Energiespeicher

Die Modernisierung der Energieversorgung in Bayern läuft auf Hochtouren

Die intensive und breite gesellschaftliche Diskussion über den Umbau der Energieversorgung bietet die Chance, den Grundstein für eine noch nachhaltigere Energieversorgung zu legen. Die Modernisierung ist ein über Jahrzehnte laufender Prozess, der in Bayern längst begonnen hat.

Die bayerischen Versorger haben mit hohen Investitionen und umfangreichen Planungen bereits wichtige Voraussetzungen für den Umbau geschaffen. Sie investierten in effizientere und emissionsarme Erzeugungsanlagen. Der Umbau der Netze ist im vollen Gange, um die erneuerbaren Energien in unser Energiesystem zu integrieren und um hohe lokale Einspeisungen und veränderte Lastflüsse zu ermöglichen. Erste neue Speicherkapazitäten sind fertig projektiert. Jetzt sind zügige Genehmigungsverfahren und eine höhere öffentliche Akzeptanz erforderlich.

Erdgas und Erdöl gehören noch auf lange Zeit zu den unverzichtbaren Energieträgern im Wärmemarkt, als Kraftstoff und bei der Stromerzeugung. Sie werden allerdings in zunehmendem Maße durch die entsprechenden Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen ergänzt. Diese spielen in einem zukunftsorientierten Energiesystem mittelfristig eine immer wichtigere Rolle.

Ein Umbau, der die sichere, umweltverträgliche und bezahlbare Versorgung gewährleistet, verlangt neben entsprechenden Technologien aber auch marktwirtschaftliche Effizienz.

Umbau erfordert Energiespeicher

Effiziente Energiespeicher sind für die sichere Versorgung mit Energie unverzichtbar.

Sie sind der Schlüssel für die Integration des Stroms aus erneuerbaren Energien in unser Versorgungssystem, der witterungsbedingt starke Schwankungen aufweist. Zu den bewährten Technologien zählen beispielsweise Speicher- und Pumpspeicherkraftwerke. Der Energieverbrauch variiert im Tages- und Nachtverlauf. Die Erzeugungskapazitäten und die Netze sind für die Deckung dieses schwankenden Bedarfs ausgelegt, stoßen jedoch aufgrund der verstärkten Einspeisung von Strom aus erneuerbaren Energien und den damit verbundenen Erzeugungsschwankungen in Bayern an ihre Grenzen. Stark volatile Einspeisemengen aus Wind und Photovoltaik können derzeit nur durch konventionelle Kraftwerke, vor allem Erdgaskraftwerke, ausgeglichen werden.

Die sechs Erdgasspeicher in Bayern nehmen mit einem Speichervolumen von 36 Mrd. kWh den derzeitigen Erdgasbedarf von über vier Monaten auf. Sie bieten damit neben dem Ausgleich von täglichen und saisonalen Verbrauchsschwankungen eine erhebliche Sicherheitsreserve. Für die Entwicklung weiterer Speichertechnologien, wie zum Beispiel die Umwandlung von regenerativ erzeugtem Strom in synthetisches Erdgas, Batterien für die Elektromobilität und Druckluftspeicher, gibt es bereits Pilotprojekte.

Die Sicherung der Versorgung mit Erdöl und Erdölerzeugnissen wird landesweit durch den Erdölbevorratungsverband sichergestellt, der die gesetzliche Aufgabe hat, für den Fall von Versorgungsstörungen ständig entsprechende Bestände im Umfang von 90 Verbrauchstagen vorrätig zu halten.

Grundlagen

Energieträger sind Medien, die Energie speichern. Mit dem Speichern von Energie wird diese abrufbar und zum Teil transportabel. Die Idee, Energie für den künftigen Bedarf vorzuhalten, ist jedoch nicht neu. So lagern wir beispielsweise seit jeher Holz als Wintervorrat und verfeuern es bei Bedarf. Dabei wird der chemische Wärmespeicher Holz stofflich verbraucht.

Wärmespeicher

Bei den Wärmespeichern, die üblicherweise in technischen Anwendungen arbeiten, wird ein Speichermedium wie zum Beispiel Wasser mit Wärme be- und entladen, aber dabei stofflich nicht verbraucht.

Für das thermische Speichern kommen Flüssigkeiten (häufig Wasser) oder Feststoffe (Gestein) als Medium in Frage. Eine Wärmedämmung verhindert das rasche Abkühlen des Speichermediums. Die meisten Heizsysteme für Gebäude decken bei einem Brennvorgang nicht nur die aktuelle Wärmenachfrage ab, sondern beladen gleichzeitig einen Wärmespeicher. Aus diesem Vorrat kann dann über einige Zeit der Wärmebedarf gedeckt werden. Sinkt die Temperatur des Speichermediums unter einen Schwellenwert, startet das Heizsystem die Aufheizung erneut.

