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Energiespeicher – Technologien für die zukünftige Stromversorgung
Nachbericht
Kongress Energiespeicher − Technologien für die künftige Stromversorgung
- Konzepte, Technologien und Projekte stationärer Energiespeicher
- Umfangreicher Forschungs- und Entwicklungsbedarf bis zur industriellen Anwendung
- Kongress mit 400 Teilnehmer aus Wirtschaft und Wissenschaft in Nürnberg
Der Anteil der Erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung beträgt derzeit 17 Prozent und soll, gemäß den Zielvorgaben des Bundes, bis 2020 auf 35 Prozent erhöht werden. Bayern setzt sich mit dem neuen Energiekonzept die Aufgabe, diesen Anteil bis 2022 von heute 25 Prozent auf 50 Prozent zu steigern. Dieser Ausbau erfordert eine installierte Leistung, deutlich über dem maximalen Verbrauch, da Erneuerbare Energien, wie Photovoltaik oder Windkraft, fluktuierend anfallen. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, überschüssige Energie zu speichern und bei Bedarf ins Netz zurückzuspeisen.
Der Cluster Energietechnik griff diese aktuelle Thematik auf. Am 30. Juni 2011 trafen sich rund 400 Experten aus Wirtschaft und Wissenschaft beim Kongress „Energiespeicher – Technologien für die zukünftige Stromversorgung" in der Meistersingerhalle in Nürnberg, um sich über die technischen Möglichkeiten der Energiespeicher, deren Marktreife bzw. den erforderlichen Entwicklungsbedarf zu informieren und auszutauschen.
Im Folgenden sind die Kernaussagen der Präsentationen unter diesen Themenbereichen zusammengefasst:
- Plenum
- Pumpspeicherwerke und Wasserstoffspeicher
- Druckluftspeicher, Laufwasserkraftwerke und Lastmanagement
- Batterien und Batteriesysteme
In der thematischen Einführung gab Professor Dr. Josef Nassauer einen kurzen Überblick über Stromverbrauch, zukünftig notwendige installierte Leistung sowie die grundsätzlichen technischen Optionen für Energiespeicher, wobei vor allem auf die mechanischen, chemischen und elektrochemischen Möglichkeiten Bezug genommen wurde.
Plenum
Prof. Dr. Martin Faulstich, Ordinarius an der TU München und Vorsitzender des Sachverständigenrats für Umweltfragen (SRU), Berlin, präsentierte Kernpunkte aus dem Sondergutachten „Wege zur 100 Prozent Erneuerbaren Stromversorgung" vom Januar 2011". Er verdeutlichte die Herausforderungen der Energiewende, gab einen kurzen Überblick der verschiedenen Speichermöglichkeiten und wies auf die Voraussetzungen einer nachhaltigen Industriegesellschaft hin.
Der Sachverständigenrat für Umweltfragen ist ein unabhängiges, wissenschaftliches Beratungsgremium der Bundesregierung und existiert seit 1971. Er wird durch das Bundeskabinett berufen und besteht aus 7 Universitätsprofessoren, aus den Bereichen Naturwissenschaften, Technik, Ökonomie und Recht. Aufgabe des Instituts ist es, die Umweltsituation darzustellen, Entwicklungstendenzen zu begutachten und politische Fehlentwicklungen aufzuzeigen.
Das aktuelle, rund 700 Seiten umfassende, Sondergutachten, beschreibt verschiedene Technologieoptionen. Es zeigt Instrumente und Strategien für Energieeffizienz auf, macht Vorschläge, wie man mit Gesetzen für den zügigen Ausbau von Netzen und Speichern flankieren kann und wie man eine größere Akzeptanz in der Bevölkerung erreicht. Auch die Europäische Vernetzung der Energie- und Klimapolitik wird behandelt.
Die Herausforderung der Energiewende besteht darin, dass die Option Kernkraft in Deutschland ausscheidet. Auch die fossile Stromerzeugung mit CO2-Abscheidung dürfte hier, wegen der fehlenden Akzeptanz in der Bevölkerung und der noch nicht realisierten Marktreife, keine große Rolle mehr spielen. Sie könnte aber später in Länder wie China und Indien in großem Stil zum Einsatz kommen. So bleiben in Deutschland die Erneuerbaren Energien zur Stromerzeugung, mit allen ihren Chancen und Risiken.
