Speicher

Ohne integrierte Energiespeicher funktioniert kein Energiesystem

Da die Energieversorgung nicht nur für Strom, sondern auch für Industrie, Mobilität und Wärme auch dann sicher sein soll, wenn es an ausreichend Wind oder Sonne für die Energieversorgung fehlt, braucht es Speicher. Die Speicherung von erneuerbarer Energie dient der Erzeugung dafür erforderlichen Energieträgern.

Durch die Einspeicherung der Strommengen, denen kein zeitgleicher Strombedarf gegenübersteht, gelingt es zugleich, die Fluktuation der erneuerbaren Erzeugung aus dem Netz zu nehmen. Die Fluktuation wird sozusagen weggespeichert und der Energiefluß verstetigt. Daher muß die Einspeicherung auch möglichst direkt an der Erzeugung erfolgen, am besten vor der Netzeinspeisung, um Netzkosten zu vermeiden. Eine Rückverstromung der so gewonnenen Energieträger zwecks Netzversorgung ist nur in geringem Umfang erforderlich, um wind- und sonnenarme Zeiten in der Stromversorgung zu überbrücken.

Grundsätzlich bestehen zwei Möglichkeiten für die Anordnung der Speicher: an der Energiequelle oder beim Verbraucher. Beides hat Sinn – für die Stromerzeugung ist es sinnvoll, Speicher an der Windkraft- oder Solaranlage vorzuhalten, denn Netzanschluss, Steuerung und Überwachung sind bereits vorhanden. Außerdem dürfte leicht einsichtig sein, dass Energiemengen, denen kein zeitgleicher Strombedarf gegenübersteht, garnicht erst in die öffentlichen Netze gehören, sondern gleich an der Erzeugungsanlage zu speichern sind. Ein Netzausbau für Speicher verbietet sich von selbst – er ist schlicht überflüssig.

Bei Verbrauchern mit stark schwankender Leistung wiederum kann ein Speicher dafür sorgen, dass keine Spitzenlast mehr aus dem Netz bezogen werden muss, was wiederum Leistungspreis und Kosten für gesicherte Leistung senkt.

Für jede Wandlung von Strom in einen speicherbaren Energieträger sollten folgernde Grundsätze gelten:

1. Nur Solar- oder Windstrom darf gespeichert werden. Strom, welcher aus anderen speicherbaren Energieträgern gewonnen wird (Biogas, Wasserkraft) darf auf keinen Fall wieder einem Speicher zugeführt werden, denn er kommt ja aus einem solchen.

2. Die Einspeicherung muss an der Energiequelle erfolgen, denn das spart teueren Stromnetzausbau. Wo ein Speicher dennoch über öffentliche Netze Strom beziehen soll, muss des volle Netzentgelt gezahlt werden, so dass sichergestellt ist, dass ein Netzausbau für Speicher nicht zu Lasten der Allgemeinheit geht.

3. Es muss sichergestellt sein, dass der Speicher die Fluktuation im Netz verringert. Dazu ist es erforderlich, dass Erzeugungsspitzen verwertet werden und nicht das weitgehend kontinuierliche untere Leistungsband der erneuerbaren Erzeugung.

4. Speicher müssen die Systemstabilität verbessern. Dazu gehört auch, dass grosse Anlagen mit den zugehörigen Erzeugungsanlagen schwarzstartfähig sein sollten. Dabei ist wichtig, zu verstehen, dass nicht Stromspeicher (Anlagen, die Strom ein- und ausspeichern), sondern die Wasserstofferzeugung allein die Systemstabilität herstellt, indem sie das immer häufigere Energieüberangebot aus dem Stromsektor in andere Sektoren überführt.

5. Mit zunehmendem Anteil erneuerbarer Energie im Stromnetz wird es immer wichtiger, Strom in Langzeitspeicher einzulagern – denn in immer mehr Viertelstunden gibt es mehr Stromangebot als Nachfrage bis es am Ende 95% aller Viertelstunden sein werden. Einen Bedarf an Kurzzeitspeichern wird es kaum geben, vielmehr wird die Wasserstoffgewinnung und -speicherung im Vordergrund stehen. Grosse Energiemengen werden in Form von Wasserstoff aus dem Stromsystem andere Sektoren gelangen. Die installierte Elektrolysekapazität wird also deutlich über dem Zehnfachen der Rückverstromungsleistung liegen. Stromspeicher (Akkumukatoren) sind sinnvoll für die Frequenzhaltung sowie direkt an kleineren Solaranlagen, wo die Wasserstoffgewinnung nicht lohnt.

6. Da der Energietransport über Gasnetze pro Kilowattstunde um Faktor 10 günstiger als über Stromnetze, ist es am sinnvollsten, den gewonnenen Wasserstoff als Gas weiterzuverteilen.

