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 ein Projekt zur Energiespeicherung durch Umwandlung in Wasserstoff.
Nähere Informationen dazu finden Sie hier:

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.

An dem Konzept eines Hybrid-Kraftwerks arbeiten Experten der Fachhochschule Stralsund, der TU Braunschweig, der internationalen Wasserstoffwirtschaft und des brandenburgischen Windstrom- Unternehmens Enertrag. In Prenzlau in der Uckermark wird die erste Pilotanlage stehen. Ende 2008 soll dort das erste Hybrid-Kraftwerk in Betrieb gehen. Zum Strom aus Windkraft und Biomasse kommt bei dem Pilotprojekt die Wasserstoffproduktion im industriellen Maßstab für den Kraftstoff- und Wärmemarkt oder für die zeitversetzte Rückverstromung hinzu. Auch die  Wasserstoffelektrolyse wird mit Erneuerbaren Energien betrieben. Sie wird aus drei Windkraftanlagen gespeist. Die Wasserstoffproduktion wird mit einer Biogasanlage und einer oberirdischen Speicheranlage gekoppelt. Die Investitionssumme beträgt ca. 19 Mio. Euro.

Die Wasserstoffherstellung wird im Hybrid-Kraftwerk von einer zu diesem Zweck entwickelten Software gesteuert, die auf Impulse aus dem regionalen Einspeisenetz Erneuerbarer Energien reagiert, das vor allem die Windenergie liefert. Je nach Nachfrage gelangt die Wind- und Bioenergie auf diesem Wege als Strom zum Verbraucher oder wird in Gas verwandelt. Aus dem Gasnetz kann die Energie bei Bedarf dann zu einem anderen Zeitpunkt wieder entnommen werden, um das Stromangebot verbraucherorientiert und netzoptimal zu regulieren. Nach der Vernetzung von über 120 Megawatt Windkraft- und Biogasleistung würde mit der Wasserstoffanlage von 500 Kilowatt Leistung das weltweit erste Hybrid-Kraftwerk in der Uckermark stehen.

Interessant ist das Hybrid-Kraftwerk aber auch für andere Branchen, zum Beispiel als Alternative für fossile Kraftstoffe. Wenn die von der Automobilindustrie für 2009 geplante serienmäßige Produktion von Wasserstoffautomobilen startet, werden Hybrid-Kraftwerke diesen Zukunftsmarkt mit Wasserstoff als Ersatz für Benzin und Diesel versorgen. Der im Projekt vorgesehene Elektrolyseur soll eine Wasserstoffmenge bereitstellen, die 100.000 Liter herkömmlichen Kraftstoff entspricht.

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