Energietechnologien der Zukunft: Erzeugung, Speicherung, Effizienz und Netze

496 Pages·2015·5.473 MB·German

by  Martin Wietschel, Sandra Ullrich, Peter Markewitz, Friedrich Schulte, Fabio Genoese

Martin Wietschel · Sandra Ullrich
Peter Markewitz · Friedrich Schulte
Fabio Genoese Hrsg.
Energietechnologien
der Zukunft
Erzeugung, Speicherung, Effizienz und Netze
Energietechnologien der Zukunft
(cid:2) (cid:2)
Martin Wietschel Sandra Ullrich
(cid:2) (cid:2)
Peter Markewitz Friedrich Schulte
Fabio Genoese
Herausgeber
Energietechnologien
der Zukunft
Erzeugung, Speicherung, Effizienz
und Netze
Herausgeber
MartinWietschel PeterMarkewitz
Fraunhofer-InstitutfürSystem-und ForschungszentrumJülichGmbH
InnovationsforschungISI Jülich,Deutschland
Karlsruhe,Deutschland
FriedrichSchulte
SandraUllrich RWEAG
Fraunhofer-InstitutfürSystem-und Essen,Deutschland
InnovationsforschungISI
FabioGenoese
Karlsruhe,Deutschland
CentreforEuropeanPolicyStudies(CEPS)
Brüssel,Belgien
ISBN978-3-658-07128-8 ISBN978-3-658-07129-5(eBook)
DOI10.1007/978-3-658-07129-5
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Lektorat:Dr.DanielFröhlich
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Vorwort
EnergieisteinwesentlicherstrategischerFaktorfürWirtschaftundGesellschaft.DieHer-
ausforderungen des Klimaschutzes, die Verknappungder fossilen Energieträger und die
AbkehrvonderKernenergiehabenzueinemTransformationsprozessinderEnergiewirt-
schaftgeführt.InnovativeEnergietechnologieninKombinationmitdezentralenStrukturen
vonErzeugungundVerteilunggewinnenimzukünftigenEnergiesystemimmerstärkeran
Relevanz. Der Marktanteil der dargebotsabhängigen erneuerbaren Energieträger nimmt
stetigzu.
IndiesemBuchwirdzuerstdaszukünftigeElektrizitätssystem ineinemsystemischen
AnsatzaufBasisdererwartetenpolitischen,gesellschaftlichenundtechnologischenEnt-
wicklungen skizziert. Darüber hinaus werden wichtige innovative Energietechnologien
in einem künftigen deutschen und europäischen Elektrizitätssystem identifiziert. Daran
anschließend werden für diese Technologien der heutige technische und ökonomische
Entwicklungsstand sowie das Entwicklungspotenzial in den nächsten 10 bis 15 Jahren
von verschiedenen Experten aus renommierten Forschungseinrichtungen dargelegt. Der
künftigeF&E-BedarfmitdenwesentlichenTrendswirdskizziert.DieTechnologiefelder
werdenabschließendinRoadmapsübersichtlichanhandihrertechnischenundwirtschaft-
lichen Entwicklungsziele, ihres zeitlich verorteten F&E-Bedarfes, ihrer Marktrelevanz
sowie ihrer wichtigsten Treiber und Hemmnisse dargestellt. Aufgrund der aktuell sehr
vielfältigen und schnellen Entwicklungen bei den Energietechnologien kann kein An-
spruchaufabsoluteVollständigkeitindenDarstellungenundErläuterungenerhobenwer-
den.
DiesesBuchsollzurGrundlageninformationfürWirtschaft,PolitikundWissenschaft
dienen und helfen, die entscheidenden Diskussionen und Maßnahmen über langfristige
Handlungs-undEntscheidungsspielräumevoranzutreiben.
