Energiespeicherung

Speicherung Elektrischer Energie

Erneuerbare Energiequellen sollen im Jahr 2020 nach dem Willen der europäischen Staats- und Regierungschefs 20 Prozent des Primärenergiebedarfs decken und damit 20 Prozent des klimaschädlichen Kohlendioxides einsparen. Windenergieanlagen werden daran voraussichtlich den größten Anteil haben, denn sie sind zurzeit die effizientesten und wettbewerbsfähigsten der regenerativen Energiequellen. Diese Umstellung der Energieversorgung erfordert eine erhebliche Anpassung der Stromnetze, der Kraftwerke und des Energiemanagements. Solar- und Windenergie kann jedoch nicht bedarfsorientiert produziert werden, sondern nur witterungsabhängig. Außerdem stehen die Windräder vorwiegend in schwachen Netzbereichen und fern der großen Verbraucherzentren. Der Bedarf an Regelenergie wird aber stark zunehmen. Darunter versteht man die Energie, die zum Ausgleich von Angebot und Nachfrage benötigt wird. Die Lösung besteht in großen Energiespeichern, in die nicht benötigter Strom der Windenergieanlagen aber auch der Photovoltaik-Kraftwerke eingespeist werden kann. Damit würde Windenergie ähnlich plan- und regelbar wie bisher die fossilen oder Kernkraftwerke. Weltweit wächst daher die Nachfrage nach Speichertechnologien für Strom, und es wird intensiv an Energiespeichern geforscht.

Technologien zur Stromspeicherung

Druckluftspeicherkraftwerk Huntorf bei Bremen

Direkt kann elektrische Energie nur in elektromagnetischen Feldern von Spulen oder Kondensatoren gespeichert werden. Für große Energiemengen ist die Energiedichte (Kilowattstunden pro Masse oder Volumen des Speichers) allerdings viel zu gering, um in Kraftwerksdimensionen zu kommen.

Alle anderen bisher bekannten Speichersysteme sind indirekt. Der Strom muss in eine andere Energieform umgewandelt werden, wobei man immer Umwandlungsverluste in Kauf nehmen muss. Ein zweiter Energiewandler macht die gespeicherte Energie, erneut unter Verlusten, wieder nutzbar.

Für die Stromspeicherung kommen Umwandlungen in chemische, mechanische oder magnetische Energie in Frage. Chemische Energieträger sind Akkumulatoren oder Wasserstoff. Mechanische Energie kann in den seit längerem bekannten und untersuchten Druckluftspeichern gespeichert und bei Bedarf wie in einem konventionellen Gasturbinen-Spitzenlastkraftwerk wieder in Strom verwandelt werden. Das weltweit erste CAES (Druckluft) Kraftwerk ging vor 30 Jahren in Niedersachsen mit 290 Megawatt als Spitzenlastkraftwerk ans Netz. In den USA gibt es seit 1991 ein 110 Megawatt CAES-Kraftwerk, weitere zehn Anlagen sind in Planung. In Norddeutschland könnten die weit verbreiteten Salzstöcke als große Kavernen und Herzstücke von Druckluftspeicher-Kraftwerken dienen. Im Jahr 2011 soll an der Nordseeküste ein CAES-Kraftwerk von EnBW in Betrieb gehen. Zahlreiche Institutionen und Unternehmen arbeiten an der Technologie im Rahmen eines EU-Projektes. Bis zum Jahr 2015 werden weitere industrielle Anlagen erwartet.

Ebenfalls schon länger bekannt sind Pumpspeicherkraftwerke, die jedoch räumlich weit getrennt sind von den Windrädern im Flachland. Schwungradspeicher werden schon in kleineren Anwendungen (z.B. in Kraftfahrzeugen, im Nahverkehr, Versorgungsstabilisierung) verwendet. Sie haben geringe Betriebskosten und sind sehr schnell zu be- und entladen. Magnetische Energie in Form von Supraleitern ist aus physikalischer Sicht die dritte Möglichkeit. Allen Systemen zur Langzeitspeicherung von Strom ist eines gemeinsam. Sie sind technisch möglich, aber in großen Maßstäben bisher nicht wirtschaftlich.


Druckluftspeicherkraftwerk

Druckluftspeicherkraftwerk Huntorf bei Bremen

Betrachtet man die theoretisch speicherbare Energiemenge, so kommen für wirtschaftliche Anwendungen in Größenordnungen von Kraftwerken aus heutiger Sicht nur drei Speicherformen in Frage. Das sind die Druckluftspeicher und die Pumpspeicher, die sich für große Energiemengen im Stundenbereich eignen, sowie die Wasserstoffkavernen.

