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Mit Metrologie in die Zukunft - Herausforderung Energie

Herausforderung Energie

Metrologie für Energieträger und -speicherung

Ziel der Bundesregierung ist es, dass im Jahr 2050 der Anteil der erneuerbaren Energien am Bruttostromverbrauch bei mindestens 80 Prozent liegt. Dies soll in erster Linie mit Wind- und Solarenergie gelingen. Um die wetterabhängig fluktuierende Stromproduktion auszugleichen, werden in Zukunft große Energiespeichersysteme benötigt. Zum Gelingen der Energiewende braucht man zudem Energieträger, die es ermöglichen, regenerativ erzeugte Energie auch in den Sektoren Mobilität und Wärmeversorgung zu nutzen – Stichwort Sektorenkopplung.

In enger Zusammenarbeit mit Industriepartnern, Universitäten, Forschungseinrichtungen und anderen nationalen Metrologieinstituten betreibt die PTB sowohl Grundlagenforschung an Eigenschaften neuer Batterietypen als auch anwendungsbezogene Forschung, die sich am aktuellen Bedarf von Industrie und Gesellschaft orientiert – beispielsweise im Bereich Elektromobilität und stationären Speichern in Privathaushalten. Da vor allem das Gasnetz als potenzieller Speicher für gewaltige Energiemengen gilt – in erster Linie in Zusammenhang mit Wasserstoff –, baut die PTB auch in der Gasmesstechnik ihre Kompetenz gezielt weiter aus. 

Kompetenz: Batterieforschung

Idealerweise gibt das Batteriemanagementsystem in Zukunft im Betrieb Auskunft über den Ladezustand, den Alterungszustand und die thermische Belastung. Dies wird nur dann sicher möglich sein, wenn die interdisziplinäre Aufgabe, das komplexe System „Batterie“ zu verstehen, durch Untersuchungen von elektrochemischen Parametern, Batteriealterung, Zustandsgrößen und Ladekennlinien gelöst ist. Hier ist die PTB mit einer Vielzahl von Messtechnikentwicklungen und Forschungsprojekten beteiligt, zum Beispiel:

  • Im europäischen Forschungsprojekt Opens external link in new windowLiBforSecUse koordiniert die PTB ein Konsortium aus Industriepartnern, Forschungsinstituten und metrologischen Instituten mit dem Ziel, eine Messmethode zu entwickeln, die die Restkapazität von Li-Ionenbatterien aus Elektrofahrzeugen für Second-Use-Anwendungen effizient messen kann. Diese Batterien, die mit einer Restkapazität von etwa 80 % das Ende ihres Lebens in Elektrofahrzeugen erreicht haben, können jedoch noch viele Jahre beispielsweise als stationäre Energiespeichersysteme für Photovoltaikanlagen verwendet werden.
  • Kooperationen mit der TU Braunschweig widmen sich der sicherheitstechnischen Bewertung von Lithium-Ionen-Zellen, Modulen und ganzen Batteriesystemen, um sicherheitstechnische Aussagen in Fehlerfällen wie Überlast, Überladung und Tiefenentladung treffen zu können.
  • Beteiligung an Opens external link in new windowProjekten zur Grundlagenforschung an Lithium-Schwefel-Batterien.

Aufgrund ihrer Forschungstätigkeit kann die PTB umfangreiche Dienstleistungen anbieten – von der SI-rückgeführten Beschreibung des Ladungs-, Alterungs- und Sicherheitszustands von Lithiumbatterien bis zur Metrologie für den Explosionsschutz.

 

Beteiligte Fachbereiche und Arbeitsgruppen:

Opens internal link in new windowFachbereich 3.1 Allgemeine und anorganische Chemie: Gesundheitszustand von Li-Ionenbatterien

Opens internal link in new windowFachbereich 3.6 Explosionsgeschützte Sensorik und Messtechnik: Batteriesicherheit und -management

Opens internal link in new windowArbeitsgruppe 1.44 Kalorische Größen

Opens internal link in new windowArbeitsgruppe 7.24 Röntgenspektrometrie

Opens internal link in new windowArbeitsgruppe 8.42 Datenanalyse und Messunsicherheit

Kompetenz: Wasserstofftechnologie

Grüner Wasserstoff (H2) wird in Zukunft ein Hauptakteur der Energiewende sein.  Mithilfe von regenerativen Stromquellen CO2-frei erzeugt, steht er als Energieträger für zahlreiche Anwendungen in den drei Sektoren – Strom, Wärme und Mobilität – sowie für die stoffliche Nutzung in der Industrie zur Verfügung. Doch für seine umfassende Nutzung müssen noch viele Voraussetzungen geschaffen werden. Die PTB begleitet und fördert die technologische Entwicklung der Wasserstoffwirtschaft metrologisch und sicherheitstechnisch und trägt zur Etablierung einer verlässlichen Qualitätsinfrastruktur bei. Dazu will die PTB auf ihrem Gelände in Braunschweig eine eigene Demonstratoranlage aufbauen.

Die geplante H2-Demonstratoranlage der PTB soll in kleinem Maßstab alle Elemente enthalten, die in einer zukünftigen Wasserstoffwirtschaft relevant sind. Dazu gehören die Stromerzeugung mittels Sonne und Wind, die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse, seine Speicherung, die direkte Verwendung z. B. in Brennstoffzellen und Wasserstofftankstellen, die Methanisierung von H2 für Heiz- und Kühlvorgänge sowie die Rückverstromung. Zahlreiche Messgrößen (blau) spielen dabei eine Rolle.

