Stromspeicher

(Mit einem Nachtrag vom 06.10.2014)

Kompakt:

  • Der Strom aus Windkraft und Photovoltaik schwankt sehr stark. Um diese Schwankungen zumindest teilweise ausgleichen zu können, werden ausreichende Stromspeicher benötigt.
  • Bisher kann elektrische Energie im Netz in nennenswertem Umfang nur in Pumpspeicherkraftwerken gespeichert werden.
  • Alle anderen bekannten Stromspeicher haben einen zu schlechten Wirkungsgrad, eine zu kurze Lebensdauer oder zu wenig Speicherkapazität und/oder sind sehr teuer.
  • Allerdings werden andere Stromspeicher bereits jetzt schon zu Spezialzwecken eingesetzt.
  • Es ist völlig offen, welche Stromspeicher sich neben den Pumpspeicherkraftwerken in Zukunft durchsetzen werden.
  • Jetzt sind wir aber noch auf den Bau von Pumpspeicherkraftwerken angewiesen oder auf einschneidende organisatorische Maßnahmen, wie das Abschalten auch von regenerativen Kraftwerken, wenn zu viel Strom im Netz vorhanden ist, und auf Ersatzkraftwerke, wenn zu wenig Strom im Netz vorhanden ist.

Warum Stromspeicher?
Inzwischen sind in Deutschland Photovoltaik- und Windkraftanlagen mit einer Spitzenleistung von ca. 70 GW installiert. Die benötigte Leistung aller Verbraucher in Deutschland beträgt aber nur ca. 60 GW. D.h., falls die Sonne überall in Deutschland voll scheinen und gleichzeitig der Wind überall kräftig wehen würde, wären das 70 GW-60 GW = 10 GW zu viel Strom im Netz. Bisher hat der Wind, wenn die Sonne stark geschienen hat, noch nie über ganz Deutschland so stark geweht, so dass statt 70 GW maximal nur 30 bis 35 GW Leistung erreicht wurde. Bei Windflauten ist die Leistung auch schon bis ca. 5 GW abgesunken. Die fehlenden ca. 30 bis 55 GW Leistung wurden im Wesentlichen von Braunkohle- und Kernkraftwerken (im Grundlastbetrieb) und von Gas- und Steinkohlekraftwerken (Ersatzkraftwerke für Spitzenlastbetrieb) erbracht. Deshalb ist bisher die Situation, dass überschüssiger Strom ins Ausland verschenkt und noch dazu gezahlt werden musste, damit das Netz nicht zusammenbricht, bisher selten aufgetreten. Mit dem weiteren Bau von Photovoltaik- und Windkraftanlagen wird diese Situation aber immer häufiger auftreten, bis das Netz schließlich nicht mehr beherrschbar wird, wenn nicht gegengesteuert wird.

Um zukünftig den Zusammenbruch unseres Stromnetzes zu vermeiden, ist u. E. neben vielen anderen Maßnahmen der Zubau von Stromspeichern oder die Umwandlung der elektrischen Energie in andere Energieformen zwingend notwendig. Es gibt dazu die folgenden Methoden:

Pumpspeicherkraftwerk
Benötigt werden zwei große Wasserbecken (z.B. Stauseen), von denen das eine hoch und das andere tief (also im Tal) liegt. Wenn zu viel Strom vorhanden ist, wird Wasser vom unteren ins obere Becken gepumpt und wenn der Strom gebraucht wird, läuft das Wasser über Turbinen, die mit Generatoren verbunden sind, wieder nach unten. Dieses Umschalten kann sehr schnell erfolgen.
Vorteil: hoher Wirkungsgrad, relativ preisgünstig, sehr schnell umschaltbar
Nachteil: die geologischen Voraussetzungen müssen gegeben sein, erheblicher Eingriff in die Landschaft erforderlich /Link/

Druckluftkraftwerk (Compressed Air Energy Storage (CAES))
Wenn zu viel Strom vorhanden ist, wird Luft in einen Speicher gepresst, und wenn der Strom gebraucht wird, strömt die Luft über eine Turbine, die mit einem Generator verbunden ist, wieder ins Freie. Im Prinzip also ähnlich wie beim Pumpspeicherkraftwerk. Der Speicher muss groß genug sein, es kommen daher nur ausgedehnte Hohlräume unter luftdichten Erdformationen in Frage.
Vorteil: relativ unauffällig, da nur das Gebäude für die Pumpe und die Turbine mit Generator sichtbar ist. Sehr schnell umschaltbar. Vermutlich relativ preisgünstig.
Nachteil: schlechter Wirkungsgrad und die geologischen Voraussetzungen müssen gegeben sein /Link/.