Ausgehend von einer aktuellen Stromerzeugung von etwa 600 TWh/a wird die Entwicklung der Bruttostromerzeugung bis 2050 aufgezeigt. Die Kapazitäten des fossilen/konventionellen Bestands nehmen kontinuierlich ab, trotz Neubau der sich bereits in Planung befindender Kraftwerke. Schreibt man den Zubau der Erneuerbaren Energien der letzten Jahre linear fort, so ergibt sich für 2050 eine vollständige Substitution durch Erneuerbare Energien. Bei einer etwas verringerten Nachfrage, verursacht durch Energieeffizienz-Maßnahmen steht dieser dann eine installierte Leistung von ca. 160 GW gegenüber.
Während man heute die Erzeugungskapazitäten grob in die Grund-, Mittel- und Spitzenlast unterteilen kann, benötigt man in Zukunft kleinere Kraftwerke mit dynamischem Regelverhalten zum Ausgleich der fluktuierenden Stromerzeugung. Unerlässlich sind Speicher zur Abnahme der überschüssigen Stromerzeugung.
Pumpspeicher zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad von rund 80% aus, haben ein in Deutschland derzeit eine Leistung von fast 7 GW, geschätzte Stromgestehungskosten von 8 ct/kWh und sind Stand der Technik. Der Wirkungsgrad von Druckluftspeichern mit Wärmerückgewinnung liegt bei 70 Prozent, das Potential in Deutschland bei 3.500 GWh und die Stromgestehungskosten bei 13 ct/kWh. Weltweit gibt es allerdings erst zwei Druckluftspeicherkraftwerke. Eines ist in Huntorf mit einer Leistung von 290 MW installiert. Elektrochemische Speicher, z.B. die Redox-Flow-Batterien kommen auf einen Wirkungsgrad von 80% müssen aber in ihrer Größe und Leistung nach oben erweitert werden, um für die Stromwirtschaft relevant zu werden.
Die durch Elektrolyse gewonnene, chemische Speicherung von H2, bzw. die Umwandlung in Methan hat lediglich einen Wirkungsgrad von 35 Prozent, zeichnet sich aber durch eine Universalität in der Anwendung aus und ist in ihrem Ausbaupotenzial nicht durch die Geologie beschränkt. Dies ist zurzeit die erfolgversprechendste Technologie, vor allem für Langzeit-Speicherung.
Pumpspeicherwerke und Wasserstoffspeicher
Hannes Seidl, stellvertretender Bereichsleiter Energiesysteme und Energiediensteistungen von der Deutschen Energie-Agentur GmbH (Dena) berichtete über den Beitrag von Pumpspeicherwerken und anderen Stromspeichern zur Integration erneuerbarer Energien.
Ein wesentlicher Beitrag um das Ziel der Bundesregierung, die Steigerung des Anteils der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien am Bruttostromverbrauch auf 35% bis 2020 und auf 80 % bis 2050 zu erreichen, ist die Beschleunigung des Ausbaus der installierten Leistung der Offshore-Windenergie auf 25 GW bis 2030, kombiniert mit dem zügigen Ausbau der Netzinfrastruktur.
Dabei werden regelmäßig Situationen mit Stromüberschuss auftreten; Stromeinspeisungen aus PV und Wind werden die Last zeitweilig deutlich übersteigen. Aufgrund hoher Last-Korrelation ist ein Ausgleich über die direkten europäischen Nachbarländer nur begrenzt möglich.
Energiespeicher im Energieversorgungssystem dienen neben der Ausgleichsfunktion im Stromerzeugungssystem, d.h. Energie-Einspeicherung zu Schwachlastzeiten und Ausspeicherung während der Hochlastzeiten auch der Bereitstellung von Systemdienstleistungen.
Regel- und Reserveenergie ermöglichen einen kurzfristigen Ausgleich von Abweichungen zwischen Stromerzeugung und Last, Ausgleich von Übertragungsengpässen (Redispatch)
Zusätzlich können Speicher Blindleistung zur Spannungshaltung bereitstellen und besitzen die Schwarzstartfähigkeit.
Aktuell gibt es in Deutschland 30 Pumpspeicherkraftwerke (PSW) mit einer Leistung von 6,6 GW und einem Speichervolumen von rund 40 GWh. Geplant ist für die nächsten Jahre ein Zubau von 2 GW. Dabei ist das noch umstrittene Pumpspeicherwerk in Atdorf im Südschwarzwald mit 1,4 GW und 14 GWh das größte Einzelprojekt.