V
VI Vorwort
WesentlicheInhaltedesBuchesentstandenimRahmeneinesForschungsprojektesim
Jahr 2013 für die Forschungs- und Entwicklungsabteilung der RWE AG, die einer Ver-
öffentlichung dankenswerter Weise zugestimmt hat. Die Verantwortung für die Inhal-
te liegt aber alleine bei den Autoren der Kapitel. Ein Vorläuferprojekt mit dem Titel
Energietechnologien 2050 – Schwerpunkte für Forschung und Entwicklung wurde vom
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördert und hat Eingang in das
6.EnergieforschungsprogrammderBundesregierunggefunden.
DieHerausgeber
Über die Autoren
M.Sc.Wi.-Ing.AliAydemir
Studium des Wirtschaftsingenieurwesens mit Schwerpunkt „Energie- und Verfahrens-
technik“an der Universität Duisburg-Essen (Abschluss M.Sc. Wi.-Ing2010).Von 2011
bis 2013 tätig für die Siemens AG als Vertriebsingenieur für den Verdichter-Service
in Duisburg. Seit Februar 2013 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer Institut
für System- und Innovationsforschungim Competence Center Energietechnologienund
Energiesysteme.
Internet:www.isi.fraunhofer.de
Kapitel17:RaumlufttechnikundKlimakältesysteme
Kapitel18:Wärmepumpen
Dipl.-Wirtsch.ing.(FH)TobiasBischkowski
TobiasBischkowski,HauptreferentimBereichSteuerungderKonzernForschung&Ent-
wicklung (F&E) der RWE AG, ist seit 2005 im RWE Konzern tätig. Er war bis zuletzt
mitverantwortlich für die prozessuale Steuerung und Weiterentwicklung des F&E-Pro-
jektportfolios.ZuvorwarerbeiRWEmitderAnalyseundBewertungvonEnergietechno-
logienund-szenarienbetraut.2012erarbeiteteerdasKonzeptderTechnologie-Roadmaps
alsPlanungsinstrumentderF&EbeiRWE.
BevorHerrBischkowskiim Jahr2005in derInternenRevisionbeiRWEanfing,war
erzuBeginnseinerberuflichenLaufbahnvierJahrealsUnternehmensberaterindenBe-
reichen Risk Advisory Services und Business Process Risk Consulting bei den Ernst &
YoungundArthurAndersentätig.
Aktuell ist er bei RWE projektbezogen im Umfeld von Lean Management und Ver-
änderungsprozessentätig.TobiasBischkowskiistDiplom-Wirtschaftsingenieur(FH)mit
denStudienschwerpunktenimControllingundMarketing.
Internet:www.rwe.com
Kapitel1:Motivation,ZielsetzungundTechnologieauswahl
VII
VIII ÜberdieAutoren
Dipl.-Ing.KarlUlfBirnbaum
StudiumMaschinenbauundBrennstoffingenieurwesenanderRWTHAachen.Von1979
bis2013wissenschaftlicherMitarbeiteramForschungszentrumsJülich,InstitutfürEner-
gie- und Klimaforschung – Systemforschung und technologische Entwicklung (IEK-
STE).
Schwerpunkte:KonventionelleKraftwerkstechnik,Mikro-KWK(Haushalte,Kleinver-
braucher),Wasserstofferzeugungund-nutzung,Energieversorgungsszenarien.
Internet:www.fz-juelich.de
Kapitel2:ZukünftigeEnergiewelt–SzenarienundrobusteTrends
Kapitel16:Mikro-Kraftwärmekopplungsanlagen(Mikro-KWK)
Dr.rer.nat.KlausHendrikBiß
Abschluss des Physikstudiums an der Justus-Liebig Universität Gießen. Von 2010
bis 2012 Doktorand am Lehrstuhl Nukleare Entsorgung und Techniktransfer (NET).
PromotionimJahr2014anderRWTHAachen.Seit2012wissenschaftlicherMitarbeiter
am Forschungszentrums Jülich, Institut für Energie- und Klimaforschung – Systemfor-
schungundtechnologischeEntwicklung(IEK-STE).