Schwungrad (Flywheel)
Mit dem elektrischen Strom werden schwere, sich schnelldrehende Schwungräder, die mit einem Generator verbunden sind, angetrieben. Wird nun Strom gebraucht, kann er sofort zurückgewonnen werden. Das ist jedoch nur zur Überbrückung von Schaltvorgängen im Sekundenbereich vorgesehen.

Akku, Batterie
Batterien haben den Vorteil, dass sie sehr schnell (unterbrechungsfrei) und zuverlässig elektrischen Strom liefern können, wenn er gebraucht wird. Nachteilig sind die (noch?) geringe Energiedichte, die zu kurze Lebensdauer und der zu hohe Preis, um den Strom im Netz speichern zu können. Es gibt folgende Typen:

  • Bleiakku (Pb‐Acid Battery)
    Bewährt als Autobatterie
    Vorteil: ausgereifte Technik, robust
    Nachteil: schlechter Wirkungsgrad, zu kleine Speicherkapazität, zu geringe Lebensdauer.
  • Redox-Flow-Batterie
    Die elektrische Energie wird in Form von chemischer Energie in zwei Elektrolyten, die die Batterie durchströmen, gespeichert. Diese beiden Flüssigkeiten können in Tanks aufbewahrt werden. Die Batterie, in der die beiden Elektrolyte die Energie aufnehmen und wieder abgeben können, kann dabei klein bleiben. Es ist noch offen, ob Redox-Flow-Batterien soweit entwickelt werden können, dass sie zur Stromspeicherung im großen Stil eingesetzt werden können /Link/.
  • Lithiumbatterie (Lithium ion batteries)
    Sie hat - soweit wir wissen - die höchste Energiedichte bei den Batterien und einen guten Wirkungsgrad, Nachteile sind der feuergefährliche Elektrolyt, die zu kurze Lebensdauer und der immer noch zu hohe Preis. Intensive Forschung und Entwicklung lassen uns hoffen, dass Lithiumbatterien in Zukunft zur Stromspeicherung eingesetzt werden können /Link/.
    Zum Vergleich die Kosten pro gespeicherte kWh:
    Geplantes Pumpspeicherkraftwerk am Jochberg: 150 EUR/kWh
    Lithiumbatterie: ca. 200 bis 300 EUR/kWh, hinzu kommt der Preis für den Wechselrichter
    Wir glauben, dass in naher Zukunft der Preis von Lithiumbatterien einschließlich Wechselrichter unter 150 EUR/kWh gesenkt und auch ihre Lebensdauer verdoppelt werden kann (auf mehr als 20 Jahre). Dann könnten Lithiumbatterien als kleinere Stromspeicher z. B. im Rahmen von Windkraft- und Photovoltaikanlagen eingesetzt werden. Damit wäre eine Voraussetzung erfüllt, um das Stromnetz dezentraler als bisher zu gestalten und manche Stromtrassen und Ersatzkraftwerke, die heute noch notwendig sind, könnten vermutlich dann überflüssig werden (s. auch hier).
  • Natrium-Schwefel Akku (high temperature sodium-sulfur batteries)
    Dieser hat einen guten Wirkungsgrad, relative hohe Energiedichte und billige Ausgangsmaterialien. Nachteil: Die Batterie muss bei hoher Temperatur betrieben werden (ca. 300 °C), d. h. sie muss thermisch gut isoliert sein, außerdem muss sie so gut geschützt werden, dass das Natrium nicht nach außen gelangt (Brandgefahr und in Verbindung mit Wasser Explosionsgefahr) /Link/.

