Energiewende erfordert neue Speichertechnologien

Unabhängig von den Launen des Wetters

Der Ausbau der Netze ist ein zentraler Punkt bei der Energiewende © fotos4people - Fotolia.com
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Mit der Entscheidung für die Energiewende hat das Achema-Schwerpunktthema „Innovative Energieträger und -speicher“ noch einmal an Aktualität gewonnen. Denn innovative Speichertechnologien sind der Schlüssel zur Nutzung erneuerbarer Energien sowie energieeffizienten verfahrenstechnischen Prozessen.

Die Welt steht unter Strom: Bis 2030, so die Erwartungen der Energieforscher, wird die weltweite Stromerzeugung gegenüber heute um zwei Drittel zunehmen. Dabei sind es längst nicht nur die wachsende Weltbevölkerung und die Elektrifizierung bislang nicht erschlossener Weltregionen, die den Bedarf anheizen. Auch in den entwickelten Industrienationen steigt der Bedarf – nicht zuletzt durch das Megathema „Elektromobilität“: So sollen nach dem Willen der deutschen Bundesregierung bis 2030 sechs Millionen Elektroautos auf Deutschlands Straßen unterwegs sein.

Doch elektrischer Strom ist eine flüchtige Energieform: der in einem Stromnetz bereitgestellten Energie müssen zu jedem Zeitpunkt entsprechende Abnehmer gegenüber stehen. Bei einem Überangebot steigt die Netzfrequenz, bei einem Unterangebot sinkt diese. Schwankungen in der Netzfrequenz können bis hin zu großen Stromausfällen führen. Verschärft wird diese Situation seit einigen Jahren durch den Ausbau erneuerbarer Energien wie der Windkraft und der Solarenergie. Das wurde im vergangenen Frühjahr spürbar, als dem Stromnetz in Ostdeutschland gar der Zusammenbruch drohte: Bei heftigem Wind speisen die per deutschem Gesetz geförderten Windräder in Ostdeutschland bis zu 12 Gigawatt (GW) elektrische Energie in das Netz, aus dem regional lediglich ein Bruchteil verbraucht wird.
Bereits im November 2006 war es infolge der hohen Stromproduktion aus Windrädern in Europa zu einer folgenschweren Kettenreaktion gekommen. Am 4. November blies in Norddeutschland spätabends ein strammer Wind. Kurz nach 22 Uhr wurde bei Weener eine über die Ems führende 380-kV-Freileitung aus Sicherheitsgründen abgeschaltet, weil ein Kreuzfahrtschiff von der Papenburger Meyer-Werft ausgeschifft wurde. Zu dem Zeitpunkt transportierte die Freileitung gerade etwa 10 GW Windstrom Richtung Süd- und Westeuropa. Um die Netzfrequenz zu stabilisieren, wurden Teile des Stromnetzes in Westdeutschland, Belgien, Nord- und Südfrankreich, Norditalien und Spanien vorübergehend automatisch abgeschaltet. Teile Spaniens blieben darauf hin bis zu zwei Stunden dunkel.
Auch an den Strombörsen führen die erneuerbaren Energien längst zu spürbaren Effekten: Abnehmer des Strom-Überangebots erhalten zeitweise Geld dafür, wenn sie spätnachts überschüssigen Windstrom verbrauchen. Doch auch die Solarenergie mischt bereits mit: Am Nachmittag des 16. Juli 2011 sank der Strompreis an der Strombörse EEX am hellen Tag auf das niedrige Preisniveau von Nachtstrom. Ursache war die hohe Photovoltaikleistung im Netz. Bis zu 13 GW – die Stromproduktion von zehn Atomkraftwerken – speisen deutsche Photovoltaik-Anlagen heute bei gutem Wetter ins Netz ein. Und der Anteil der Stromproduktion aus erneuerbaren Energien steigt kontinuierlich. Spätestens die Katastrophe von Fukushima hat in einigen Industrieländern – allen voran Deutschland – zu einem Umdenken geführt, in dessen Folge Windstrom, Photovoltaik und Sonnenwärmekraftwerke einen massiven Ausbau erfahren werden.
Angebot und Nachfrage auszubalancieren gleicht heute einem Gang auf Messers Schneide. Der Balanceakt erfordert neue Wege. Zu den Maßnahmen gehören:
  • Ausbau der Stromnetze, um Überschüsse besser zu verteilen,
  • Verbraucher-Management über intelligente Netze – sogenannte „Smart Grids“ – beispielsweise dem automatischen Anschalten von Verbrauchern in Zeiten des Überangebots,
  • Einsatz von Energiespeichern, die Über- und Unterangebot ausgleichen können.
Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten am günstigsten – und am schnellsten zu realisieren – ist der Ausbau der Stromnetze. Allerdings stoßen neue Überlandleitungen gerade in reifen Industrienationen mehr und mehr auf Widerstand in der Bevölkerung. Intelligente Netze, bei denen sich beispielsweise die Waschmaschine im Haushalt mitten in der Nacht automatisch einschaltet, wenn besonders viel Windstrom zur Verfügung steht, stecken noch ebenso in den Kinderschuhen wie viele Speichertechnologien.
Um einen Überblick über die zahlreichen Speichertechnologien zu gewinnen, muss man zwischen Speichern zur Stabilisierung des Stromnetzes auf der einen Seite und solchen zur lokalen Speicherung von elektrischer Energie auf der anderen Seite unterscheiden. Daneben spielen Wärmespeicher insbesondere zur Nutzung von Prozesswärme in der Chemie, Papierindustrie sowie anderen Prozessindustrien eine immer wichtigere Rolle.
