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TECHNISCHE HOCHSCHULE INGOLSTADTFakultät MaschinenbauWirtschaftsingenieurwesenSchwerpunkt: Erneuerbare EnergienBachelorarbeitAnalyse potentieller Einsatzbereiche vonLIQHYSMES im deutschen StromnetzErstprüfer:Prof. Dr.-Ing. Tobias SchragZweitprüfer: Prof. Dr.-Ing. Jörg WellnitzAusgegeben am:01.06.2014Abgegeben am:01.09.2014Vorgelegt von:Martin HajekMatrikelnummer: 24316Karlsruhe, den 29.08.2014

Im Auftrag des KITAngefertigt in gemeinsamer Betreuung durch:Institut für Technische Physik - ITEP&Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse ITASBetreuer:Dr.-Ing. Holger Neumann (ITEP)Dr.-Ing. Marcel Weil (ITAS)Dipl. Ing. Manuel Baumann (ITAS)M.Sc. Benedikt Zimmermann (ITAS)M.Sc. Dominik Poncette (ITAS)

IErklärungIch erkläre hiermit, dass ich die Arbeit selbständig verfasst, noch nicht anderweitig fürPrüfungszwecke vorgelegt, keine anderen als die angegebenen Quellen oder Hilfsmittelbenutzt sowie wörtliche und sinngemäße Zitate als solche gekennzeichnet habe.Ingolstadt, den 29.08.2014Martin Hajek

IIVorwortDie Bachelorarbeit entstand während meiner Tätigkeit am Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS) in Kooperation mit dem Institut für TechnischePhysik (ITEP) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT).Mein besonderer Dank gilt den Betreuern meiner Arbeit, Herrn Dr.-Ing. Tobias Schrag,von Seiten der Technischen Hochschule Ingolstadt, Herrn Dr.-Ing. Marcel Weil vomITAS und Dr.-Ing. Holger Neumann vom ITEP.Mein besonderer Dank gilt des Weiteren den Herren Dipl. Ing. Manuel Baumann, M.Sc.Dominik Poncette und M.Sc. Benedikt Zimmermann, die mir stets mit ihrer Expertiseund konstruktiven Kritik beratend zur Seite standen.Weiterhin gilt mein Dank Herrn Dr. rer. nat. et Ing. habil. Christoph Haberstroh (TUDresden), Herrn Prof. Dr.-Ing. Jörg Wellnitz (TH Ingolstadt), Herrn Dr. Michael Sander(ITEP), Herrn Dr. Jörg Burkhardt (ITAS) sowie den Herren Dr. Lars Blum und Dr. LutzDecker (Linde AG) für die informative und freundliche Kommunikation zu diversentechnologischen Fragestellungen im Rahmen dieser Arbeit.

IIIAufgabenstellungAnalyse potentieller Einsatzbereiche von LIQHYSMES im deutschenStromnetzIm Rahmen dieser Arbeit sollen die technologischen wie ökonomischen Möglichkeitendes Hybridspeichers LIQHYSMES in unterschiedlichen Einsatzbedingungen untersuchtwerden. Hierzu gilt es, zuerst eine Übersicht aller Hauptkomponenten zu schaffen, deren Funktionen und Interaktionen im Gesamtsystem zu beschreiben und technologischeEigenschaften, wie auch Kostenstrukturen auf Basis von Literaturrecherchen darzustellen.Basierend auf diesen Daten gilt es, die Eignung und Gesamtkostenstruktur des Energiespeichers (ES) in unterschiedlichen Einsatzbereichen zu ermitteln, diese mit Konkurrenztechnologien zu vergleichen und mögliche Potentiale und Herausforderungenherauszustellen.

