Speicher für erneuerbare Energien

Wegen der großen Schwankungen in der Produktion von Wind- und Solarstrom werden bei einem massiven Ausbau dieser Technologien erhebliche Speicherkapazitäten benötigt, um die zuverlässige Energieversorgung zu jedem Zeitpunkt zu gewährleisten. Bei einem Anteil von 80% der erneuerbaren Energien an der Stromversorgung in Deutschland werden ca. 20-40 TWh Speicherkapazität benötigt, siehe [2].

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Für die Bewertung der Speicherpotenziale einer Speichertechnologie sind insbesondere die Speicherkapazität, die Speicherleistung und der Wirkungsgrad für die Speicherung und Rückverstromung relevante Faktoren. Hier geben wir einen kleinen Überblick über verschiedene Speichermöglichkeiten, für eine Langzeitspeicherung sind insbesondere die Anbindung der deutschen Stromversorgung an große Pumpspeicherkapazitäten in Skandinavien sowie die Erzeugung von Gas aus EE und Einspeicherung in das vorhandene Erdgasnetz relevant.

Die Vollversorgung mit erneuerbaren Energien in einem europäischen Netz sowie einem theoretisch autarken deutschen Netz werden in [2] diskutiert und beide Möglichkeiten, wenngleich eine europäische Verbundlösung erstrebenswert ist, werden als realisierbar eingestuft.

Pumpspeicher:

Die Funktion von Pumpspeicherkraftwerken ist denkbar einfach: Bei hohem Stromangebot wird Wasser in ein höher liegendes Becken gepumpt, bei Strombedarf treibt dieses Wasser wie in einem Wasserkraftwerk Turbinen an, um Strom zu gewinnen. Der Wirkungsgrad für die Speicherung von Strom mittels Pumpspeicherkraftwerken liegt bei etwa 75-83%, siehe [2].

Hier zum Vergleich die Pumpspeicherkapazitäten in Deutschland, Norwegen und Schweden, siehe auch [2]

Deutschland: 40 GWh bei 7 GW Leistung. Diese Pumpspeicherkapazitäten sind für die Integration von 80% EE allein nicht ausreichend.

Norwegen: 85 TWh

Schweden: 36TWh

Für die Nutzung dieser Kapazitäten müssen zusätzliche Übertragungsleitungen zwischen Deutschland und diesen Ländern gebaut werden.

Druckluftspeicher:

In einem Druckluftspeicherkraftwerk wird Luft mittels elektrisch betriebener Kompressoren komprimiert und bei Bedarf werden Gasturbinen mit dieser Druckluft angetrieben, um Strom zur Verfügung zu stellen.

Laut [2] liegt das Potenzial für Druckluftspeicherung in Deutschland insbesondere durch Nutzung von Salzstöcken bei 3.5 TWh. Der Wirkungsgrad liegt unter 50%, kann mittels adiabatischer Druckluftspeicher aber auf ca. 70% erhöht werden. In Deutschland gibt es bisher nur ein Druckluftspeicher-Gasturbinenkraftwerk: Kraftwerk Huntorf mit 321 MW Leistung und einer Speicherkapazität von 0.642 GWh.

EE-Gas (auch Windgas und Solargas genannt):

Mittels Elektrolyse wird mit Erneuerbaren Energien erzeugter Strom zu Wasserstoff umgewandelt und ggf. zu Methan weiterverarbeitet. Der Wirkungsgrad ist je nach Technik unterschiedlich (Wasserstoff oder Methan, druckabhängig) und liegt zwischen [2]

30-44% für die Umwandlung von Strom in Gas und zurück in Strom
43-60% für die Umwandlung von Strom in Gas und zurück in Strom bei gleichzeitiger Nutzung von Kraftwärmekopplung

Der Wirkungsgrad bei Herstellung von Methan statt Wasserstoff ist zwar niedriger, aber Methan ist besser kompatibel mit dem Erdgasnetz als Wasserstoff, daher wird diese Möglichkeit für die Nutzung im Erdgasnetz präferiert.

Die Speicherkapazitäten im Erdgasnetz belaufen sich auf über 200 TWh im deutschen Erdgas-Netz, siehe [1]. Ein weiterer Vorteil ist, dass Erdgasleitungen höhere Leistung transportieren können als Hochspannungsleitungen.

Weitere Informationen in der Presseinformation „Ökostrom als Erdgas speichern der Fraunhofer-Gesellschaft“ [1].

Batterien und Batteriespeicher in Elektroautos:

Die Wirkungsgrade von Batterien liegen je nach verwendeter Technologie und Größe zwischen 67-95% [2] und spielen insbesondere in dezentralen oder autarken Systemen eine Rolle, z.B. zur Speicherung von Strom aus Photovoltaik in Inselanlagen. Interessant ist auch die Kombination mit dem Potenzial von Batterien in Elektroautos:

Schätzung des Potenzials der Elektromobilität:

Bei 20KWh pro Batterie im Elektroauto und der Annahme, dass 75% davon zur Verfügung stehen (leerer will niemand seine Batterie machen, außer in Sondersituationen) und, dass 75% der Autos jederzeit als Speicher zur Verfügung stehen (nicht zu Rush-Hours!) und 1.000.000 Elektroautos in 2020 bekommen wir:

Speicherkapazität = 20 kWh x 0.75 x 0.75 x 1.000.000 = 11.25 GWh

Für den Regelbedarf eine vernünftige Größenordnung. Eine interessante Studie zum Thema ist: Potenzial der Elektromobilität, EWI

Schwungradspeicher

Schwungradspeicher können verwendet werden, um elektrische Energie in Form von kinetischer Energie, der Rotationsenergie des Schwungrades, zu speichern. Schwungradspeicher zeichnen sich insbesondere durch Ihre hohe Leistungsaufnahme und -abgabe aus. Die Kapazität ist jedoch vergleichsweise gering. Mehr Informationen gibt es hier.

Quellen:

[1] Ökostrom als Erdgas speichern
[2] Energiewirtschaftliche und ökologische Bewertung eines Windgas-Angebotes (Fraunhofer IWES)
[3] 100% erneuerbare Stromversorgung bis 2050: klimaverträglich, sicher, bezahlbar

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