Elektrischer Strom kann in chemische, potenzielle, kinetische oder elektromagnetische Energie umgewandelt werden. Jede dieser Formen hat ihre Vor- und Nachteile. So haben beispielsweise Kondensatoren (Super Caps) eine niedrige Energiedichte, können ihren Strom aber innerhalb kürzester Zeit zur Netzstabilisierung zur Verfügung stellen und damit Netzschwankungen ausgleichen. Andere Techniken dienen dazu, elektrische Energie über mehr oder weniger längere Zeiträume zu speichern.
Vom Pumpspeicherwerk bis zur Mega-Batterie
Als Netzspeicher sind derzeit vor allem Pumpspeicherwerke im Einsatz: Große Mengen an Wasser werden zu Zeiten, wenn kostengünstiger Strom vorhanden ist, von einem niedrig gelegenen in ein höher gelegenes Becken gepumpt und dort gespeichert. In Spitzenzeiten des Verbrauchs treibt das herabströmende Wasser Turbinen und Generatoren an, die wiederum Strom erzeugen. Die 33 in Deutschland installierten Pumpspeicherkraftwerke können bis zu 6,7 GW Leistung erzeugen und rund 40 GWh Energie speichern. Zum Vergleich: In den USA erreichen Pumpspeicherkraftwerke bis zu 21,5 GW Leistung.
Nach einem ähnlichen Prinzip arbeiten Druckluftspeicher (CAES, Compressed Air Energy Storage). Bei ihnen wird Energie in Form von komprimierter Luft in Kavernen gespeichert und in Spitzenzeiten in Gasturbinen wieder zu Strom umgewandelt. Weltweit gibt es dafür erst zwei Anlagen: in Huntdorf, Deutschland (290 MW) und in McIntosh, Alabama, USA (110 MW). Beide Anlagen sind bereits mehrere Jahrzehnte am Netz. Derzeit entwickeln die Projektpartner RWE, General Electric, Züblin und DLR die Technologie unter Nutzung der entstehenden Kompressionswärme weiter. Das Druckluftspeicherkraftwerk Staßfurt (RWE, DLR) soll 2013 in Betrieb gehen. Es soll 90 MW haben und 360 Megawattstunden speichern können. Bei dem „ADELE“ genannten Projekt (Adiabater Druckluftspeicher für die Elektrizitätsversorgung“) wird der Gasturbine bei der Rückverstromung kein Brennstoff zugefeuert. Die Wärme aus der Kompression der Luft wird zwischengespeichert und später bei der Entspannung wieder zurückgespeist. Hierdurch wird der Wirkungsgrad von ca. 55 % auf bis zu 70 % gesteigert.
Die Tatsache, dass bislang nur vergleichsweise wenige Netzspeicher in Betrieb sind, hat vor allem wirtschaftliche Gründe: Es ist bis heute günstiger, Strom konventionell aus Kohle, Kernenergie und Gas zu produzieren, als ihn zu speichern. „Betriebswirtschaftlich machen Pump- oder Druckluftspeicher im Stromhandel erst Sinn, wenn die Differenz zwischen Nachtstrom und Spitzenpreis am Tag wenigstens 3 ct/kWh beträgt“, konkretisiert Prof. Dirk Uwe Sauer von der RWTH Aachen. Überhaupt, so Sauer, ist der Netzausbau in der Regel immer günstiger als Speicherlösungen.
Dennoch wird auf lange Sicht kein Weg an der Entwicklung und Nutzung der Speichertechnologien vorbei führen. Denn im Gegensatz zu klassischen Kraftwerken lassen sich Wind und Sonnenenergie nicht beliebig anschalten. Während das Verhältnis fluktuierender Leistung (Wind, Sonne) zu regelbarer Leistung (konventionelle Kraftwerke) heute bei etwa 1:5 liegt, wird sich dieses nach Einschätzung des deutschen Bundesumweltministeriums bis 2030 auf etwa 1:1 verschieben. Dazu kommt, dass Speichertechnologien – sowohl für Strom als auch für thermische Energie – auch ein Schlüssel zur effizienteren Energienutzung in der Stromerzeugung, aber auch in verfahrenstechnischen Industrien sind.
Aus diesem Grund haben die deutschen Bundesministerien für Wirtschaft, Umwelt und Forschung im Frühjahr 2011 gemeinsam die „Förderinitiative Energiespeicher“ beschlossen: In den kommenden Jahren will die Regierung 200 Millionen Euro für die Erforschung von Speichertechnologien bereitstellen, um die Entwicklung zu beschleunigen. Auch andere Nationen, darunter China und die USA, unterstützen die Erforschung von Speichertechnologien. Im Stimulus-Paket der US-Regierung sind 158 Millionen US-Dollar zur Erforschung von Energiespeicher-Technologien vorgesehen, die – so die Schätzung der amerikanischen Energy Storage Association – wiederum rund 780 Millionen US-Dollar an Investitionen in Speicherlösungen nach sich ziehen werden. Neben Netzspeichertechniken stehen dezentrale Lösungen im Bereich Elektromobilität und Batterietechnik mit auf dem Programm.
Fazit: Die Energiewende ist politisch beschlossen; jetzt gilt es, entsprechende technische Lösungen bereitzustellen, um die Fluktuationen in der Bereitstellung von Strom aus erneuerbaren Quellen auszugleichen. Dafür sind Lösungen aus der Prozessindustrie, der Chemie und der Mess- und Regeltechnik gefragt. Auf der Achema 2012 bilden innovative Energieträger und -speicher ein Schwerpunktthema; nicht nur in der Sonderschau werden Aussteller und Wissenschaftler neue Lösungen vorstellen.
Lesen Sie mehr im 2. Teil des Trendberichts. Dieser konzentriert sich auf Batterietechnik, Wasserstoffspeicher und Wärmespeichertechnologien.
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