IVKurzfassungIn der vorliegenden Arbeit „Analyse potentieller Einsatzbereiche von LIQHYSMES imdeutschen Stromnetz“ wird das Hybrid-Energiespeicherkonzept LIQHYSMES (LIQuidHYdrogen and Superconducting Magnetic Energy Storage) für den Einsatz als Elektroenergiespeicher (EES) untersucht. Die Gesamtstruktur des Speichersystems wird hinsichtlich seiner Hauptkomponenten und deren Performance sowie Interaktionen imGesamtsystem analysiert und spezifische Speicherkosten in verschiedenen Szenarienermittelt.Basierend auf einer umfassenden Literaturrecherche werden technische und wirtschaftliche Eigenschaften der Hauptkomponenten und deren Zusammenspiel gemäß des Hybridspeicherkonzeptes dargestellt. Es zeigt sich eine weite Bandbreite an Einsatzmöglichkeiten durch Kombination des hochflexiblen Magnetspulenspeichers und den hohenEnergiespeicherkapazitäten des Flüssigwasserstoffs. In einem Berechnungsmodell wirdder Energiespeicher gemäß den Anforderungen unterschiedlicher Speichereinsatzszenarien dimensioniert und die spezifischen Speicherkosten pro kWh in Bandbreiten mittelseiner annuitätischen Vollkostenrechnung unter variierenden Annahmen zu technischenwie ökonomischen Gegebenheiten ermittelt.Es zeigen sich charakteristische Kostenstrukturen mit hohen Anfangsinvestitionen imVerhältnis zu vergleichsweise dazu moderaten Betriebskosten. Elektrolyseure undKryotechnik stellen den größten Gesamtkostenteil über die untersuchten Betriebszeiten,während der SMES nur einen geringen Gesamtkostenbeitrag leistet. Der technoökonomische Benchmark zeigt für den Speicherpfad der Wasserstoffverflüssigung mitanschließender Rückverstromung über Brennstoffzellen vor allem in der Langzeitspeicherung eine potentielle Konkurrenzfähigkeit auf.In einer Sensitivitätsanalyse wird der Einfluss auf die Kosten des LIQHYSMESSystems durch technologieunabhängige Rahmenbedingungen, den Einsatz eines Kälteregenerators unter variierenden technischen wie ökonomischen Annahmen zur Kältetechnik und ein Hybridbetrieb unter Doppeleinsatz des Speichersystems untersucht. DieStromeinkaufskosten stellen sich dabei als stärkster äußerer Kostenhebel heraus. Eswird eine starke Speicherkostenvarianz, bedingt durch die weiten Bandbreiten vonInvestitionskosten und Verflüssigungseffizienz der Kryoanlagen sowie ein materialbedingtes Kostensenkungspotential durch Kälteregeneration festgestellt.Diese Arbeit stellt lediglich eine Untersuchung zu potentiellen Einsatzgebieten und Berechnung von Kostenbandbreiten des LIQHYSMES dar. Eine Identifizierung vonpotentiellen Einnahmen durch Stromverkauf und Gewinngenerierungsmöglichkeiten istkein Bestandteil dieser Arbeit.

VZiel ist es charakteristische Kostenstrukturen und deren Haupteinflussfaktoren zu ermitteln, Optimierungsrechnungen sind nicht Teil dieser Arbeit und berechnete Werte sindvor diesem Hintergrund zu betrachten.

VIInhaltsverzeichnisAnalyse potentieller Einsatzbereiche von LIQHYSMES im deutschenStromnetzErklärung . IVorwort . IIAufgabenstellung . IIIKurzfassung . IVInhaltsverzeichnis . VIAbkürzungsverzeichnis . IXAbbildungsverzeichnis . XITabellenverzeichnis . XIISymbolverzeichnis . XIIIVerzeichnis verwendeter Gleichungen .XV12Einleitung. 11.1Problemstellung . 11.2Zielsetzung . 21.3Aufbau der Arbeit. 3Technologie LIQHYSMES . 42.1Auswahl und Beschreibung der Komponenten . 52.1.1 Leistungselektronik und Kontrolleinheit . 62.1.2 Elektrolyseur. 72.1.32.1.42.1.52.1.62.1.72.1.82.1.9Wasserspeicher . 12GH2-Pufferspeicher . 13Wasserstoffverflüssigung . 15Wärme-Kälte-Regenerator GH2-LH2-GH2 . 19LH2-Tank . 23Brennstoffzellen . 27Superconducting Magnetic Energy Storage . 30

