Seite 2: Welche Eigenschaften erfordern Speicher für die Energiewende?

Der Verbrauch und die aus den realen natürlichen Energiekreisläufen

zur energetischen Umwandlung verfügbaren Potentiale von

• Windenergie
• Solarenergie
• Wasserkraft und
• Biomassezuwachs

definieren den Ausgleichsbedarf einer systemverantwortlichen regenerativen Versorgung und die Anforderungen an Speichersysteme.

Neben den anfangs aufgezeigten Hauptpotentialen von Wind und Sonne gibt es weitere regenerative Energiepotentiale wie

• geothermische Energie,
• Planetenenergie die sich durch Ebbe und Flut über Gezeitenkraftwerke nutzen lässt,
• Wellenenergie,
• Fallwindkraftwerke die künstlich herbeigeführte Dichteunterschiede in trockener Luft ausnutzen
• und weitere in der Natur vorkommende Effekte, die prinzipiell auch energetisch genutzt werden können.

Im Vergleich zu den aufgeführten Hauptpotentialen spielen diese hier zusätzlich aufgeführten Potentiale bisher und wahrscheinlich auch in Zukunft, in vielen Regionen lediglich eine untergeordnete Rolle, wegen eines nur begrenzt auch nachhaltig nutzbaren Potentials und/oder hohen Umwandlungskosten.

In den nördlichen Bundesländern Deutschlands spielt in erster Linie der Wind, gefolgt von der Sonne eine entscheidende Rolle. Sie bestimmen maßgeblich die Anforderungen, die an Speichersysteme zu stellen sind.

Verbrauch elektrischer Energie

Der Verbrauch gibt im elektrischen Stromnetz vor, welche Leistung die liefernden Systeme bereitstellen müssen, damit die Stromversorgung funktioniert.

Der Verbrauch in den Stromnetzen hat einen typischen Verlauf, der vom Wochentag, der Uhrzeit, der Jahreszeit, von Ferien, Feiertagen, Wetterbedingungen, Konjunktur, besonderen Ereignissen und vielen weiteren Einflussfaktoren abhängt.

Abbildung 4 zeigt beispielhaft den Stromverbrauch in Deutschland während der ersten vier Wochen des Jahres 2013.

Verfügbare Windleistung

Abbildung 5 zeigt im oberen Kurvenzug beispielhaft für die ersten vier Januarwochen 2013 das theoretische Maximum der Windleistung, welches bei den real aufgetretenen Windgeschwindigkeiten aus den bewegten Luftmassen hätte abgegriffen werden können. Die physikalischen Grundlagen dafür wurden durch einen Physiker namens Betz in den 20-er Jahren des letzten Jahrhunderts beschrieben.

Reale Windenergieanlagen haben eine begrenzte Generatorleistung und erreichen diese theoretische Maximalleistung, abzüglich gewisser Wirkungsgradverluste, nur in einem bestimmten Windgeschwindigkeitsbereich. Diese ist beispielhaft für eine Enercon Anlage im darunter liegenden Kurvenverlauf dargestellt. Bei höheren Windgeschwindigkeiten kann das theoretisch verfügbare Leistungspotential nur bis zur maximalen Generatorleistung, der Nennleistung, abgegriffen werden.

Auf der vertikalen Achse angetragen ist die Leistung in Watt pro Quadratmeter Fläche, welche von den Rotorblättern von Windenergieanlagen überstrichen wird.

Durch Aufstellung einer entsprechenden Anzahl von Windenergieanlagen kann der Windenergieertrag so eingerichtet werden, dass er im zeitlichen Mittel den Verbrauch decken oder auch übertreffen kann.

Man erkennt beim Vergleich mit der Abbildung 4, dass die verfügbare Windleistung im zeitlichen Verlauf keinen Zusammenhang mit der verbrauchten Leistung aufweist.

Man erkennt auch, dass es Zeitphasen gibt, in denen die abgegebene Leistung gegen Null geht und andere Zeitphasen, in denen die Nennleistung erreicht wird.

Verfügbare Solarleistung

Abbildung 6 zeigt beispielhaft für den Anfang des Jahres 2013 die von Solarenergieanlagen im regionalen Mittel abrufbare Leistung in Watt pro Quadratmeter Modulfläche.

Die Solarenergie steht nur während des Tages, abhängig von der Bewölkung, in Leistungspulsen entsprechend dem Sonnenstand zur Verfügung. Im Sommer sind die verfügbare Leistung und die Sonnenscheindauer erheblich höher als im Winter.

Um einen bestimmten Anteil der Stromversorgung mit Photovoltaikanlagen bereitstellen zu können, ist, abgestimmt auf den Verbrauch, über die Region verteilt eine entsprechende Solarmodulfläche aufzubauen.

Auch die verfügbare elektrische Leistung aus umgewandelter Solarstrahlung hat nichts mit den in Abbildung 4 gezeigten Verbrauchsanforderungen zu tun.

