Integration der Energiewende: Speicher

Ohne integrierte Energiespeicher funktioniert kein Energiesystem

Die Speicherung von erneuerbarer Energie dient der Erzeugung von Energieträgern für die direkte Nutzung in Mobilität, Wärme und Industrieprozessen. 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. 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.

Im Grunde ist jeder Power-to-X-Anwendung (PtX) eine Einspeicherung erneuerbaren Stromes. Dabei sollten folgernde Grundsätze gelten:

1. Die Einspeicherung sollte bevorzugt an der Energiequelle erfolgen, am sinnvollsten direkt aus der Gleichstromquelle (Windkraftanlage oder Solaranlage), denn das spart teuere Wechselrichter, Gleichrichter, Transformatoren und Netze.

2. Wo PtX über öffentliche Netz betrieben werden soll, muss ein angemessenes Netzentgelt gezahlt werden, so dass sichergestellt ist, dass ein Netzausbau für PtX nicht oder nur dann erfolgt, wenn die PtX-Betreiber diesen auch bezahlen.

3. PtX muss im übrigen von allen Abgaben und Umlagen befreit sein, denn PtX steht im Wettbewerb mit billigem Öl und Erdgas.

4. Insbesondere darf der Strom für PtX nicht der EEG-Umlage unterliegen (er wird ja auch nicht nach EEG vergütet. Dies ist sachgerecht, denn die Energie für PtX verlässt den Strommarkt und die Anlagenbetreiber refinanzieren sich aus dem Verkauf von Wärme, Gas oder anderen Energieträgern. PtX hat so einen direkt senkenden Einfluss auf die EEG-Umlage, denn jede kWh, welche nicht erst in das Umlagesystem gelangt, kann die Umlage auch nicht erhöhen. PtX verdrängt auch keine bestehenden Stromverbräuche, auf welche EEG-Umlage gezahlt wird.

5. Es muss sichergestellt sein, dass PtX die Fluktuation im Netz verringert. Dazu ist es erforderlich, dass PtX Erzeugungsspitzen verwertet und nicht das weitgehend kontinuierliche untere Leistungsband der erneuerbaren Erzeugung. Betreiber von EE-Anlagen müssen unter dieser Voraussetzung den Strom flexibel für PtX nutzen dürfen.

6. PtX muss die Systemstabilität insgesamt verbessern. Dazu gehört auch, dass grosse PtX-Anlagen mit den zugehörigen Erzeugungsanlagen schwarzstartfähig sein müssen.

7. Der Zugang insbesondere von Wasserstoff zum Erdgasnetz ist grundlegend wichtig. Die existierenden Begrenzungen (0% oder 2% oder 10% Beimischung) müssen sofort beseitigt werden. Der Anteil von Wasserstoff im Erdgas muss dann jährlich allmählich erhöht werden.

8. 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.

9. Im Zuge der Verkehrs- und Wärmewende muss sichergestellt werden, dass neue Technologien (E- und H2-Mobilität, Wärmepumpen und PtX jeder Art) zu 100% nachweislich mit erneuerbarer Energie betrieben werden.

10. Die Ausbauziele für Windkraft- und Solaranlagen müssen an den Bedarf von PtX angepasst werden.

 

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.

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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.

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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).

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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 nicht der Energiespeicherung, sondern nur der der sehr kurzfristigen Systemstabilität (Frequenzhaltung). 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.

  1. 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.