VII34567Auswahl des Energiespeichereinsatzes . 353.1Speichereinsatzbereiche und Speichertechnologien . 353.2Referenzfälle für Speicher . 373.3Konkurrenzanalyse für Referenzeinsatz . 40Techno-ökonomische Bewertungsmethodik . 424.1Annuitätische Vollkostenrechnung . 424.2Berechnungsmodell auf Excel-Basis . 44Ergebnisse LIQHYSMES . 455.1Technologiespezifische Analyse . 455.2Anwendungsorientierte Bewertung . 475.3Techno-ökonomisches Benchmarking . 505.4Sensitivitätsanalyse . 55Zusammenfassung, Fazit und Ausblick . 626.1Zusammenfassung . 626.2Fazit . 646.3Ausblick . 65Literaturverzeichnis . 67Anhang . A-1Anhang 1: Übersicht technischer Daten der Hauptkomponenten von LIQHYSMESAnhang 2: Übersicht ökonomischer Daten der Hauptkomponenten vonLIQHYSMESAnhang 3: Datengrundlage für Kostendegression der LeistungselektronikAnhang 4: Kostenübersicht für LH2-Tank in Abhängigkeit der volumetrischenSpeicherkapazität und des GeltungsbereichsAnhang 5: Übersicht typischer Strukturierungsmerkmale von EESAnhang 6: Kriterien für Teilnahme am RegelenergiemarktAnhang 7: Rahmenbedingungen für KostenrechnungAnhang 8: Gesamtkostenverteilung auf Hauptkomponenten unter BasisRahmenbedingungen und pessimistischen bzw. optimistischenAnnahmenAnhang 9: Gesamtkostenverlauf unter Basis-Annahmen in den Referenzfällen

VIIIAnhang 10: Eingangsdaten für techno-ökonomischen BenchmarkAnhang 11: Leistungsspezifische Kosten aus Sensitivitätsanalyse derRahmenbedingungenAnhang 12: Eingangsparameter für Sensitivitätsanalyse der KältetechnikAnhang 13: Weitere Bewertungsparameter für EnergiespeicherAnhang 14: Expertengespräch, Dr.-Ing. Holger Neumann, ITEP/KITAnhang 15: Expertengespräch, Prof. Dr.-Ing. Jörn Wellnitz, TH IngolstadtAnhang 16: Expertengespräch, Prof. Dr. rer. nat. et Ing. habil. ChristianHaberstroh, TU DresdenAnhang 17: Expertengespräch, Dr. Lars Blum und Dr. Lutz Decker, Linde AGAnhang 18: Expertengespräch, Dr.-Ing. Jörg Burkhardt, ITAS/KITAnhang 19: Expertengespräch, Dr. Holger Neumann und Dr. Michael Sander,ITEP/KITAnhang 20: CD-ROM mit Kopie des erstellten Excel-Berechnungsmodells,zitierten Quellen und einem PDF der Arbeit

PEMAkkumulatorAnnuitätenfaktorAdvanced Superconducting Power Conditioning SystemCompressed Air Energy Storage (Druckluftenergiespeicher)MethangasUnited States Department of Energy (Energieministerium der Vereinigten Staaten)Erneuerbare EnergienErneuerbare Energien n Network of Transmission System Operators for Electricity(Verband Europäischer Übertragungsnetzbetreiber)Gasförmiger WasserstoffGrundlastkraftwerkHigh Heating Value (Brennwert, oberer kumulatorenIntegriertes Energie- und KlimaschutzprogrammIntergovernmental Panel on Climate Change(Zwischenstaatlichen Ausschuss für Klimafragen)Joule-Thomson VentilKalilaugeKraftwerkLiquid Air Energy Storage (Flüssigluftenergiespeicher)Liquid hydrogen (Flüssigwasserstoff)LIQuid HYdrogen & Superconducting Magnetic Energy Storage(Flüssigwasserstoff- und supraleitende Magnetspulenenergiespeicher)Liquid Nitrogen st (Liste mit Einsatzreihenfolge von Kraftwerken, nachsteigendem nnungsnetzProtonen-Austausch-Membran