Schwerpunkte:Energiesystemmodellierung,Endenergiebedarfsanalyse,Energieszena-
rien.
Internet:www.fz-juelich.de
Kapitel2:ZukünftigeEnergiewelt–SzenarienundrobusteTrends
Kapitel3:Kohlekraftwerke
Kapitel4:Gaskraftwerke
Kapitel5:CO -Abscheidung
2
Kapitel6:CO -Nutzung
2
Dipl.-Ing.RichardBongartz
Studium der Kernverfahrenstechnik an der Fachhochschule Aachen. Von 1975 bis 2014
wissenschaftlicher Mitarbeiter am Forschungszentrums Jülich, seit 2008 am Institut für
Energie-undKlimaforschung–SystemforschungundtechnologischeEntwicklung(IEK-
STE).
Schwerpunkte: Anlagen der Verfahrenstechnik; technische Bewertung von Energie-
technologien,Risikobewertung.
Internet:www.fz-juelich.de
Kapitel3:Kohlekraftwerke
Kapitel4:Gaskraftwerke
Kapitel5:CO -Abscheidung
2
Kapitel6:CO -Nutzung
2
Kapitel16:Mikro-Kraftwärmekopplungsanlagen(Mikro-KWK)
ÜberdieAutoren IX
Dr.-Ing.ReinerBuck
StudiumdesMaschinenbausmitSchwerpunktEnergietechnikanderUniversitätStuttgart.
PromotionimJahr2000zumThema„Massenstrom-InstabilitätenbeivolumetrischenRe-
ceiver-Reaktoren“. Seit 1986 als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Deutschen Zentrum
fürLuft- undRaumfahrte.V. (DLR)tätig, zunächstam Institut fürTechnischeThermo-
dynamik,seit2011amInstitutfürSolarforschung.
Seit 2011 Leiter der Abteilung „Punktfokussierende Systeme“ am DLR-Institut für
Solarforschung. Schwerpunkte: Entwicklung von konzentrierenden Solarsystemen zur
Stromerzeugung,Thermodynamik,System-Auslegungund-Modellierung,optischeKon-
zentratoren. Mitarbeit und Leitung diverser nationaler und internationaler Projekte im
BereichkonzentrierenderSolarsystemezurStromerzeugung.
Internet:www.dlr.de
Kapitel9:SolarthermischeKraftwerke
Prof.Dr.-Ing.MartinBraun
Studiumder„Elektro-undInformationstechnik“und„technischorientierteBetriebswirt-
schaftslehre“ an der Universität Stuttgart. In den Jahren 2005–2008 wissenschaftlicher
Mitarbeiter am Institut für Solare Energieversorgungstechnik (ISET) in Kassel in der
Gruppe „Elektrische Netze“. 2008 Promotion an der Universität Kassel über das The-
ma „Bereitstellung von Netzdienstleistungen durchdezentraleErzeuger“.Ab 2009Auf-
bauderForschungsgruppe„DezentraleNetzdienstleistungen“amFraunhofer-Institutfür
Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) in Kassel. 2010–2012 Juniorprofessor
für „Smart Power Grids“ an der Universität Stuttgart. Seit 2012 Professor an der Uni-
versität Kassel, Fachgebietsleiter „Energiemanagement und Betrieb elektrischer Netze“
verbunden mit dem Kompetenzzentrum für Dezentrale Elektrische Energieversorgungs-
technik (KDEE). Seit 2012 Abteilungsleiter „Betrieb Verteilungsnetze“ am Fraunhofer
IWES. Forschungsschwerpunkte sind technisch-wirtschaftlich optimierte Verfahren für
dieAnalyse,Auslegung,RegelungundBetriebsführungvonVerteilungsnetzensowiedie
BereitstellungvonEnergie-undNetzdienstleistungendurchdezentraleAnlagenundVer-
fahrenfürEnergie-undNetzmanagementindezentralenVersorgungsstrukturen.
