Bürger-für-Bürger-Energie e.G.
regenerativ ○ dezentral ○ selbstbestimmt

Energiespeicherung

Es ist bekannt, dass sowohl die aus PV-Anlagen als auch aus Windenergieanlagen gewonnene Energie nicht deckungsgleich mit dem Stromverbrauch ist. Diese Anlagen stellen also nicht immer die zu jeder Zeit benötigte oder verlangte Energie zur Verfügung, andererseits gibt es aber auch Zeiten, in denen sie deutlich mehr Energie bereitstellen, als verwendet/eingespeist werden kann. Dies ist auch hinsichtlich der Garantie von stabilen Netzen wichtig, da im Netz zu jeder Zeit immer genau so viel Strom erzeugt werden muss, wie auch verbraucht wird.

Bisher wurde die Grundlast des Stromnetzes durch Großkraftwerke (vor allem Kohle und Atomkraft) sichergestellt und die schwankende Stromnachfrage wurde durch Spitzenlastkraftwerke (Gasturbinen, Pumpspeicherkraftwerke, etc.) ausgeglichen. Wenn zukünftig immer mehr Grundlastkraftwerke durch Wind- und Sonnenkraftwerke ersetzt werden, muss neben der schwankenden Stromnachfrage auch die schwankende Erzeugung ausgeglichen werden. Das kann einerseits durch zusätzliche schnell zu regulierende Kraftwerke (z.B. Gasturbinen) oder andererseits, wenn Wind- und Solarenergie weiter ausgebaut werden, durch Erweiterung der Speichermöglichkeiten erfolgen.

Insbesondere für die Anwendung im privaten Bereich sind, um den selbst genutzten Anteil des Solarstroms zu erhöhen, bereits Batteriespeicher am Markt. Um den deutschlandweit notwendigen Ausgleich zwischen Angebot und Nachfrage auch bei längerer Flaute und wenig Sonne (Winter) über Wochen und Monate sicherzustellen, sind Speicher in anderen Dimensionen erforderlich.

Der Schlüssel hierzu ist die Speicherung des Stroms durch elektrochemische Umwandlung in Wasserstoff oder Methan im Erdgasnetz – Speicher und Transportmedium zugleich. Das unter dem Namen „power to gas“ bekannte Verfahren ist bereits in der Markteinführung.

Batteriespeicher im Bereich von PV-Anlagen

Zum einen ist die PV-Energie mit Mittagsspitze nicht an allen Tagen in gleicher Höhe verfügbar. Zum anderen ist der Einfallswinkel der Sonnenstrahlung in unseren Breitengraden merklich geringer als in anderen Gegenden auf der Erde, so dass der Ertrag daraus insbesondere in Wintermonaten deutlich geringer ausfällt, als er ausfallen könnte (etwa Faktor 10).

Um die normale Tagesschwankung auszugleichen, sind Batteriesysteme für Zyklenbetrieb und Ladung mit kleinen Strömen am Markt (z.B. Blei-Säure- oder Blei-Gel-Batterien, mit Dimensionierungshilfe im Internet).

Zudem arbeitet die Forschung an der Entwicklung von Batterien aus allseits verfügbaren Grundstoffen. Über den Hausgebrauch hinaus können hier Kleinspeicher für Siedlungen oder Teile von Siedlungen ausgerüstet werden.

Power-to-gas

Einrichtungen, mit denen größte Energiemengen für eine längere Zeit gespeichert werden können, sind die chemischen Speicher. Die immer wieder ins Feld geführten Pumpspeicherwerke können dies nicht leisten, da die hier mögliche Speichergröße für den Ausgleich von Netzschwankungen nur für einige Stunden ausreicht. Mit chemischen Speichern ist es bereits heute üblich, Energie über längere Zeit zu speichern.

Das Medium ist Erdgas mit seinem zugehörigen Netz- und Speichersystem, das gerade in Deutschland in den letzten Jahrzehnten exzellent ausgebaut wurde und vielfach verfügbar ist. Diesen Energiespeicher mit einfachen Verfahren zur Energieumwandlung als vorhandene Infrastruktur zu nutzen, ist die Schlüsselidee.

Der Weg hierzu verläuft über die Wasserstofferzeugung per Elektrolyse. Wasserstoff aus Strom kann nahezu umgehend bis zu 10% (gesetzlich zugelassen sind derzeit 5%) ins Erdgasnetz eingespeist werden.