XPEMFCPolymer Electrolyte Membrane Fuel lenPower to Gas to Power (Gaserzeugung mit Strom zur Speicherung undanschließenden Rückverstromung)Supercaps (Superkondensatoren)Superconducting Magnetic Energy Storage (Supraleitender BVDEVLSZellstapel, StapelÜbertragungsnetzbetreiberVerband der ElektrotechnikVolllaststundenPRLPSWPTFEP2G2PSCSMES

XIAbbildungsverzeichnisAbbildung 1: Schema LIQHYSMES (eigene Darstellung in Anlehnung an [2]). 5Abbildung 2: Schematischer Ablauf alkalischer Elektrolyse (in Anlehnung an [18]) . 7Abbildung 3: Wasserkreislauf (eigene Darstellung) . 10Abbildung 4: Erdbeckenwärmespeicher für Prozesswasser (eigene Darstellung) . 12Abbildung 5: Energiegehalt von H2 in Abhängigkeit des Drucks bei 293 K [39]. 14Abbildung 6: Schema eines idealen Verflüssigungsprozesses (in Anlehnung an [44]) . 16Abbildung 7: Prozessschritte der Wasserstoffverflüssigung [54] . 17Abbildung 8: Schematisches Gasflussdiagramm einer Verflüssigungsanlage (inAnlehnung an [54]). 18Abbildung 9: Schematischer Aufbau des LH2-Tanks (nach [2]) . 24Abbildung 10: Aufbau einer PEM-Einzelzelle und eines Zellenstapels [81] . 27Abbildung 11: Auswahl möglicher Geometrien für SMES (siehe [12]) . 31Abbildung 12: Skalierungsgrundlage für SMES [3]. 31Abbildung 13: Speichereinsatzübersicht (in Anlehnung an [103]) . 36Abbildung 14: Übersicht Konkurrenztechnologien und Eigenschaften . 41Abbildung 15: Auswahlkriterien im Berechnungsmodell . 44Abbildung 16: Bandbreite Strom-zu-Strom-Wirkungsgradkette LIQHY-Pfad. 45Abbildung 17: Bandbreite Strom-zu-Strom-Wirkungsgradkette SMES . 46Abbildung 18: Prozentualer Gesamtkostenanteil der Hauptkomponenten über diegesamte Betriebszeit in den Referenzfällen. 48Abbildung 19: Gesamtkostenverlauf über Betriebszeitraum nach Speicherkomponentenin Fall 2 b . 49Abbildung 20: Legende für Bandbreiten von Kspez . 51Abbildung 21: Bandbreite der spezifischen Kosten für Referenzfall 1 . 51Abbildung 22: Bandbreite der spezifischen Kosten für Referenzfall 2 a . 52Abbildung 23: Bandbreite der spezifischen Kosten für Referenzfall 2 b . 52Abbildung 24: Bandbreite der spezifischen Kosten für Referenzfall 3 . 53Abbildung 25: Bandbreite der spezifischen Kosten für Referenzfall 4 . 54Abbildung 26: Spezifische Kosten pro installierter Leistung . 54Abbildung 27: Legende Kspez in Abh. der Rahmenbedingungen . 56Abbildung 28: Kspez in Abh. von Stromeinkaufspreis, Zinssatz und Betriebszeit . 56Abbildung 29: Legende Kspez in Abhängigkeit der Kältetechnik . 57Abbildung 30: Kspez in Abhängigkeit der Kältetechnik. 58Abbildung 31: Gesamtkostenanteil von Kryokühlern und Regenerator . 59Abbildung 32: Kspez von LIQHYSMES und SMES in verschiedenen Dimensionierungenbei Doppeleinsatz in Referenzfall 1 und PRL . 60