Sollen große Energiemengen lange Zeit zu geringen Kosten gespeichert werden, bieten sich diese Kavernen an. Das bestehende Erdgasnetz wäre mit seinen Speicherkavernen ein geeigneter Stromspeicher, der nahezu unbegrenzte Mengen an Methan und Wasserstoff aufnehmen könnte. Methan aus Biogasanlagen und Wasserstoff, elektrolytisch aus Windenergie gewonnen, können durch Gasleitungen transportiert werden. Das würde nebenbei die Stromnetze entlasten. Hybrid-Kraftwerke könnten für die Umstellung der Energieversorgung in Deutschland dabei eine Vorreiterrolle einnehmen. Sie wären in der Lage, jederzeit die benötigte Menge an Strom, Wärme und Kraftstoff variabel liefern zu können – unabhängig davon, ob der Wind gerade weht oder nicht.


Hybridkraftwerke in Brandenburg

In Brandenburg gibt es aktuell zwei Projekte zur Energiespeicherung durch Umwandlung in Wasserstoff.

Hybridkraftwerk Uckermark

Das Hybridkraftwerk des Windstromerzeugers Enertrag wurde im Dezember 2014 an das Erdgasnetz angeschlossen. Das Wind-Wasserstoff-Kraftwerk in Prenzlau speist seither Wasserstoff in das Erdgasnetz ein. In der Anlage können jährlich bis zu einer Million Kubikmeter Wasserstoff mit Erdgas vermischt und gespeichert werden. Rund 10.000 Kunden der Greenpeace Energie-Genossenschaft werden nach Angaben von Enertrag mit dem Gas versorgt.

Der Wasserstoff wird mit Windstrom gewonnen, überschüssiger Strom wird über einen Elektrolyseur als Energie gespeichert. Wenn Flaute herrscht, kann er mithilfe von Biogas in Strom zurückverwandelt werden. Die Technologie wurde über einen Zeitraum von 10 Jahren entwickelt. 

E.ON Power-to-Gas-Pilotanlage Falkenhagen (Prignitz)

Die Anlage wurde im September 2013 in Betrieb genommen. Ein Jahr nach dem Start konnte E.ON eine positive Bilanz ziehen, über zwei Millionen Kilowattstunden Wasserstoff wurden in das Ferngasnetz eingespeist.

In Falkenhagen wird mittels Elektrolyse regenerativ erzeugter Strom in Wasserstoff umgewandelt und in das Ferngasnetz eingespeist. Die Kapazität der Anlage beträgt zwei Megawatt, dies entspricht einer Produktion von 360 Kubikmeter Wasserstoff pro Stunde.

Die gespeicherte Energie steht dann dem Erdgasmarkt zur Verfügung und findet damit Zugang in den Wärmemarkt, die Industrie, die Mobilität und die Stromerzeugung. Einen Teil des produzierten Wasserstoffs nimmt der Projektpartner Swissgas AG ab, einen weiteren Teil bietet E.ON seinen Privatkunden im Rahmen des Produkts „E.ON WindGas“ an.


Hybridkraftwerk

Erneuerbarer Energiemix, Quelle: Enertrag AG

Hybrid-Kraftwerke verbinden die Produktion von Strom mit der von Wärme und Kraftstoffen aus Windenergie, Biogas und anderen erneuerbaren Energiequellen.

Das Konzept des "Virtuellen Kraftwerks" oder des "Kombikraftwerks" wird auf diese Weise gekoppelt mit einem direkten physikalischen erneuerbaren Energiemix und einer Speicherlösung. Ziel ist die flexible Bereitstellung der Energie nach den Wünschen der Verbraucher. Diese innovative Technologie könnte den Nachweis liefern, dass eine Energieversorgung mit Erneuerbaren Energien zuverlässig und preiswert funktioniert und mittelfristig fossile Energieträger abgelöst werden können.

Interessant ist das Hybrid-Kraftwerk aber auch für andere Branchen, zum Beispiel als Alternative für fossile Kraftstoffe. Hybrid-Kraftwerke könnten z.B. Wasserstoff als Ersatz für Benzin und Diesel liefern.

Hybridkraftwerke in Brandenburg

Weiterführende Links

Die ETI wird finanziert aus Mitteln des Ministeriums für Wirtschaft und Energie des Landes Brandenburg und der Industrie- und Handelskammer (IHK) Potsdam.