Inzwischen werden große, Wochen- beziehungsweise Jahreszeiten überbrückende Wärmespeicherkonzepte erprobt, die zum Beispiel in der Lage sind, möglichst viel Sonnenenergie oder Abwärme aus Kraftwerken und Industrieprozessen für die Wärmeversorgung vorzuhalten. Diese Großspeicher können sowohl einzelne Großbauten versorgen als auch in Nahwärmenetzen für komplette Siedlungen eingesetzt werden. Moderne Wärmespeicher sind eine zentrale Komponente für den effizienten Energieeinsatz.

Eine Alternative zur Speicherung fühlbarer "sensibler" Wärme, bei der sich die Energiezufuhr in einer Temperaturerhöhung des Speichermediums bemerkbar macht, sind sogenannte Latentwärmespeicher. Hier wird der Phasenübergang eines Stoffes, zum Beispiel von fest nach flüssig, genutzt, um Wärme zu speichern. Das Speichermaterial, zum Beispiel Paraffin, beginnt beim Erreichen der Temperatur des Phasenübergangs zu schmelzen. Dadurch erhöht das Speichermaterial, trotz weiterer Zufuhr von Wärme, seine Temperatur solange nicht, bis das komplette Material geschmolzen ist.

Der Vorteil von Latentwärmespeichern: Es kann etwa doppelt so viel Energie im gleichen Volumen des Speichermediums gespeichert werden wie in einem sensiblen Wärmespeicher. Deshalb spricht man auch von der höheren Energiedichte des Latentwärmespeichers. Die Relation von latenter und sensibler Wärmespeicherfähigkeit lässt sich am Beispiel von Wasser leicht demonstrieren: Um gefrorenes Wasser, also Eis, von Null Grad zu flüssigem Wasser von Null Grad zu schmelzen, wird in etwa so viel Energie benötigt, wie um Wasser von Null Grad auf 80 Grad zu erhitzen. Noch mehr Energie ist für den Phasenübergang von Wasser zu Wasserdampf erforderlich. In diesem Fall ist die 5,4-fache-Menge der Energie notwendig, um Wasser von Null Grad auf 100 Grad zu erhitzen.

Speicherung elektrischer Energie

Elektrische Energie kann beispielsweise in Batterien oder Akkus gespeichert werden.

Elektrische Energie kann aber auch als Lageenergie gespeichert werden. So verfügen Pumpspeicherkraftwerke über ein oberes und ein unteres Speicherbecken. Bei geringer Stromnachfrage oder bei einem großen Angebot von zum Beispiel Windenergie wird Wasser mit elektrischer Energie gegen die Kraft der Erdanziehung in den höher gelegenen Speichersee gepumpt. Bei hohem Energiebedarf kann das Wasser aus dem oberen Speichersee zum Antrieb von Kraftwerksturbinen genutzt und Strom erzeugt werden. Pumpspeicherkraftwerke unterstützen damit die Regelung der Netze und somit die Netzintegration erneuerbarer Energien.

Zum Überbrücken kurzfristiger lokaler Netzstörungen oder Nachfragespitzen stehen auch noch andere Speichertechniken zur Verfügung. Dazu gehören unter anderem Super-Kondensatoren und Schwungradspeicher. Kostengünstige Techniken zur Langzeitspeicherung von großen Strommengen existieren -abgesehen von Pumpspeicherkraftwerken - derzeit allerdings noch nicht.

Wasserstoff als Universalspeichermedium

Wasserstoff bietet sich aus mehreren Gründen als Universalspeichermedium an. Über die Elektrolyse lässt sich Wasserstoff mithilfe jedes Energieträgers erzeugen und flüssig oder gasförmig speichern und transportieren. Bei der Verbrennung kann Wärmeenergie freigesetzt oder zum Beispiel in Brennstoffzellen Strom erzeugt werden.

Wasserstoff lässt sich als Gas (Druckwasserstoff) oder extrem gekühlt in flüssiger Form transportieren und kann in Druckgasflaschen, Gasometern, gekühlten Kesseln oder Metall-Hydrid-Speichern aufbewahrt werden. Über das Verbrennen in Motoren oder Brennstoffzellen wird Strom, Wärme oder Bewegung erzeugt. Dabei entsteht reines Wasser. Das heißt: Die energetische Nutzung von Wasserstoff belastet die Umwelt nicht unmittelbar mit Schadstoffen und CO2.

In der Chemie wird Wasserstoff häufig als Rohstoff gebraucht und auf unterschiedliche Weise hergestellt - meist aus Erdöl oder Erdgas. Außerdem fällt Wasserstoff bei einigen chemischen Prozessen als Nebenprodukt an. Soll das Gas allerdings komplett umweltverträglich und klimaneutral produziert werden, müssen dafür erneuerbare Energien genutzt werden.