XIITabellenverzeichnisTabelle 1: Beispielhafte Auswahl von Regeneratormaterialien . 22Tabelle 2: Übersicht der Referenzfälle für Speichereinsatz (aus [4]) . 39

XIIISymbolverzeichnisaAnnuitätBMagnetfeldstärke durch eine SpuleBWBarwertBW-Negativer BarwertC0KapitalwertNegativer Kapitalwert zum BetrachtungszeitpunktcpSpezifische WärmekapazitätctAuszahlung pro Periodee-ElektronEEnergieEthWärmeenergiemenge thermischfreaktionEffizienz der ReaktionsbeteiligungfRegVolVolumenfaktor für Verhältnis zwischen H2- und RegeneratorvolumenH lationszinssatzIStromstärkeIcKritische StromstärkeIbasis/iInvestitionskosten der Basis- und der neuen AnlageKbasis/iKapazität der Basis- und der neuen AnlangeKspezSpeicherspezifische Stromkosten pro kWhelkWelKilowatt, elektrisch (Leistung)kWhchemKilowattstunden, chemisch (Energie)

XIVkWhelKilowattstunde, elektrisch (Energie)LInduktivität der SpulemMasseMMolare MassenAnzahl ganzer unkt innerhalb einer Periode „n“TTemperaturTSystemträgheitReaktionszeit der H2-basierenden Gravimetrische Dichte ctEurocent

XVVerzeichnis verwendeter GleichungenFormel (1), Seite 6, kapazitätsbedingte Kostendegression:(mit:)Formel (2), Seite 8, alkalische Elektrolyse:Kathode:2H2O 2e- H2(g) 2OH-Anode:2OH- ½ O2(g) H2O 2e-Gesamtreaktion:H2O H2 ½ O2(g)Formel (3), Seite 8, Wasserbedarf pro kg H2:( mit:)[ ][ []]Daraus folgt gemäß der Zusammensetzung:[ [ ][ ][ ]][ ][[]][ ][ ]Formel(4), Seite 20, spezifische Wärmeenergiemenge:mit:[] und[ ]

XVIFormel (5), Seite 20, thermische Mindestspeicherkapazität bzgl. LH2-Gewicht bzw.-Volumen:( [ ]bzw. mit [][[[]]]) []][Formel (6), Seite 21, Mindestmasse des Regeneratormaterials:[Aus:]Formel (7), Seite 21, Mindestvolumen des Regeneratormaterials:[Formel (8), Seite 28, Reaktionsgleichung Formel (9), Seite 32, im SMES speicherbare Gesamtenergie:[]]

XVIIFormel (10), Seite 32, nutzbare Mindestspeicherkapazität des SMES:Formel (11), Seite 33, nutzbare Speicherkapazität:[() ]Formel (12), Seite 42, Annuität: mit: i KalkulationszinssatzFormel (13), Seite 43, negativer Kapitalwert: mit t eine Periode zwischen 1 und nFormel (14), Seite 43, negativer Barwert: mit t Zeitpunkt innerhalb einer Periode nFormel (15), Seite 43, speicherspezifische Kosten:[]

