Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V. (SFV)

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vom 29.04.2014, aktualisiert am 07.05.2014, Wolf von Fabeck:

Unterschiedliche Stromspeichertechniken für die Erneuerbaren Energien

Langzeitspeicher oder Pufferspeicher oder Speicher für E-Mobile

Die Zahl der Stromspeichertechniken ist von Jahr zu Jahr gewachsen. Eine vollständige Beschreibung und Beurteilung würde ein ganzes Buch füllen. Sinn des hier vorliegenden Beitrages ist es lediglich, die wichtigsten Unterschiede der drei beim SFV besonders häufig erwähnten Stromspeichertechniken plausibel zu erklären.

Die Einsatzbedingungen für

  • die Überbrückung mehrwöchiger Sonnen-/Wind-Flauten
  • für die Glättung der Tag-Nachtdifferenz bei Solarstrom
  • die Einsatzbedingungen im Elektroauto

sind so unterschiedlich, dass sich unterschiedliche Speichertechniken zur Lösung der Aufgaben anbieten.
Entscheidend sind hierbei besonders der Platzbedarf der verschiedenen Speichertechniken, der Wirkungsgrad, das mögliche Tempo der Befüllung
des Speichers (Einspeicherung), das Gewicht und die Empfindlichkeit gegenüber hohen oder niedrigen Temperaturen.

Der immense Platzbedarf lässt die Pumpspeichertechnik trotz ihres hohen Wirkungsgrades für alle drei infrage stehenden Aufgaben ausscheiden. Zur Illustration möge folgender Hinweis genügen: Sämtliche 30 Pumpspeicherkraftwerke Deutschlands können nur so wenig Strom speichern, dass Deutschland noch nicht einmal eine Stunde lang versorgt werden könnte. Langzeitspeicher für Erneuerbare Energien müssten dagegen bis zu sechs Wochen ohne Wind und Sonne überbrücken können.

Die riesigen Energiemengen für Langzeitspeicherung lassen sich nur mit chemischer Speicherung, z.B. der Power to Gas oder Power to Liquid Technik räumlich unterbringen. Deren schlechter Wirkungsgrad verbietet jedoch eine häufige Anwendung (eine hohe Zyklenzahl), wie sie bei Pufferspeichern notwendig ist.

Die Akku-Technik einschließlich der Schwefel-Natrium-Batterie hat einen ähnlich guten Wirkungsgrad wie die Pumpspeichertechnik aber einen erheblich geringeren Platzbedarf. Sie kommt deswegen für Pufferspeicher in Frage.

Für Fahrzeugantriebe gibt es noch erschwerende Zusatzbedingungen: Die Batterien sollen leicht sein. Und besonderer Wert wird auf schnelle Einspeicherung (schnelles "Betanken") und Temperaturunempfindlichkeit gelegt, weil Autos tagelang in brütender Sonne oder eisigem Frost geparkt werden.

Ausführlichere Erläuterung zu Langzeitspeichern und Pufferspeichern sowie Fragen der Rohmaterialknappheit

Langzeitspeicher

Weder Pumpspeicherkraftwerke noch Batteriespeicher sind für die riesigen Energiemengen der Mehr-Wochen-Speicherung geeignet, weil ihr Volumen nirgendwo vernünftig untergebracht werden könnte.

Für die Langzeitspeicherung braucht man nach jetzigem Stand der Technik eine strategische Energiereserve, die nicht allzuviel Platz benötigt und eine strategische Kraftwerksreserve.

  • Die Energiereserve könnte aus einem Vorrat von Power to Gas (EE-Methan) oder Power to Liquid (EE-Methanol - unabhängig vom Gasnetz) bestehen.
  • Die Kraftwerksreserve müsste dann aus zentralen und dezentralen Gas- und Methanolkraftwerken bzw. BHKW bestehen.

Bild: Methanolherstellung mit Solar- und Windstrom Überschuss
Methanolherstellung
Am Spotmarkt gibt es Überschuss-Strom umsonst

Die Speichermedien (EE-Methan oder EE-Methanol) können mit Hilfe überschüssiger Sonnen- und Windenergie aus dem CO2 der Atmosphäre hergestellt werden. Dabei ist der apparative Aufwand hoch und der Wirkungsgrad noch sehr schlecht. Der Einspeicherwirkungsgrad liegt bei unter 45 Prozent. Der Ausspeicherwirkungsgrad liegt irgendwo bei unter 50 Prozent. Das bedeutet, dass bei jedem Einspeicher- und Ausspeichervorgang weniger als 22 Prozent (0,50 * 0,45 = 0,22) des Sonnen- oder Windstroms übrig bleiben, Das ist nur vertretbar, weil es sich um Überschussstrom handelt und weil bei Langzeitspeichern nur wenige Speicherzyklen im Jahr auftreten.

Für Pufferspeicher, die keinen Überschussstrom aufnehmen und jährlich fast 100 mal einspeichern und ausspeichern müssen, würden bei Anwendung der Methanolspeicherung derart hohe Verluste bei jedem Speicherzyklen auftreten, Das wäre dann untragbar.