Eine erste große Pilotanlage befindet sich im Normalbetrieb bei Prenzlau in Brandenburg (Firma Enertrag). Gespeist wird die Anlage von insgesamt drei Windturbinen mit je 2 MW. Die Leistung des Elektrolyseurs beträgt 500 kW bei ca. 75% Wirkungsgrad. Darüber hinaus ist das Einspeisen von Methan möglich, das per chemischer, exothermer Reaktion aus Wasserstoff mit CO2 synthetisiert wird (H2 + CO2 + Wärmeenergie-Abführung = CH4, Methan).

In Summe ermöglicht dieses Verfahren Strom zu speichern, der bei viel Wind oder Sonnenschein in abgelegenen Gebieten erzeugt wird, aber nicht abgenommen oder an einen Zielort transportiert werden kann, bis er bei Bedarf irgendwo aus Gas rückerzeugt und verwendet werden kann. 

Das Verfahren wurde in den letzten Jahren von den Forschungsinstituten Fraunhofer IWES (Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik) in Kassel und dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) Stuttgart auch im Hinblick auf Standfestigkeit von Elektrolyse-Elektroden bei Wechsellast weiter entwickelt und befinden sich derzeit in der Praxiserprobung. Mit Methan-Fokus haben die Firmen Juwi und SolarFuel die Markteinführung kleinerer bis mittlerer Anlagen in die Wege geleitet. Gemeinsam ist eine 25-kW-Windgasanlage in der Morbacher Energielandschaft im Hunsrück installiert worden (Inbetriebnahme März 2011). Hier wurde ein Windpark mit einem CO2-Spender (einer Biogasanlage – was aber z.B. auch eine Brauerei sein kann) kombiniert.

Derartige Anlagen sind im Bereich 1-20 MWel in Planung und Aufbauvorbereitung. Sie können gut eigenbestimmt und dezentral installiert werden.

Aus dem gewonnen Gas kann mittels eines Generators wieder Strom gewonnen werden. Dies geschieht dann entweder dezentral in kleinen Anlagen (Blockheizkraftwerk) oder in so genannten GuD-Kraftwerken (Gas- und Dampf-Kraftwerke), mit denen deutlich bessere Wirkungsgrade zu erzeugen sind, als in reinen Dampf-Kraftwerken (z. B. Kohle, Atomenergie). Für den elektrischen Gesamtwirkungsgrad ohne die Nutzung der abfallenden Wärmeenergie werden Werte von 30 – 40% genannt, mit Wärmenutzung über 50%.

Entgegen den Wirkungsgradbetrachtungen bei der Umwandlung von Kohlenstoff-haltiger Primärenergie in Strom von 30 – 60% darf nicht verkannt werden, dass dort sowohl CO2 als auch ein erheblicher ungenutzter Wärmeabfall erzeugt werden. Beim Verfahren power-to-gas hingegen bleibt die CO2-Bilanz neutral und mit dezentralen Anlagen wird es überdies, möglich, Wärme aus den Umgestaltungsprozessen vor Ort nutzen zu können.

Das aber sind nur die Nebeneffekte. Der eigentliche Gewinn besteht darin, dass das Gesamtsystem Windenergieanlage plus Stromspeicher dem mit “Primärenergie“ betriebenem Grundlast-Kraftwerk technisch ebenbürtig wird.

Außerdem kommt beim Thema Speicherkapazität erleichternd hinzu, dass Photovoltaikanlagen in den Sommermonaten, Winkraftanlagen jedoch im Herbst und Winter die meiste Energie verfügbar machen. Kombiniert ergänzen sich beide Energieträger also im Jahresverlauf.

Neben dem Verwenden des Erdgasnetzes als Energiespeicher stellt der Energietransport in diesem Medium den Schlüssel dar, überdimensionale Stromautobahnen durch Deutschland weitgehend zu vermeiden. Einerseits kann Gas, etwa im Binnenland, regional eingespeichert, und dort auch wieder rück-verstromt werden - ein Transport über weite Strecken erübrigt sich. Andererseits ist, falls trotzdem Transporte, etwa von der Küste weit ins Binnenland anstehen, die Erdgasleitung eine Zehnerpotenz leistungsfähiger als die Hochspannungsleitung. Außerdem ist die Erdgasleitung bereits vorhanden.

(Stand Mai 2012)