Österreich besitzt rund 7 GW installierte Leistung. Das Land plant diese in den nächsten Jahren um 6 GW nahezu zu verdoppeln.
Auch die in der Dena Netzstudie II gestellte Frage, ob man durch zusätzliche Speicher den notwendigen Netzausbau verringern kann, wurde kurz erläutert, abschließend aber klar verneint.
Pumpspeicherkraftwerke sind die günstigste, vielfältigste und am besten erprobte Speichertechnologie zur Bereitstellung von Regelenergie, d.h. der Kraftwerksreserve zur Frequenzstützung. Blindleistung kann sehr flexibel bereit gestellt werden und auch für die Glättung der Lastschwankungen im Tagesverlauf ist diese Großspeichertechnologie geeignet.
Dr. Manfred Waidhas , Siemens AG, Sektor Industry, Erlangen berichtete über einen interessanten Ansatz zur Energiespeicherung mittels der Elektrolyse von Wasserstoff. Mit Hilfe einer neuartigen Protonen-Austausch-Membran kann eine derartige Anlage auch mit einer stark fluktuierenden Gleichspannung betrieben werden. Ein weiterer Vorteil der PEM Elektrolyse liegt darin, dass sich, je nach dem weiteren Verwendungszweck, der Druck des gewonnenen Wasserstoffs bis zu 100 bar einstellen lässt.
Dabei steht der Wasserstoff nicht nur als Energieträger zur Umwandlung mittels Brennstoffzellen in elektrischen Strom zur Verfügung. Wasserstoff kann als Energieträger dem Erdgas direkt beigemischt werden, aktuell bis zu 5%. Führt man den Wasserstoff einer Methanisierung zu, könnte theoretisch das komplette Erdgasnetz mit einer Speicherkapazität von 130 TWhel als Speicher genutzt werden.
Wasserstoff kann auch als Stoffspeicher genutzt werden. Durch die Umwandlung in verschiedene Kohlenwasserstoffe stünde er in der chemischen Industrie als Ausgangsmaterial zur Verfügung. Langfristig könnte elektrolytisch erzeugter H2 den Wechsel von einer rohölbasierten Chemie, hin zu einer CO2-freien, regenerativen Chemie einleiten.
Druckluftspeicher, Laufwasserkraftwerke und Lastmanagement
Die Rolle von Druckluftspeicherkraftwerden beim Umbau der Energieversorgung erläuterte Dr. Radgen, E.ON New Build and Technology aus Düsseldorf.
Neben den bereits geschilderten Herausforderungen die die Erneuerbaren Energien mit sich bringen, kommen auch noch die großen Leistungsgradienten, die sich beispielsweise beim Sturm-Abschalten von Windkraftanlagen ergeben. Diese abrupten Spannungsänderungen können mit fossilen Kraftwerken nicht nachgefahren werden.
Hier könnten Druckluftspeicherkraftwerke Abhilfe leisten. So wird in Deutschlands einzigem Druckluftspeicher in Huntdorf bei Stromüberschuss Luft auf einen Druck bis zu 70 bar komprimiert und in eine Salzkaverne gepresst. Beim Entladen des Speichers führt man die komprimierte Luft der Turbine zu und erzeugt über einen Generator wieder Strom.
Den Wirkungsgrad von derzeit 42% könnte man durch einen Rekuperator, mit dem man einen Teil der Turbinenabwärme der komprimierten Luft zuführt, auf rund 55% verbessern. Adiabate Druckluftspeicherkraftwerke, bei denen, die bei der Verdichtung entstehende Wärme, gespeichert wird, kommen auf einen Wirkungsgrad von bis zu 70%. Diese befinden sich in Deutschland allerdings noch in der Planungsphase. Neben den technologischen Herausforderungen des Verdichters und des Wärmespeichers sind auch die erheblichen Investitionen und die schwer abschätzbare Rentabilität der Speicher für den langsamen Fortschritt verantwortlich.
Ergebnisse einer Studie, der die Frage zugrunde lag, wie man Speicher relativ schnell und günstig realisieren kann, stellte Herr Prof. Dr.-Ing. habil. Oliver Mayer, GE Global Research aus Garching unter dem Titel „Laufwasserkraftwerke als zukünftige Stromspeicher" vor.
Kann man bestehende Systeme mit den schon vorhandenen, notwendigen Komponenten, benützen?