 

Die Messkompetenz für viele H2-relevante Größen sind in der PTB vorhanden oder können mittelfristig aufgebaut werden. Neben Dichte, Wirkungsgrad, Brennwert, Wärmemenge, Viskosität und chemischer Zusammensetzung zählen dazu:

Druck – Die PTB ist eines von weltweit nur drei Metrologieinstituten, das hohe Drücke im Bereich von 800 bar mit sehr kleinen Unsicherheiten messen kann.  In naher Zukunft wird sie ihre Messmöglichkeiten für Gasdrücke bis 1000 bar ausbauen, wie sie bei Erzeugung, Transport und Speicherung von Wasserstoff entstehen können.

Temperatur – die PTB betreibt und entwickelt im Bereich der Temperaturmessung eine breite Palette von wasserstoffrelevanten Messverfahren, beispielsweise hinsichtlich des thermischen Managements von Wasserstoff-Kryodruckspeichern.

 

Explosionsschutz

Wasserstoff ist im Gemisch mit Luft ein extrem zündwilliges Gas. Bei einer breiten Anwendung muss zu jeder Zeit maximale Sicherheit garantiert werden – ob nah am Verbraucher (Tankstelle) oder bei industriellen Prozessen. In enger Kooperation mit der BAM ist hier das Ziel der PTB vor allem die Entwicklung von Prüfverfahren für explosionsgeschützte Geräte, deren Normung sowie ihre Umsetzung in den gesetzlich geregelten Konformitätsbewertungsverfahren.

 

Fluide Energieträger

Die PTB ist aktiv im Bereich der Opens internal link in new windowMetrologie für fluide Energieträger, unter anderem im Kontext der chemischen Speicherung von überschüssigem Strom durch Wasserstofferzeugung („Power-to-gas“) und der Biokraftstoffe sowie bei der Konformitätsbewertung von Gaszählern für H2-Tankstellen und Biogasmessanlagen. Sie betreibt bereits die Analytik und Charakterisierung synthetischer wasserstoffbasierter Treibstoffe sowohl für die Luft- und Raumfahrt als auch für Nutzfahrzeuge. Die Optimierung maßgeschneiderter synthetischer Treibstoffe für eine möglichst schadstoffarme Verbrennung ist nur dann erfolgreich, wenn beispielsweise Zündverhalten und Reaktionskinetik bekannt sind.

 

Beteiligte Fachbereiche und Arbeitsgruppen:

Fachbereich 3.3 Physikalische Chemie: Analytische und präparative Metrologie für Wasserstoff sowie wasserstoffbasierter Treibstoffe

Fachbereich 3.4 Analytische Chemie der Gasphase: Feuchte in Industrie- und Energiegasen / Spektroskopische Analytik / Reaktionskinetik

Fachbereich 3.5 Explosionsschutz in der Energietechnik: H2-MILD Combustion Technology

Fachbereich 3.7 Grundlagen des Explosionsschutzes: sicherheitstechnische Betrachtung von Wasserstoff

Fachbereich 7.4 Temperatur: Zustandsgleichung von Wasserstoff-Methan-Gasgemischen

Fachbereich 7.5 Wärme und Vakuum: Dichtheit von Hochdruckbehältern und -leitungen

Kompetenz: Gasmesstechnik

Das Erdgasnetz soll in Zukunft als großer Speicher für Energie aus erneuerbaren Quellen dienen. Biogas kann hier ebenso eingespeist werden wie mit überschüssigem Strom hergestellter Wasserstoff oder daraus produziertes Methan. Bei Bedarf wird es dann rückverstromt. Doch Gase unterscheiden sich, beispielweise hinsichtlich ihres Brennwertes. Im Sinne einer gerechten Abrechnung für den Verbraucher müssen also chemische und physikalische Eigenschaften des transportierten Gases an jeder Stelle im Netz und das Verhalten der Gasmessgeräte darauf bestimmt werden können. Die PTB hat die Kompetenz, solche Mess- und Bewertungsverfahren zu validieren und zu überprüfen, ob sie mit den Anforderungen des Mess- und Eichgesetzes übereinstimmen. Dasselbe gilt für Gaszählern an Wasserstoffzapfsäulen.

In der Industrie wird Wasserstoff auch zunehmend als Prozessgas eingesetzt. Wird er mit Solar- und Windstrom erzeugt, kann grüner Wasserstoff beispielsweise in der Stahlproduktion in großem Maße zur Vermeidung von CO2-Emissionen beitragen. Die PTB und die Salzgitter Flachstahl GmbH haben daher eine Kooperation vereinbart, um geeignete Wasserstoff-Mengenmesstechnik für die Industrie zu entwickeln. Die genaue Messung von Wasserstoff ist Voraussetzung für eine effiziente Steuerung von Produktionsprozessen.

Beteiligte Fachbereiche:

Opens internal link in new windowFachbereich 1.4 Gase

Opens internal link in new windowFachbereich 3.3 Physikalische Chemie

Opens internal link in new windowFachbereich 3.4 Analytische Chemie der Gasphase