Pufferspeicher

Für die Glättung der Tag-Nachtdifferenz von Solarstrom durch Pufferspeicher sind aufladbare Batterien (Akkus) günstiger, die direkt in die Solaranlagen integriert werden. Sie haben einen Wirkungsgrad zwischen 80 und 85 Prozent. Allerdings ist ihre räumliche Unterbringung nicht ganz einfach. Trotzdem kommen EE-Methanol oder EE-Methan nicht in Frage, weil deren Gewinnung eine extra Anlage voraussetzt und die Verluste von jeweils 77 Prozent der Solarenergie an jedem der knapp hundert Speichertage des Jahres unerträglich werden.

Pufferbatterien sollte man am besten in die Solaranlagen integrieren. Dafür sprechen viele Gründe:

Beteiligung der Solaranlagen an der Stabilisierung des Stromnetzes

Im europäischen Stromnetz muss ständig das Gleichgewicht zwischen Einspeisung von elektrischer Leistung und Entnahme von elektrischer Leistung gehalten werden. Wenn plötzlich ein Leistungsüberschuss entsteht (weil z.B. ein großer Stromverbraucher plötzlich vom Netz getrennt wird), müssen die Kraftwerke sofort ihre Leistung reduzieren. Wenn dagegen ein Leistungsdefizit auftritt weil z.B. die Zuleitung eines Großkraftwerks durch einen Unfall zerstört wird, müssen die verbleibenden Kraftwerke sofort ihre Einspeiseleistung erhöhen. Fossile Kraftwerke sind dazu in der Lage, Solaranlagen (bisher) dagegen nicht.
Deswegen verlangt die Stromwirtschaft, dass eine Mindestanzahl von fossilen Kraftwerken immer in Betrieb bleiben muss - die sogenannten
"Must-Run-Kraftwerke".
Auf diese Forderung könnte man verzichten, wenn die Solaranlagen dazu so umgerüstet werden, dass sie auch diese Aufgabe selbständig übernehmen können. Dazu brauchen sie einen Stromspeicher und einen elektronischen Regler. Bei plötzlich auftretendem Leistungsüberschuss leitet der elektronische Regler überschüssige Leistung aus dem Stromnetz in den Pufferspeicher. Bei plötzlichem Leistungsmangel erhöht der
elektronische Regler die Einspeisung durch zusätzliche Leistung aus der Pufferbatterie. Ein elektronischer Regler plus Pufferbatterie reagiert sogar noch nachhaltiger als ein fossiles Must-Run-Kraftwerk. Deswegen fordert der SFV die Integration von Pufferspeichern und einem Frequenzregelungsmodul in alle zukünftigen PV-Anlagen.

Weitere Gründe für die Integration von Pufferspeichern direkt in die PV-Anlagen

  • Die Zahl der Pufferspeicher wächst dann im gleichen Tempo wie der Ausbau von PV-Anlagen.
  • Die höchste Motivation und Initiative für schnelle Umsetzung findet sich bei den PV-Betreibern.
  • PV-Anlagen mit Pufferspeichern stellen gleichzeitig eine Notstromversorgung dar.
  • Speicher benötigen Gleichstrom. PV-Anlagen liefern Gleichstrom. Bei Integration des Speichers in die Solaranlage spart man das Umrichten von

Wechselstrom in Gleichstrom und nach der Speicherung wieder in Wechselstrom.

  • Die hohen Solarströme um die Mittagszeit müssen nur bis zum integrierten Speicher transportiert werden. Das erspart die Verstärkung des

Verteilnetzes.

  • PV-Anlagen mit Pufferspeichern stellen ein exportfähiges Modell auch für den Sonnengürtel der Erde dar.

Rohmaterial-Knappheit bei Pufferspeichern?

Für große Pufferspeicher bei PV-Freiflächenanlagen oder Windparks bietet sich die Natrium-Schwefel-Technik an.

Die ist allerdings für kleine Pufferspeicher nicht empfehlenswert, weil die Na-S Speicher ständig auf hoher Temperatur (um die 300 Grad) gehalten werden müssen. Bei kleinen Na-S-Speichern ist der Aufwand für Wärmedämmung zu hoch.

Die Wärmeverluste sind der Speicher-Oberfläche proportional. Bei Vergrößerung der Abmessungen nimmt die Oberfläche mit dem Quadrat der Abmessungen zu. Das Volumen aber nimmt mit der dritten Potenz zu. So ist bei großen Na-S Speichern das Verhältnis von Speicherinhalt zur
abstrahlenden Oberfläche größer, d.h. günstiger.

Inzwischen gibt es auch schon Na S Entwicklungen, die mit 90 Grad auskommen.

Bei den kleinen Pufferspeichern gibt es vorläufig noch keine Rohmaterial-Engpässe. Zunächst kann man also mit kleineren Pufferspeichern Erfahrungen sammeln. Sollten die Materialien dann wirklich knapp werden, müsste man (ungern) größere (Na-S) Pufferspeicher jeweils für einen Straßenzug oder einen Ortsteil errichten. Außerdem ist die Menge der möglichen Techniken für kleine Akkus hoch und wachsende Nachfrage - auch bei den Elektromobilen - regt die Physiker, Chemiker und Ingenieure aller Länder zu weiteren Forschungsanstrengungen an.

Wichtiger als Forschungsförderung ist in diesem Fall aber trotzdem eine Markteinführung mit Gewinnanreizen, damit der Bezug zwischen praktischer Anwendung und Theorie nicht verloren geht.



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