Speicher im Netzmaßstab

Technik

Konzepte - Speichersysteme halten nicht Schritt mit der raschen Entwicklung der erneuerbaren Energien. Schnelle, aber auch praktikable Lösungen sind gefragt.

14. April 2009

»Versorgungssicherheit durch fluktuierende erneuerbare Energien gefährdet. In Bremen, Brandenburg und Niedersachsen – führend in der Stromerzeugung aus Windkraft – musste zeitweise der Strom abgeschaltet werden. Zigtausende Bewohner und Industrieunternehmen ohne Strom«.

So könnte eine Meldung spätestens ab 2015 lauten, warnen Energieexperten. Unzureichende Speichertechnologien gefährden die Versorgungssicherheit, so auch das Fazit der jüngsten Studie des Verbands der Elektrizitätswirtschaft (VDE). Die Einspeisung ungeregelter regenerativer Energien wie Strom aus Windkraft und Photovoltaik erzeugt starke Schwankungen im Netz. Während der Technologielebenszyklus eines Unternehmens stetig zu weiterer Effizienz antreibt, hinkt die Speichertechnologie für elektrische Energie hinterher. Das könnte bei der Netzstabilität bis 2015 zu einer noch stärkeren Drosselung bei der Stromproduktion aus Erneuerbaren führen und Technologietrends verzögern. Sind die mobilen und die meisten Groß- und Batteriespeichertechnologien ähnlich wie Pump- und Druckluftspeicher für den Tagesausgleich nicht ausreichend, müssen Ingenieure in Zukunft große stationäre Speicher (Wochenspeicher) entwickeln. Eine Option wäre etwa, große Speicherseen in alpinen Regionen zu Pumpspeichern umzubauen.

Regierung treibt Forschung

Netzbetreiber mit Planungszeiten von bis zu 30 Jahren, sind angewiesen auf nachhaltige und planbare Lösungen. Mit dem 2008 gestarteten Programm ›Speicherung elektrischer Energie‹ will das Bundesumweltministerium die Forschung vorantreiben. Neben der Entwicklung neuer Technologien liegt der Förderfokus auf der Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batteriesystemen, der Druckluftspeicherung und der Supraleitungstechnologie.

Erlauben die geologischen Bedingungen keine Druckluft- oder Pumpspeicherwerke, sind im Zusammenspiel intelligenter Netze Hochtemperaturbatterien wie die Natrium-Schwefel(NaS)-Technologie ebenso wie die Bleibatterie eine Alternative. Als Primär- und Sekundärreserve eingesetzt, stellen Batterien die Leistung innerhalb von weniger als zehn Millisekunden zur Verfügung. Dabei ist die Bleibatterie eine bewährte verfügbare technische Lösung.

Mit derzeit knapp 20ct je kWh könnten die Speicherkosten in Zukunft durch Massenfertigung unter 10ct je kWh liegen. Der Bleiakkumulator gilt demnach noch als die wirtschaftlichste und praxisgerechteste Sekundärzelle, bekommt aber mit NaS-Batterien Konkurrenz. So betreiben die Stadtwerke Herne bereits seit 1997 eine aus 816 Einzelbatterien bestehende Speicheranlage mit einer Leistung von 1,2MW. Neben dem Bereitschaftsparallelbetrieb, bei dem die Batterie vollgeladen auf ihren Einsatz – den Netzausfall – wartet, ist in Zukunft der Einsatz als Zyklenbatterie gefragt. »Für diese Einsätze bewähren sich bisher geschlossene Panzerplatten-Batterien und auch verschlossene, wartungsfreie Panzerplatten-Batterien in Gel-Technik mit einer gesteigerten Haltbarkeit bei Zyklenbelastung«, so Dr. Wieland Rusch, Entwickler des Berliner Batterieherstellers BAE.

Kombination mit PV-Paneelen

Als erfolgsversprechend, jedoch noch zu teuer, sehen Forscher einen Durchbruch der ›Redox-Flow‹-Batterie. Sie arbeitet mit flüssigen Elektrolyten und ist in der Kapazität erweiterbar. Im letzten Jahr erhielt der österreichische Anbieter von Energiespeichern Cellstrom für den neuartigen elektrochemischen Energiespeicher ›FB10/100‹ den Umwelt-Oskar ›Daphne – Spirit of Environment‹ in Gold verliehen. Der Speicher basiert auf der Technologie der ›Vanadium-Redox-Flow-Battery‹ und ist kombinierbar mit Photovoltaikpaneelen.

Die Speicherung elektrischer Energie ist mit signifikanten Kosten verbunden, wobei mittelfristig günstigstenfalls von 3ct pro kWh bei Stundenspeicherung und 10ct pro kWh bei Langzeitspeicherung (Wochenspeicherung) anfallen. Der Netzausbau – in Zukunft könnten Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HÜG)-Netze zum Einsatz kommen – gilt nach Fachmeinungen als kostengünstigste Alternative bis zu gewissen Ausbaugraden erneuerbarer Energien. Wirtschaftlich interessante Ansätze ergeben sich laut der VDE-Studie aus der Optimierung des Last- und Erzeugungsmanagements, der Nutzung von thermischen Speichern und der gezielten Mitnutzung von Speichern in Anwendungen (Elektrofahrzeuge). »Im Sinne einer umweltfreundlichen und volkswirtschaftlich tragbaren Lösung für das Gesamtenergiesystem ist auf europäischer Ebene ein optimaler Mix anzustreben«, so die Forderung der energietechnischen Gesellschaft (ETG) im VDE. Der zunehmende Anteil fluktuierender Energieerzeugung aus Erneuerbaren erfordert den Einsatz von Energiespeichern im Netzmaßstab.