Kondensator (Electrochemical Capacitors)
Ein Kondensator besteht im Prinzip aus zwei Platten und einem Isolator dazwischen. Er wird bereits zur Kompensation der Blindleistung in Stromnetzen eingesetzt. Wenn die Platten sehr dünn sind und der Isolator aus einem dünnen porösen Material besteht, das mit passenden Chemikalien getränkt ist, wird dadurch seine Kapazität stark erhöht.
U. E. sind Kondensatoren zur Speicherung großer Strommengen jedoch ungeeignet, da sich die Ausgangsspannung proportional zur Stromladung ändert. Je mehr also ein Kondensator entladen wird, um so mehr nimmt seine Spannung ab. Im Unterschied dazu ändert eine Batterie ihre Spannung kaum, wenn sie entladen wird bis sie fast leer ist. Zu Kurzzeitstromversorgung (Millisekunden) sind Kondensatoren aber geeignet, da die volle elektrische Energie praktisch jederzeit sofort zur Verfügung steht.

Thermische Speicher
Damit Sonnenkraftwerke auch die Abendstunden nach Sonnenuntergang und die Nacht überbrücken können (ca. 7 Stunden), kann man einen Wärmespeicher aus einer Salzschmelze vorsehen. /Link1/, /Link2/.

Stromspeicher, die noch in der Entwicklung sind:

Wasserstofftechnologie
Wird elektrischer Strom durch Wasser geleitet, werden die Wassermoleküle gespalten und die beiden Bestandteile des Wassers, nämlich Wasserstoff und Sauerstoff werden als Gase freigesetzt. Man nennt diesen Vorgang: Elektrolyse. Obwohl die Elektrolyse schon lange bekannt ist, ist es erst in den letzten Jahren gelungen, dass auf diese Weise Wasserstoff mit hohem Wirkungsgrad (bis zu 75 %) und unvermischt mit Sauerstoff erzeugt werden kann. Wir gehen davon aus, dass in naher Zukunft der von Photovoltaik- und Windkraftanlagen zu viel erzeugte Strom dazu genutzt wird, in großtechnischer Form Wasserstoff zu produzieren. Wasserstoff (chemisches Zeichen: H) ist ein ungiftiges Gas und schädigt auch nicht die Umwelt. Allerdings ist das Wasserstoff-Luftgemisch ab 4 % Wasserstoffanteil leicht entzündlich oder in höheren Konzentrationen auch explosiv.

Der Wasserstoff kann als Gas in speziellen Druckbehältern (z. B. für mit Wasserstoff betriebene Autos), als Flüssiggas (der Wasserstoff wird abgekühlt, bis er bei ca. -250 °C flüssig wird, z. B. für den Transport in Schiffen in superisolierten Behältern), als Metallhydrid (relativ sichere Speicherung in Behältern, die mit feinporösen Metallen gefüllt und die deshalb sehr schwer und teuer sind), in hoch porösen Materialien (Adsorption), in unterirdischen Hohlräumen, in chemisch gebundener Form oder evtl. in Graphitnanofasern gespeichert werden /Link/.

Eine andere Möglichkeit ist es, aus Wasserstoff und Kohle Kohlenwasserstoffe wie Methan herzustellen (Hydrierung von Kohle). Vorteil: Methan kann ins Erdgasnetz eingespeist werden und Erdgas wird in Deutschland heute schon in großen Mengen im Untergrund gespeichert /Link/.

Es wurde auch schon vorgeschlagen, den Wasserstoff direkt ins Erdgasnetz einzuspeisen. Wir haben aber die Bedenken, dass sich das Brennverhalten des Erdgases dabei ändert und die Rohrleitungen verspröden können, weil der Wasserstoff in verschiedene Metalle diffundieren kann. Eine Studie zeigt jedoch, dass dies im deutschen Erdgasnetz kein Problem sein sollte, weil für die Gasleitungen gegen Wasserstoff resistente Stähle verwendet werden /Link, pdf 176 KB/.

Bei Bedarf kann die Energie im Wasserstoff wieder zur Herstellung von elektrischem Strom genutzt werden, z. B. mittels Brennstoffzellen oder mit an Generatoren gekoppelten Turbinen.

Vorteil: Man könnte so beliebige Mengen überschüssigen Stromes speichern. Nachteil: Die Wasserstofftechnologie ist für die Stromspeicherung im großen Stile zum Teil (noch?) nicht ausgereift und zu teuer. Dadurch verteuert sich im Endeffekt der an sich schon teure Strom aus regenerativen Quellen noch mehr. Deshalb wird u. E. die Wasserstofftechnologie zunächst nur für Sonderzwecken (z. B. für Autos) eingesetzt werden.