7. Eine Rückverstromung von Wasserstoff ist nur im seltenen Engpassfall sinnvoll. Da die dafür erforderlichen Kapazitäten aufgrund ihrer seltenen Nutzung sehr teuer sind, sollte ihre Leistung so klein wie möglich sein und sich daran orientieren, welche Mindestlast im Netz nicht unterschritten werden kann. Es dürfte viel wirtschaftlicher sein, eine Produktionsanlage statt Donnerstag/Freitag am Samstag/Sonntag zu betreiben, wenn an ersteren Tagen ein Stromengpass besteht, welcher am Wochenende entfällt.

8. Der unbeschränkte Zugang insbesondere von Wasserstoff zum Gasnetz ist also grundlegend wichtig. Existierenden Begrenzungen (0% oder 2% oder 10% Beimischung) müssen sofort beseitigt werden. Sowohl reine H2-Netze als auch die Einspeisung von H2 in Erdgasnetze sind wichtig.

9. Die Belastung der verschiedenen Energieträger mit Umlagen, Abgaben und Entgelten muss bezogen auf ihre Kohlendioxidemissionen vereinheitlicht werden. In einer zunehmend erneuerbarer Welt darf es hier weder Unterschiede noch Ausnahmen geben.

10. Abschließend sollten wir akzeptieren, dass die Stromerzeugung in Zeiten, wo nicht genug erneuerbarer Strom bereit steht, weiterhin bevorzugt aus CO2-armen Erdgaskraftwerken erfolgt – allerdings von Jahr zu Jahr weniger, bis dann nach 2040 die Stromlücken durch Wasserstoffkraftwerke (wahrscheinlich werden es Brennstoffzellen sein) überbrückt wird. Es hat keinen Sinn, solange noch ein Mangel an grünem Wasserstoff herrscht, diesen aufwendig wieder zu Strom zu Wandeln und dafür auch noch grosse Kapazitäten aufzubauen. In allen anderen Sektoren ist der Beitrag zur CO2-Minderung grösser, als bei seiner Rückverstromung.

Wie sieht es mit den Kosten der Speichertechnologien aus?

Hier ein Bild eines Wasserstoffspeichers: auf etwa 100 qm werden hier in drei Tanks bei 40 bar Druck 40.000 kWh gespeichert. Die Speicherdichte beträgt 100 kWh pro Kubikmeter umbauten Raumes. Die Kosten betragen etwa 400.000 € für die Speicher. Für die Ein- bzw. Ausspeicherung der Energie sind Elektrolyseure bzw. Brennstoffzellen erforderlich, der Kosten bei 2000 € pro Kilowatt liegen.

Für die Speicherung derselben Energiemenge in Akkumulatoren ist eine Fläche von fast 1000  qm erforderlich, wie in folgendem Bild zu sehen. Die Speicherdichte erreicht hier 30 kWh pro Kubikmeter Bauvolumen. Die Kosten der Akkumulatoren liegen bei 8 Mio. Euro. Dazu kommen etwa 200 Euro pro Kilowatt für Gleich- und Wechselrichter zwecks Ein- bzw. Ausspeisen der Energie.

Der Vergleich beider Speicheranlagen zeigt, dass Wasserstoffspeicher geeignet sind, grosse Energiemengen lange zu speichern, wobei das Ein-/Ausspeichern aufgrund der höheren Wandlungskosten langsam erfolgt. Akkumulatoren dagegen brauchen viel kürzere Zyklenzahlen, um die hohen Speicherkosten tragen zu können, d.h. sie sind Kurzzeitspeicher, welche aber ihren Energieinhalt schnell aufnehmen bzw. abgeben können.

Sowohl die klassischen Energiespeicher, als auch die künftigen sind keine Stromspeicher. Alle angewandten Energiespeicher sind vielmehr Behälter mit speicherbaren Energieträgern:

• klassische Speicher sind Pumpspeicher, Nachtspeicherheizungen, Gasspeicher, Tanklager oder auch Kohlegruben
• für die Speicherung grosser Mengen erneuerbarer Energie kommen Wasserstofftanks, das vorhandene Gassystem sowie Wärme- und Kältespeicher in Frage
• für kleinere Energiemengen eignen sich chemische Speicher wie Akkumulatoren

Dabei ist ein wesentlicher Unterschied zu beachten:

• bei konventioneller Energieerzeugung ist nur ein Tag-Nacht-Ausgleich zwischen Erzeugung und Verbrauch erforderlich – gleichzeitig deckt Strom nur etwa 20% des Endenergiebedarfes
• bei erneuerbarer Stromerzeugung ist eine viel längerfristige Speicherung erforderlich – allerdings wird der gesamte Endenergiebedarf, also auch Wärme und Mobilität, aus erneuerbarer Energie (Strom) gedeckt.

Auch bei der Energiespeicherung steht die Frage der Kosten an erster Stelle. Diese setzen sich zusammen aus den zu verzinsenden Anschaffungskosten, den Betriebskosten und den Energieverlusten. Die folgende Abbildung gibt einen Überblick über die Speicherkosten in Abhängigkeit von der Benutzungshäufigkeit (dargestellt sind die Kosten des ausgespeicherten Stromes unter der Annahme, daß der Speicher mit Windstrom zu 5 ct/kWh  befüllt wird). Die Daten dazu finden sich unter folgendem Link: Speicherdaten (der Wirkungsgrad umfasst nicht die Wasserstofferzeugung, da diese separat berücksichtigt wird).