Internet:www.uni-kassel.de,www.iwes.fraunhofer.de
Kapitel15:ElektrischeVerteilungsnetzeimWandel
Dipl.-Ing.JohannesFleer
Studium Umwelttechnik und Ressourcenmanagement an der Ruhr-Universität Bochum.
AnschließendTätigkeitalsPlanungsingenieurfürPhotovoltaiksystemebeiderFirmaeco-
Kinetics Pty Ltd in Stapylton, Australien. Seit 2012 wissenschaftlicher Mitarbeiter am
ForschungszentrumsJülich,InstitutfürEnergie-undKlimaforschung–Systemforschung
undtechnologischeEntwicklung(IEK-STE).
X ÜberdieAutoren
Schwerpunkte: Techno-ökonomische Analyse und Bewertung von Energiespeichern,
Analyse des Einsatzes netzgekoppelter Batteriespeichersysteme zur Bereitstellung von
Regelleistung.
Internet:www.fz-juelich.de
Kapitel10:ElektrochemischeSpeicher
Dr.TobiasFleiter
Tobias Fleiter studierte Wirtschaftsingenieurwesen „Energie- und Umweltmanagement“
anderUniversitätFlensburgmitStudienaufenthaltinSchweden.Seit2007istTobiasFlei-
teramFraunhoferInstitutfürSystem-undInnovationsforschungimCompetenceCenter
Energietechnologien und Energiesysteme tätig. Währenddessen hat er einen Aufenthalt
beiderEuropäischenKommissioninderGeneraldirektionfürEnergie-undTransportab-
solviert und war als Gastwissenschaftler an der Universität BordeauxIV sowie am IPM
derChineseAcademyofScienceinPeking.SeineDoktorarbeithateranderUniversität
Utrecht zum Thema „Die Adoption von Energieeffizienztechnologien durch Unterneh-
men“ im Jahr 2012 abgeschlossen. Seit 2013 ist Tobias Fleiter Leiter des Geschäftsfel-
desEnergienachfrageanalysenund-projektionen.SeineForschungsschwerpunktesinddie
Modellierung der Energienachfrage sowie Energieeffizienz in der Industrie. Dies bein-
haltetsowohltechno-ökonomischeBewertungenvonEnergieeinsparpotenzialenalsauch
WirkungsanalysenvonInstrumentenzurSteigerungderEnergieeffizienz.
Internet:www.isi.fraunhofer.de
Kapitel19:StromeffizienzindenSektorenIndustrie,GHDundHaushalte
Dr.NeleFriedrichsen
Studium Wirtschaftsingenieurswesen mit Schwerpunkt Energie- und Umweltmana-
gement an der Universität Flensburg. Promotion in VWL an der Jacobs University
Bremen. Von 2010 bis 2012 wissenschaftliche Mitarbeiterin am Bremer Energie In-
stitut. Seit 2013wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer Institut für System- und
Innovationsforschung. Bis Juni 2014 im Competence Center Energietechnologien und
Energiesysteme, danach im Competence Center Energiepolitik und Energiemärkte. Ihre
InteressenschwerpunktesindinstitutionelleRahmenbedingungenundGovernanceinsbe-
sonderehinsichtlichderTransitionzueinemnachhaltigenEnergiesystem.AmFraunhofer
ISI beschäftigt sie sich derzeit mit der Ausgestaltung und Bewertung des EU-Emissi-
onsrechtehandels, dem Netzentgeltsystem im Kontext der Energiewende und den damit
verbundenen Herausforderungen sowie der Wettbewerbsfähigkeit der deutschen energi-
eintensivenIndustrie.
Internet:www.isi.fraunhofer.de
Kapitel20:Verbrauchssteuerung
Dr.FabioGenoese
Dr. Fabio Genoese ist CEPS Fellow am Centre for European Policy Studies in Brüssel
und Dozent am Institut d’études politiques (Sciences Po) in Paris. Seine Forschungs-