1 Einleitung11EinleitungLIQuid HYdrogen and Superconducting Magnetic Energy Storage (LIQHYSMES) isteine Kombination aus zwei bewährten Speichertechnologien [1]: Die Speicherung vongroßen Energiemengen über längere Zeiträume in Form von flüssigem Wasserstoff(LH2) und die direkte, nahezu verlustfreie Speicherung von Strom in supraleitendenMagnetspulen (SMES). Das LH2 wird dabei in superisolierten Tanks unter Umgebungsdruck gespeichert und stellt zugleich die für die Supraleitung der Magnetspulen benötigte Kühlung durch Positionierung des SMES innerhalb des LH2-Tanks. Hierbei entstehteine Synergienutzung von Kryo- und Tankanlagen [2] und [3].LIQHYSMES ist als Hybridspeicher mit einer hohen Leistungs- und Kapazitätsbandbreite eine der potentiellen Speichertechnologien, deren attraktive Einsatzbereiche ineinem zukünftigen Strommarkt betrachtet werden sollten.Wie bei allen auf Wasserstoff basierenden Energiespeichern steht auch beiLIQHYSMES auf dem LH2-Speicherpfad den Vorteilen langfristiger Speicherbarkeitund hoher Energiedichte ein relativ niedriger, prozessbedingter Strom-zu-StromWirkungsgrad der Umwandlungskette von etwa 40 % gegenüber [4]. Im Gegensatz dazu steht der SMES, welcher, Dank fehlenden ohmschen Widerstandes, ungeachtet desAufwands für Kühlleistung, aufgenommenen Strom nahezu verlustfrei ins Netz zurückgeben kann [4] und [5].Unter aktuellen Einsatzbedingungen im deutschen Strommarkt sind Wasserstoffspeicherim direkten ökonomischen Vergleich zu Pumpspeicherkraftwerken und Druckluftspeichern nicht konkurrenzfähig [4]. Im Zuge der Energiewende werden sich Speicherbedarf und Strommarkt jedoch verändern und Stromspeicher werden in neuartigen Einsatzgebieten eine vielseitigere Rolle spielen [6] und [7]. Welche Potentiale der Hybridspeicher LIQHYSMES hat und welche Aufgaben er unter diesen Voraussetzungenübernehmen könnte, sind die Hauptfragen, mit denen sich diese Arbeit auseinandersetzt.1.1 ProblemstellungSowohl Flüssigwasserstoff wie auch supraleitende Magnetspulen sind seit Jahrzehntenbekannte Energiespeichertechnologien und werden in unterschiedlichen Bereichen seitJahren beforscht und eingesetzt. H2 wird weltweit nur zu einem Bruchteil der Gesamtproduktion von etwa 500 Mio. t für energetische Anwendungen eingesetzt [8] und [9].LH2 weißt im Gegensatz zu gasförmigem Wasserstoff (GH2) eine Speicherbarkeit unter

1 Einleitung2Normdruck bei deutlich höherer Energiedichte auf, der Verflüssigungsprozess ist dabeijedoch energieintensiver und entsprechende Anlagen investitionsintensiver als einfacheKompressoren der Druckspeicherung [10]. SMES hingegen finden vor allem zur Kompensation kurzeitiger Spannungsspitzen im industriellen Bereich Verwendung [11].Flüssigwasserstoff zeichnet sich durch seine Eigenschaft aus, über lange Zeiträume verlustarm gespeichert werden zu können, sowie seine im Vergleich zu anderen Speichertechnologien hohe Energiedichte und beliebig skalierbare Speicherkapazitäten. DieNachteile bei der Verwendung von H2 als ES liegen in den hohen Umwandlungsverlusten bei Elektrolyse, Kompression bzw. Verflüssigung und Rückverstromung. DerSMES hingegen hat seine Stärken in sehr kurzen Reaktionszeiten, hohen Leistungszahlen und Zykluswirkungsgraden bei der Kurzzeitspeicherung im Bereich von Sekundenbis Minuten.Eine Verknüpfung beider Technologien zu einem Hybridspeicher, wie in den Veröffentlichungen [1], [2], [5] und [12] vorgestellt, verspricht neben einem Synergieeffekt beider Nutzung aller kältebezogenen Anlagenkomponenten auch Potentiale zur Übernahmeunterschiedlicher Dienstleistungen im Stromversorgungsnetz.Welche Einsatzbedingungen und Aufgaben das Speicherkonzept LIQHYSMES potentiell begünstigen oder benachteiligen und welchen Einfluss die einzelnen Komponentendabei auf die technologische Performance und Kostenstrukturen haben, gilt es jedochnoch genauer zu untersuchen.1.2 ZielsetzungHauptziel der Arbeit ist es die Einsatzfähigkeit von LIQHYSMES unter verschiedenenerwarteten Einsatzbedingungen für EES zu untersuchen, die daraus resultierendenspeicherspezifischen Kosten zu ermitteln, diese mit Konkurrenztechnologien zu vergleichen und daraus potentielle Einsatzbereiche für LIQHYSMES abzuleiten. Im Weiterengilt es, die Kostensenkungspotentiale unter variierten äußeren Rahmenbedingungen, dentechno-ökonomischen Einfluss eines Kälteregenerators und Parallelbetrieb desHybridspeichers in unterschiedlichen Speichereinsatzbereichen zu analysieren.