Adiabatisches Druckluftkraftwerk (Adiabatic CAES)
Der schlechte Wirkungsgrad eines Druckluftkraftwerks liegt daran, dass sich die Luft beim Komprimieren erhitzt. Diese Wärme wird dann an das Material im Untergrund abgegeben und geht somit verloren. „Adiabatisch“ bedeutet, dass verhindert werden soll, dass die Luft Wärme abgibt. Es wird nun erforscht, ob man das Komprimieren und später wieder das Zurückholen der komprimierten Luft so gestalten kann, dass die Wärme nicht verloren geht. Denkbar ist auch, dass zwar nicht vermieden werden kann, dass die Luft Wärme abgibt, die Wärme aber dann sinnvoll genutzt wird, z. B. durch Kraft-Wärme-Kopplung.

Supraleitender Magnet-Energie-Speicher (Superconducting Magnetic Energy Storage SMES)
In einer Spule, die aus einem supraleitenden Draht besteht, entsteht ein Magnetfeld, wenn der Draht von Strom durchflossen wird. In dem Magnetfeld ist Energie gespeichert. Man kann dann die Stromzufuhr von außen abschalten und die Spule kurzschließen. Der Strom fließt dann verlustfrei in der Spule weiter und das Magnetfeld bleibt erhalten. Diese Energie kann bei Bedarf sehr schnell wieder zurückgeholt werden. Wegen der geringen Speicherkapazität ist dieses Verfahren nur zum Überbrücken von Schaltvorgängen geeignet. Das Ganze ist sehr aufwändig, weil die Spule stark abgekühlt und thermisch gut isoliert werden muss (ist noch in der Forschung).

Advanced Pb‐acid and Flow batteries

Eine weitere Quelle (US-Studie, in Englisch): /Link, pdf 1,4 MB/
14.07.2014 gr

 

Nachtrag vom 06.10.2014

Sind Stromspeicher wirklich erforderlich?

Neuere Berichte in Medien erwecken den Eindruck, dass in Deutschland die regenerativen Energien weiter ausgebaut werden könnten, ohne vorerst neue Stromspeicher zu bauen /Link/.

In den betreffenden Studien wird behauptet, dass andere Maßnahmen billiger seien als Stromspeicher, um Schwankungen des Stroms aus Windkraft und Photovoltaik auszugleichen. Als diese anderen Maßnahmen gelten ein guter Netzausbau auf europäischer Ebene, Reservekraftwerke, die Nutzung von Speicherkraftwerken im Ausland, die Batterien in den Elektroautos und eine Änderung des Verhaltens der Stromverbraucher /Link1, pdf, 1,5 MB/, /Link2, pdf, 1,2 MB/.

Der Bau von Kurzzeit-Stromspeichern, die der Stabilisierung der Netzfrequenz dienen (also „Regelleistung“ erbringen), wird heute schon als sinnvoll angesehen. Vor kurzem wurde in Schwerin Europas größter Batteriespeicher eingeweiht /Link1/, /Link2/. Er besteht aus Lithium-Batterien und kostete ca. 6,5 Millionen Euro. Rechnerisch ergibt sich daraus ein Preis von 1300 € pro kWh gespeicherter Energie, also ein stolzer Preis. Das besondere an diesem Speicher ist, dass er praktisch sofort umgeschaltet werden kann, um nach Bedarf Strom aufzunehmen oder abzugeben. Damit können die kurzzeitigen Schwankungen des Windstroms ausgeglichen werden.
Wir meinen, die o. g. Studien gehen an der Sache vorbei - auch wenn wir annehmen, dass in den Studien vermutlich alles richtig gerechnet worden ist - da in diesen Studien nur ein Teilaspekt behandelt wurde.