Die Kombination aus erneuerbarer Energie und Wasserstoff als Energiespeicher entspricht dem Ideal des umweltverträglichen Kreislaufs: Wasserkraft, Windräder oder Solarzellen erzeugen elektrischen Strom, mit dem Wasser in seine Bestandteile zerlegt werden kann. Der Wasserstoff wird zunächst gespeichert und später bei Bedarf entweder zur Wärme- oder Stromerzeugung sowie als Kraftstoff genutzt werden. Als Verbrennungsprodukt entsteht jeweils wieder Wasser.

Allerdings sind die Kosten einer wasserstoffbasierten Energiespeicherung noch sehr hoch. Daher besteht in den nächsten Jahren noch beträchtlicher Forschungsbedarf, um Wasserstoff zu einem effizienten und wettbewerbsfähigen Energiespeicher zu machen.

Dennoch wird Wasserstoff, so die Vision vieler Experten, die Energielandschaft in einigen Jahrzehnten verändert haben. Er soll dann verschiedenen Zwecken dienen:

  • als Energiespeicher für Stromerzeuger und Puffer für das unregelmäßige Energieangebot von Wind und Sonne, u.a. durch Beimischung ins Erdgasnetz (bis zu 5 % problemlos)
  • als Transportmittel für Solarenergie aus südlichen Regionen
  • als Brennstoff zum Heizen oder
  • als Kraftstoff für Pkw und Nutzfahrzeuge.

Die Probleme des heutigen Energiesystems könnten deshalb mit der Kombination von Wasserstoff und erneuerbaren Energien reduziert werden. Zu diesen Negativpunkten zählen beispielsweise der Ausstoß von Kohlendioxid bei der Nutzung fossiler Brenn- und Kraftstoffe, das Entstehen hoch radioaktiver Abfälle bei der Kernenergie und die Endlichkeit der fossilen Ressourcen.

Regel- und Reserveleistung im Stromnetz

Stromerzeugung und Stromverbrauch (Last) müssen im Stromnetz zu jedem Zeitpunkt übereinstimmen. Liegt die Stromerzeugung zum Beispiel durch starken Anstieg des Stromverbrauchs unter der Last, sind positive Regel- und Reserveleistungen erforderlich, um die Differenz zur benötigten Leistung auszugleichen. Übersteigt die Stromerzeugung die Last, beispielsweise durch hohe Stromerträge aus Windenergie in den lastschwachen Nachtstunden, besteht hingegen Bedarf an negativer Regel- und Reserveleistung.

In Abhängigkeit davon, wie lange die entsprechende Regel- und Reserveleistung erforderlich ist, wird zwischen Primärregelung (bis zu einigen Sekunden), Sekundärregelung  (Minuten-, Stunden-, Tagesreserve) und Tertiärregelung unterschieden. Die Tertiärregelung stellt eine Dauerreserve dar.

Die Bereitstellung dieser einzelnen zeitlichen Stufen des Regelungs- und Reserveleistungsbedarfs erfolgt über unterschiedliche Kraftwerksarten. So wird zum Beispiel die Bereitstellung der Minutenreserve in der Sekundärregelung von schnell regelbaren Gas- und Pumpspeicherkraftwerken übernommen.

Markt-, System- und Netzintegration erneuerbarer Energien - Stromspeicher schaffen

Wenn erneuerbare Energien in Zukunft die Hauptlast der deutschen Stromversorgung tragen sollen, muss die Stromerzeugung aus diesen Energien stärker als bisher in das Versorgungssystem und in den Strommarkt integriert werden. Bislang bestehen jedoch keine oder höchstens geringe Anreize für Betreiber von Erneuerbaren-Energie-Anlagen zur Systemintegration beizutragen. Drängende Systemintegrationsprobleme sind etwa die Schaffung von Anreizen für eine bedarfsgerechte Einspeisung, die Bereitstellung von Regelleistung aus erneuerbaren Energien, eine Flexibilisierung der Nachfrage durch Lastmanagement sowie eine volks- und energiewirtschaftlich sinnvolle Kopplung von Kraftwerken.

Außerdem haben sich erneuerbare Energien an den Strommärkten bislang nicht etabliert. Diese Märkte sind in Deutschland und Europa das zentrale Werkzeug zur Einsatzsteuerung von Kraftwerken. Die Preissignale der Strommärkte erreichen jedoch Anlagen zur Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Energien in der Regel nicht. Sie agieren in Bezug auf das Gesamtsystem also weitgehend ungesteuert.

Zentrale Herausforderung für den weiteren Ausbau der erneuerbaren Energien wird daher sowohl ein umfassender Netz- und Speicherausbau auf allen Spannungsebenen als auch die schnelle Markt- und Systemintegration der erneuerbaren Energien sein.