1 Einleitung31.3 Aufbau der ArbeitEine Systembeschreibung des Hybridspeichers LIQHYSMES und Erläuterung der Interaktion seiner einzelnen Komponenten wird dargestellt. Eine Literaturrecherche zumaktuellen Stand und den in absehbarem Zeitraum von in zehn bis 15 Jahren zu erwartenden technologischen und ökonomischen Entwicklungen der einzelnen Hauptkomponenten wird durchgeführt.Ein Überblick von Speichereinsatzbereichen wird dargestellt und eine Auswahl vonSpeichereinsatzszenarien für nachfolgende Berechnungen getroffen.Ein anwendungsorientiertes Berechnungsmodell auf Excel-Basis, mit Rücksicht auf allegemäß Speichereinsatzszenarien relevanten Rahmenbedingungen, wird erstellt. Recherchierte technologische und ökonomische Daten werden in das Modell übertragen unddie speicherspezifischen Gesamtkosten pro dem Netz zur Verfügung gestellter Energiemenge gemäß Annuitätenmethode ermittelt.Die Kosten werden unter optimistischen, Basis- und pessimistischen Annahmen für alleReferenzfälle in Bandbreiten berechnet und die Ergebnisse zum Benchmark mit anderenSpeichertechnologien gemäß VDE-Studie 2009 [4] verglichen. Betrachtet werden nurSpeichertechnologien, die sowohl Last als auch Leistung bereitstellen können. Der positive Beitrag eines reinen Lastmanagements wird in dieser Arbeit nicht thematisiert.Unter Berücksichtigung unterschiedlicher Einflussfaktoren wird in einer Sensitivitätsanalyse der ökonomische Einfluss durch Variation von technologieunabhängigen Rahmenbedingungen und der Kältetechnik auf das Gesamtsystem untersucht. Die Systemgrenze für alle Berechnungen in dieser Arbeit wird durch die Speichereinheit inklusivealler direkt zugehörigen Bauteile bis hin zu den Wechselrichtern zwischen Speicher undStromnetz dargestellt.Zum Schluss folgen Hinweise zu begünstigenden Einsatzbereichen und Potentialen fürLIQHYSMES und Empfehlungen zu Bereichen, in welchen es weiterer Forschungsbemühungen bedarf.Alle Angaben von Werten in Bezug auf den Energieinhalt von Wasserstoff beziehensich auf dessen Brennwert von 39,41 kWh/kg.