Als vielversprechend bezeichnen die Experten Druckluftspeicherkraftwerke, deren Speicherkapazität jedoch begrenzt ist, sowie Wasserstoff-Salzkavernen als Untertagespeichertechnik. »Jetzt gilt es in Forschung und Entwicklung von Speichersystemen sowie in den Ausbau der industriellen Basis durch breite Demonstration zu investieren«, so Prof. Dirk Uwe Sauer, RWTH Aachen, auf der VDE-Pressekonferenz im Dezember. Seiner Ansicht nach können Elektrofahrzeuge die Schlüsseltechnologie der Zukunft sein. »Als mobile Speicher und integriert in ein intelligentes Lastmanagement können sie alle Aufgaben für das Netz im Zeitbereich von Sekunden bis zu einem Tag übernehmen«, so der Energiespezialist.

Die Forschung richtet ihren Blick derzeit auch auf diverse, neuartige Konzepte zur Speicherung der erneuerbaren Energie. Dazu zählen:

- Wasserstoff für Offshore-Wind: Hohe Energiemengen lassen sich für mehrere Wochen in Langzeit-Großanlagen speichern. Dennoch reicht die gesamte in Deutschland installierte Pumpspeicherkapazität bei weitem nicht aus, um allein in der Vattenfall-Regelzone die auftretenden Windflauten auszugleichen. Wasserstoffspeicher in Druckkavernen gelten hier als zukunftsträchtig für Speicher im 100- GWh-Bereich. Forschungen zur Wirkungsgradsteigerung (derzeit bei rund40%) sind jedoch noch nötig, so die VDE-Studie.

- Katalysatorspeicher für Solarstrom: Mit einem neu entwickelten umweltfreundlichen Katalysator gewinnen Wissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology (MIT) Sauerstoff aus Wasser. Dieser wird gemeinsam mit Wasserstoff bei Bedarf in einer Brennstoffzelle zu Wasser rekombiniert, um Energie freizusetzen. Das kann nach Ansicht der Forscher die Solarenergie revolutionieren, da es ein sinnvolles Überbrücken sonnenloser Phasen in der Energieversorgung ermöglicht. »Solarstrom war immer eine eingeschränkte, zeitlich weit entfernte Lösung. Jetzt können wir anfangen, ernsthaft über unbegrenzten Solarstrom nachzudenken«, meint Chemieprofessor Daniel Nocera.

- Schwungradspeicher: Der magnetisch gelagerte Schwungrad-Energiespeicher eignet sich für kurzzeitige Leistungsanforderungen und erreicht Wirkungsgrade von 90 bis 95%. Bei der Entwicklung leistungsstarker Schwungräder als Speicher liegt ein wesentlicher Vorteil in den kurzen Zugriffszeiten, die im Millisekundenbereich liegen. Schwungräder der vierten Generation mit einem 25kWh/100kW-System plant ein amerikanisches Unternehmen. Sie sollen der Schwungradtechnologie zum Großeinsatz verhelfen.

- Hubspeicherkraftwerk: Ähnlich wie ein Pumpspeicherwerk, nur mit Betonlasten, soll die elektrische Energie effizient, mit einem hohen Wirkungsgrad von etwa 80% bei einer Leistung von 5MW pro Hektar gespeichert werden. Der erste Prototyp ist seit Anfang 2009 im Landkreis Ems in Betrieb.

Unklare Randbedingungen

Für einen wirtschaftlichen Speicherbetrieb und eine planbare Kostenverteilung müssen die energiewirtschaftlichen Randbedingungen noch abgesteckt werden. Die Fragen nach der möglichen Systemlösung, den technischen Anforderungen und der lokalen Ausrichtung verlangen nach Antworten. Ein Anreizprogramm für die Speichertechnologie wäre die Einspeisevergütung der Energie nach Bedarf und nicht zum Zeitpunkt der Stromerzeugung.

»Ein Vorschlag ist hier ein Basistarif als Vergütung ähnlich dem Energieeinspeisegesetz für erneuerbare Energie und die Bezahlung eines Aufschlages in Abhängigkeit des aktuellen Strompreises an der Strombörse«, betont Sauer. Auf Anfrage betont das Bundesumweltministerium, dass sich bereits in einer Verordnungsermächtigung des neuen EEG eine Komponente mit Speicherbezug befindet. Angesichts der steigenden Einspeisung erneuerbarer Energien werde derzeit an Konzepten zu einer Bonusvergabe für EE-Kombikraftwerke gearbeitet, in denen die verschiedenen Sparten der Erneuerbaren mit Speichern und gegebenenfalls Lastmanagement sinnvoll verbunden werden sollen.

Uwe Manzke

Erschienen in Ausgabe: 04/2009