Speicherprozess der Biomasse nachhaltig zu nutzen, ihn technisch nachzubilden und weitere Speichertechnologien zu erschliesen.