Die Energieerzeugung von Laufwasserkraftwerken (LWK) ist proportional zur Fallhöhe und der Durchflussmenge des Wassers. Laufwasserkraftwerke könnten mit vergleichsweise geringem Invest in Speicherkraftwerke umgebaut werden, indem man das Wasser bis zu einem halben Meter aufstaut und das Flussbett vor dem LWK als Wasserspeicher benutzt.
Die Technik ist vorhanden, das Problem der Realisierung besteht vielmehr darin, dass die Flüsse nicht nur von Energieversorgern, sondern von einer Vielzahl weiterer Interessens-gruppen genutzt werden.
Je nach der Turbinenart ergibt sich in Deutschland ein Gesamtpotenzial von 700 bis 825 MWh. Daran hätte allein der Lech einen Anteil von rund 47 Prozent. Dies ist ein im Vergleich zu Pumpspeicherkraftwerken eher geringeres Potential, es wäre aber schon in naher Zukunft einsetzbar. Außerdem hätte es internationale Vorbildfunktion.
Über passive, batterieunabhängige Speichermöglichkeiten berichtete Timm Rössel vom Lehrstuhl für Bauklimatik und Haustechnik der TU München. Da Gebäude in Deutschland für rund 40 Prozent des Energieverbrauches verantwortlich sind, kommt dem Lastmanagement der Verbraucher in Gebäuden eine wesentliche Rolle zu.
Einer fluktuierenden Einspeisung steht dabei ein steuerbarer Verbraucher gegenüber. Durch zeitliche Verschiebungen von Lasten und durch das Kappen von Lastspitzen wird der Verbrauch zumindest teilweise mit der Erzeugung korreliert. Bei den sogenannte Smart Buildings sind Lastgangverschiebung und Spitzenlastreduktion im Bereich von Minuten bis zu wenigen Stunden möglich.
In Büros, Schulen, Krankenhäuser und Schwimmbäder kann man Lasten, wie beispielsweise Lüftungsanlagen, Kältemaschinen, Heizung, sowie Wasseraufbereitung und -Filtration zeitlich verschieben und somit den Erzeugungsfluktuationen besser anpassen. Dabei darf der Nutzer nicht vergessen werden. Behaglichkeitseinschränkungen zum Beispiel von Aufzügen führen in der Regel zur Nichtakzeptenz des Lastmanagements.
Die Kommunikation zwischen Erzeugung und Verbrauch erfolgt mittels der Gebäudeleit-technik (GLT). Sie ist in Industrieanlagen Stand der Technik und dient bereits der Überwachung einzelner Verbraucher. Durch Ergänzung mit Regelroutinen, die aus Simulationen gewonnen werden, lässt sie sich zur Gebäudeautomatisation ergänzen.
Um Einschätzungen des Lastmanagements vornehmen zu können, werden Simulationen der Lastverschiebung, bezogen auf die Temperatur und Luftfeuchte vorgenommen. Hier spielt die Speichermasse von Gebäuden eine wesentliche Rolle. Während drei halbstündigen Unterbrechungen der Bürokühlung eines Großraumbüros sehr leichter Bauweise zu deutlichen Temperaturerhöhungen führte, blieben diese bei einem Büro schwerer Bauweise aus.
Als Fazit bleibt festzustellen; Lastverschiebungspotenzial ist vorhanden, das Verschiebungspotenzial ist aber zeitlich begrenzt. Als Tages- oder Wochenspeicher sind diese passiven Speicher nicht nutzbar.
Teilweise benötigt man nach der Abschaltung einen höheren Leistungsbezug, trotzdem sind in der Summe Energieeinsparungen möglich.
Das Lastmanagementpotenzial lässt sich nur mit einer Gebäudeautomation nutzbar machen. Dazu ist eine intelligente Steuerung notwendig. Als Beispiel wurden resultierende Zusatzleistungen z.B. bei Kältebereitstellung angeführt, die man aber über die Drosselung der Lüftungsanlage abgefangen kann.
Batterien und Batteriesysteme
Dr. Ervin Spahic, ABB Mannheim zeigte auf, warum und wie Batteriespeicher das Netz unterstützen können. Zum Einsatz kommen die sogenannten SVC (static var compensator) batteriegestützte Energiespeichertechnik. Dies sind leistungselektronische Betriebsmittel kombiniert mit Energiespeichern. Sie ermöglichen den Leistungsausgleich in Stromnetzen und somit die umfangreiche Einbindung erneuerbarer Energien. Außerdem kann das System zur Verbesserung der Stabilität und Spannungsqualität in Netzen beitragen.