2 Technologie LIQHYSMES24Technologie LIQHYSMESIm folgenden Kapitel werden Konzept, Aufbau und alle wesentlichen Komponenten desHybridspeichers LIQHYSMES dargestellt. Auf Basis einer Literaturrecherche undExperteninterviews werden für spätere Berechnungen relevante technische und wirtschaftliche Daten zu allen Einzelkomponenten für sich und deren Interaktion imGesamtsystem dargestellt. Eine Zusammenfassung aller für die Berechnungen relevanten Daten befindet sich in Anhang 1 und Anhang 2.LIQHYSMES ist ein Hybridspeicher, der die Nutzung von flüssigem Wasserstoff (LH2)mit einem supraleitenden, magnetischen Energiespeicher verbindet. Der Wasserstoffwird durch Elektrolyse von Wasser mittels elektrischen Stroms erzeugt, verflüssigt undunter Umgebungsdruck in einem thermisch isolierten Tank bei 20 K gespeichert. BeiStrombedarf wird der flüssige Wasserstoff durch den Regenerator geleitet, wo er seineKälte abgibt, verdampft und anschließend über eine Turbine oder Brennstoffzelle verstromt werden kann. Der hochtemperatur-supraleitende elektrodynamische Speicherbefindet sich im inneren des LH2-Tanks oder ist über einen Flüssigwasserstoffkreislaufdirekt an diesen angebunden. Die Betriebstemperatur liegt abhängig vom Speicherdruckdes LH2 bei etwa 20 K und ist damit deutlich unterhalb der materialspezifischen kritischen Temperatur des verwendeten Hochtemperatursupraleiters (HTSL) [2]. Über dieKoppelstromrichter kann bei Bedarf elektrischer Strom in die Supraleiter eingeleitetwerden. In diesen fließt er nahezu verlustfrei, wodurch Energie in Form eines Magnetfeldes gespeichert und bei Bedarf entsprechend an das Netz zurückgeführt werden kann.Wesentliche Bestandteile und schematischer Aufbau des Speichers kann Abbildung 1entnommen werden.

2 Technologie LIQHYSMES5H2 – Wasserstoff; LH2 – Flüssigwasserstoff; LN2 – Flüssigstickstoff; CH4 – Methangas;GuD – Gas und Dampf; JT-Ventil – Joule-Thomson VentilAbbildung 1: Schema LIQHYSMES (eigene Darstellung in Anlehnung an [2])Technische Spezifikationen und Betriebseigenschaften der Gesamtanlage sind abhängigvon Einsatzgebiet und Dimensionierung der Gesamtanlage wie auch der einzelnenKomponenten.2.1 Auswahl und Beschreibung der KomponentenDie Hauptkomponenten des LIQHYSMES-Systems werden hinsichtlich ihrer Aufgabenim Gesamtsystem dargestellt und in Bezug auf technologische wie wirtschaftliche Gegebenheiten genauer beschrieben. Getroffene Annahmen, aus denen sich die in der späteren Kostenrechnung verwendeten Werte ergeben, werden nachfolgend erläutert. ImSpeziellen wird auf Eigenschaften bezüglich Aufbau und Funktion eingegangen, die fürdie gewählten Applikationen relevant sind, sowie auf die Kostenstrukturen der Komponenten. Diese sind im Wesentlichen Lebenszeit, elektrische Umwandlungswirkungsgrade, Reaktionszeit, Eigenenergieverbrauch in Betrieb und Standby wie auch Investiti-

2 Technologie LIQHYSMES6ons-, Betriebs- und Instandhaltungskosten. Eine genauere Betrachtung der Verfügbarkeit der Einzelanlagen wurde in nachfolgenden Auslegungen und Berechnungen nichtberücksichtigt, was tendenziell zu einer positiveren Bewertung der Gesamtanlage führenkann.2.1.1 Leistungselektronik und KontrolleinheitUnter die Kontrolleinheit fallen alle Anlagenbestandteile der Mess-, Steuer- undRegelungstechnik zum Austausch von Informationen zum einen zwischen Stromnetz bzw. Netzbetreiber und der Speichereinheit und zum anderen zwischenanlagenspezifischer Mess- und Regeltechnik. Die Leistungselektronik beinhaltetalle Anlagen zur Transmission und Transformation als Schnittstelle zwischen Speicherkomponente

Dresden), Herrn Prof. Dr.-Ing. Jörg Wellnitz (TH Ingolstadt), Herrn Dr. Michael Sander (ITEP), Herrn Dr. Jörg Burkhardt (ITAS) sowie den Herren Dr. Lars Blum und Dr. Lutz Decker (Linde AG) für die informative und freundliche Kommunikation zu diversen