Augenscheinlich hängen die Speicherkosten sehr stark von der Benutzungshäufigkeit, deren Kehrwert die Speicherdauer ist, ab. Denn die Benutzung eines Gerätes wird umso günstiger, je öfter man es benutzen kann. Selten benutzte Langzeitspeicher müssen also wesentlich preiswerter in der Anschaffung sein, als Kurzzeitspeicher, die mehrfach täglich be- und entladen werden. Gleichzeitig nehmen aber die Energieverluste mit der Speicherdauer zu. Im Einzelnen ergibt sich folgendes Bild:

1. Die längerfristige Speicherung von Energie ist am wirtschaftlichsten mit Hilfe von durch Elektrolyse erzeugtem Wasserstoff möglich. Deutschland verfügt bereits über Erdgasspeicher mit einer Kapazität, die ausreicht, um mehr als das Doppelte der heutigen Windstromproduktion aufzunehmen. Der Wirkungsgrad der Energieumwandlung von Windstrom in Wasserstoff beträgt dabei heute 70% und kann bis 85% gesteigert werden. Für die Anpassung der Speicher entstehen überschaubare zusätzlichen Kosten. Kurzzeitiges Speichern lohnt sich damit allerdings nicht, da die höheren Energieverluste schwerer wiegen als die erzielbaren Einsparungen.
2. Im Tagesrhythmus sind Pumpspeicher oder Akkumulatoren in Elektrofahrzeugen geeignet. Dabei gilt: interessant ist alles, was schon vorhanden ist oder sowieso angeschafft würde. Für die tägliche Speicherung sind also Akkumulatoren in Fahrzeugen am besten geeignet, denn die Batterien werden mit den Fahrzeugen ohnehin angeschafft, während für den Neubau eines Pumpspeicherwerkes oder Druckluftspeichers erhebliche zusätzliche Investitionen anfallen. Es ist also anzunehmen, daß vorhandene Pumpspeicher für Systemdienstleistungen genutzt werden können, ein Neubau von Pump- oder Druckluftspeichern aber keine wirtschaftliche Option darstellt.

Mit zunehmendem Ausbau erneuerbarer Energien werden allerdings Tagesspeicher im Energienetz immer unwichtiger, da es nahezu immer ein Stromüberangebot gibt. Die Speicherung hat dann nur noch Sinn, wenn der Nutzer keinen permanenten Zugang zum Stromnetz hat, also insbesondere in den Akkumulatoren von Elektrofahrzeugen.

Im Stromsystem dienen Akkumulatoren daher weniger der Energiespeicherung, als vielmehr der kurzfristigen Systemstabilität (Frequenzhaltung) und einem gewissen Tag-Nacht-Ausgleich. Auch Pumpspeicher werden künftig weniger zu Zwecken der Energiespeicherung (Tag-Nacht) als vielmehr für die Sicherung der Netzstabilität herangezogen werden. Der Neubau von Pumpspeichern ist gegenüber Akkumulatoren jedoch zu teuer.

3. Ausschließlich für sehr kurze Zeiten, z.B. für Energierückgewinnung in Autos sind Schwungradspeicher oder Kondensatoren wirtschaftlich einsetzbar, spielen aber in der Gesamtbetrachtung keine Rolle.

Die kostengünstigsten Speicher sind natürlich immer diejenigen, welche bereits existieren oder welche man für andere Zwecke sowieso benötigt. Diese sind:

• das vorhandene Gasnetz
• Wasserstoffspeicher an Tankstellen
• die Tanks von Wasserstofffahrzeugen
• vorhandene Wärmenetze

Es ist sinnvoll, diese Speicher bestmöglich auszunutzen. Dazu ist es u.a. erforderlich, den zulässigen Wasserstoffanteil im Gasnetz Schritt für Schritt auf den höchstmöglichen Wert zu erhöhen. Eine Rückspeisung von Strom aus Brennstoffzellenfahrzeugen in die Netze bei Engpaßzeiten ist ebenfalls eine wichtige Option und einer Rückspeisung aus Elektromobilen aufgrund der etwa 10-fachen Speicherkapazität weit überlegen.

Zusätzliche Regelenergie aus fossil befeuerten Kraftwerken ist aus technischer Sicht für Erneuerbare Energien nicht erforderlich. Mit Blick auf die Regelgeschwindigkeit sind Solar- und Windkraftanlagen den Großkraftwerken bei weitem überlegen, denn sie sind im Sekundentakt regelbar und können sich unverzüglich an einen schwankenden Bedarf anpassen. Großkernkraftwerke, die mit konstanter Last gefahren werden oder nur langsam regeln können, sind im Zusammenspiel mit Erneuerbarer Energie nicht hilfreich.