Während man vor 10 - 15 Jahren lediglich das Problem der Spannungsstabilität nur am Ende des Netzes, beim Verbraucher hatte, ergibt sich durch die Volatilität der PV-, bzw. Windeinspeisung ein zusätzliches Problem bereits bei der Erzeugung, am Anfang des Übertragungsnetzes. Für die Spannungsstabilität am Erzeugungsknoten gibt es Lösungsmöglichkeiten, z.B. Verbesserung der Prognosegenauigkeit.
Als Beispiel erwähnte Dr. Spahic den Bau einer PV-Anlage, bei der das existierende Netz nur etwa 90 Prozent der Leistung übertragen kann. Die verschiedenen Lösungsmöglichkeiten werden hinsichtlich der Kosten untersucht. Die Installation eines VSC-SVC, kombiniert mit einem Batteriespeicher ermöglicht die 100% Einspeisung aus der PV-Anlage, die Frequenz der Einspeisespannung lässt sich regeln und die Verluste werden minimiert.
Ein aus dem Automobilbereich bekannter Speicher-Ansatz sind Lithium-Ionen Batterien. Holger Schuh, Geschäftsführer der Saft Batterien GmbH aus Nürnberg referierte über die Einführung von Lithium-Ionen Energiespeichersystemen in die MW-Leistungsklasse.
Mit einzelnen Lithium-Ionen Zellen lässt sich ein Batteriesystem mit einer Leistung von über einem Megawatt aufbauen. Voraussetzung ist die modulare Bauweise, ein ausgeklügeltes Steuerungs- und Überwachungssystem und ein Managementsystem, das die zugrundegelegte Betriebsstrategie steuert und überwacht.
Vorgestellt wurden die typischen Aufgaben von Batteriespeichern. Durch den zunehmenden Anteil volatilen Stroms, einhergehend mit der Abnahme konventioneller Kraftwerke mit ihrer größeren, rotierenden Systemträgheit wird es zunehmend schwieriger, die Frequenz bei plötzlichen Ausfällen stabil zu halten. Hier übernimmt die Batterie im Millisekunden Bereich die dynamische Frequenzstabilisierung, um Lastabwürfe, bzw. Netzzusammenbrüche zu vermeiden.
Im Minuten- bis Stundenbereich benötigt die volatile PV-Erzeugung zusätzliche Energie-quellen zur Sicherstellung des System-Gleichgewichts durch Glättung. Hier reduzieren Batteriespeicher die Notwendigkeit, fossile Ersatzkraftwerke vorzuhalten. Um auch während der Spitzenlastzeiten die Netzstabilität zu gewährleisten, wurde bisher in Spitzenlast-kraftwerke investiert. Dies lässt sich ebenfalls durch Batteriesysteme abdecken.
Bei der Berechnung der richtigen Speichergröße werden die Last- und Erzeugungsprofile, Variationskurven, Rampensteilheit und die Spitzenlasten betrachtet.
Die Lebensdauer einer Lithium-Ionen-Batterie ergibt sich aus ihrer kalendarischen Lebensdauer, die, abhängig von der Umgebungstemperatur üblicherweise zwischen 15 - 25 Jahren liegt, modifiziert mit der Zykluslebensdauer.
Ein interessanter, elektrochemischer Ansatz ist die von Prof. Norbert Menke vorgestellte Vanadium-Redox-Flow-Batterie. Der flüssige Energieträger Vanadium hat eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer, ist robust gegen Tiefentladungen, wartungsarm und kommt während seiner 20-jährigen Lebensdauer auf eine Zykluszahl von 13.000-15.000. Interessante Einsatzgebiete, des noch relativ teuren Energiespeichers, sieht Prof. Menke für die nächsten Jahre in der, Bereitstellung von Regelenergie und dem industriellen Spitzenlastausgleich bei größerer dezentraler Speicherung.
Weitere technische Optionen sind in den Bereichen mechanischer, elektrischer und thermischer Speicherverfahren gegeben. Nahezu alle Speichertechnologien bedürfen einer umfangreichen Weiterentwicklung bis sie in den industriellen Einsatz kommen können- ein interessantes und aktuelles Forschungsgebiet für die Wissenschaft.
Ansprechpartner: Dr. Manfred Fenzl