Wir, die Bevölkerung – befragt wurden wir allerdings noch nie – wollen durchaus Strom aus regenerativen Energien. Dieser Strom schwankt allerdings sehr stark und diese Schwankungen müssen ausgeglichen werden. Wie oben bereits erwähnt, werden für diesen Ausgleich verschiedene Methoden vorgesehen, allerdings keine Stromspeicher. Dies führt unserer Meinung nach zu verschiedenen Problemen:

Netzausbau auf europäischer Ebene - aber nicht vor unserer Haustür
Um lokale Schwankungen auszugleichen, ist ein gutes Verbundnetz erforderlich. Dazu gehören auch Hochspannungsleitungen einschließlich HGÜs. Mit solch einem Netz kann überschüssiger Strom sogar ins Ausland geleitet oder bei Bedarf dort geholt werden. Entweder werden dann im Ausland Stromspeicher (z. B. Pumpspeicherkraftwerke in Österreich oder den skandinavischen Ländern) und evtl. sogar Kraftwerke bereitgestellt, deren Nutzung wir bezahlen müssen, oder wir bekommen bzw. haben schon Ärger mit Nachbarstaaten. Außerdem sollten die Stromleitungen bei uns natürlich in der Erde liegen und zwar so tief, dass sie die Landwirtschaft und die übrige Infrastruktur nicht stören. Dies ist sehr teuer und technisch (noch?) mit großen Risiken behaftet. - Schön finden wir oberirdische Hochspannungsleitungen natürlich auch nicht.

Ersatzkraftwerke - wollen die meisten nicht
Kraftwerke, die die Schwankungen ausgleichen können, kosten viel Geld. Außerdem verbrauchen sie fossile Brennstoffe, von denen wir auch wegwollen. Daher ist z. B. die Idee, Teile von Deutschland mit Gaskraftwerken als Ersatzkraftwerken zu „pflastern“, nicht zielführend. Inzwischen liegen der Bundesnetzagentur Anträge von Stromkonzernen vor, 50 Kraftwerke abschalten zu wollen. Entweder, der Staat stuft diese Kraftwerke als Reservekraftwerke ein, die entsprechend bezuschusst, d. h. subventioniert werden oder sie werden uns in Zukunft zum Ausgleich der Schwankungen fehlen und zwar unabhängig davon, dass diese fossile Brennstoffe verbrennen. -
Holzschnitzelkraftwerke mögen zwar in einigen kleineren Orten, die genügend Holz haben und deren Einwohner die Abgase nicht stören, Strom liefern können, aber das Netz stabilisieren oder gar überflüssig machen können sie u. E. nicht.
Einen Beitrag zur Netzstabilität, der allerdings nicht ausreichen würde, könnten u. E. Biogasanlagen leisten, wenn sie entsprechend betrieben würden.

Sind Gaskraftwerke eine Alternative zum Netzausbau und Pumpspeicherkraftwerke?  (Am 11.10.2014 verlinkt)

Lithium-Batteriespeicher - zu teuer
Sie können zwar unauffällig in einem Gebäude untergebracht werden, sind aber viel zu teuer. Sie sind gegenwärtig nur als Kurzzeit-Stromspeicher sinnvoll (s. o.).

Verbraucher sollen sich an die Schwankungen anpassen - noch Zukunftsmusik
Das wird nur zum Teil gehen. Uns fällt dazu nur die frühere Nachtspeicherheizung ein, die dann aufheizen sollte, wenn gerade überflüssiger Strom im Netz ist. Ihr Einsatz würde nur in der kalten Jahreszeit sinnvoll sein.

Was bleibt - allen Studien zum Trotz?
Wir sind der Meinung, dass wir zukünftig ausreichende Stromspeicher brauchen werden, in der Regel also die bewährten Pumpspeicherkraftwerke. Diese benötigen keine fossilen Brennstoffe und es muss weniger Strom über das Netz transportiert werden, so dass das Netz nicht so stark wie ohne Stromspeicher ausgebaut werden müsste. Wir halten es z. B. nicht für sinnvoll, am Mittag Photovoltaik-Strom aus Bayern über eine HGÜ zu einem Pumpspeicherkraftwerk in Norwegen zu transportieren und am Abend wieder zurück, sondern besser wäre es, den Strom gleich in Bayern zu speichern und die HGÜ nur für den Windstrom aus der Nordsee zu nutzen. Die Politiker sollten berücksichtigen, dass die Planung und der Bau solcher Speicherkraftwerke wesentlich länger als eine Legislaturperiode dauern und die Firmen Planungssicherheit benötigen.
06.10.2014 gr

 

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