Regenerative Versorgung

In Abbildung 7 ist die Situation einer regenerativen Eigenstromversorgung des Gebietes im Großraum um den ehemaligen Truppenübungsplatz Lieberose dargestellt unter den Energiewetterbedingungen zu Anfang des Jahres 2013.

Angenommen sind ein günstiger Mix aus Wind- und Solarenergieanlagen und eine permanent verfügbare Grundversorgungsleistung aus beispielsweise Biomasse, Geothermik, Müllverbrennung und/oder Laufwasserkraftanlagen. Im Jahresdurchschnitt könnte mit diesem angenommenen Anlagenpark zur nachhaltig rein regenerativen Energieumwandlung 20% mehr Energie in Elektrizität umgewandelt werden, als tatsächlich verbraucht wird.

Alle dargestellten Leistungskurven sind bezogen auf den Jahresdurchschnittsverbrauch dieser Region (=100%).

Man erkennt, dass die regenerative Gesamterzeugung (Summe aus Grundleistung, Solarleistung und Windleistung) entweder höher oder niedriger ausfällt als der Verbrauch mit seinem typischen Tages- und Wochenverlauf.

Eine Elektrizitätsversorgung funktioniert aber nur, wenn die bereitgestellte Leistung exakt dem Verbrauch folgt.

Wenn Überschüsse nicht einfach durch Abschalten verfügbarer Erzeugungsleistung verhindert werden sollen und Defizite mit Energie aus regenerativen Quellen ausgeglichen werden sollen, dann kann das nur über Speicher erfolgen, die auf diese Anforderungen ausgelegt sind, die uns das Energiewetter vorgibt.

Energiemix und Speicherbedarf

Abbildung 8 zeigt beispielhaft bezüglich der linken Leistungsskala die Abweichung der verfügbaren Erzeugungsleistung gegenüber dem Verbrauch. Die Abweichung (Gesamterzeugung minus Verbrauch) wird als Residualleistung bezeichnet.

Bei Leistungsüberschüssen ist die Residualleistung größer als null, bei Leistungsdefiziten liegt sie unter null. Dargestellt sind die Verhältnisse, die sich bei einer regenerativen Eigenversorgung des Gebietes im Großraum um den ehemaligen Truppenübungsplatz Lieberose unter den Energiewetterbedingungen zu Anfang des Jahres 2013 eingestellt hätten. Die Residualleistung betrifft die vier unteren Kurvenzüge. Diese setzen sich zusammen aus einer angenommenen konstanten Grundversorgungsleistung, die 20% des durchschnittlichen Verbrauchs abdecken könnte und einer volatilen Einspeisung aus folgenden unterschiedlichen Zusammensetzungen:

• 100% Wind (hier meist oben liegend),
• 100% Sonne (hier im Winter meist unten liegend),
• 71% Wind und 29% Sonne - dieser Erzeugungsmix erfordert, aufsummiert über das gesamte Jahr, ein Minimum an Speicherentnahmen (dazwischen, meist etwas unterhalb liegend),
• 82% Wind und 18% Sonne - dieser Erzeugungsmix ermöglicht einen Speicher mit der kleinsten Kapazität (dazwischen, meist etwas höher liegend).

Die oberen Kurven beziehen sich auf die rechte Skala und zeigen die Speicherleerung in durchschnittlichen Tagesverbräuchen an. Dabei wurden zu 100% aufgeladene Speichersysteme (Speichervorleerung = null Tagesladungen) zu Beginn am 01. Januar angenommen.

Mit einer Tagesladung könnte der durchschnittliche Verbrauch eines vollständigen Tages gedeckt werden.

Defizite, bei Residualleistungen unter null, führen zu einer Speicherleerung (Speicherleerungskurven fallen), Überschüsse zu einer Speicheraufladung (Speicherleerungskurven steigen). Speicherwirkungsgradverluste werden dabei jeweils abgezogen.

Volle Speicher lassen sich nicht weiter aufladen. Dann verfügbare Überschüsse müssten durch Erzeugungsmanagement abgeregelt werden.

Folgende weitere Annahmen liegen dem Diagramm der Abbildung 8 zugrunde:

Durchschnittlicher Jahresverbrauch = 100%, 120% Erzeugungsvermögen, davon 20% konstante Grundleistung, 100% Rest aus Wind, Sonne oder vorteilhaftem Mix.

Als Speicher wurden im vorliegenden Fall Ringwallspeicher mit 75% Wirkungsgrad angenommen, die in der Lage wären, Überschussleistungen aufzunehmen, die bis zu 160% den durchschnittlichen Verbrauch übersteigen können. Noch höhere Erzeugungsleistungen würden im angenommenen Szenario durch Erzeugungsmanagement abgeregelt.

Langzeituntersuchungen und weitergehende Analysen zeigen, dass Speichersysteme bei einer auf Deutschland begrenzten Energiewende bei einer günstigen Erzeugungsstruktur eine Kapazität von etwa 10 bis 14 Tagesladungen erfordern.

Bei ungünstiger Erzeugungsstruktur, zum Beispiel hohen Solarenergieanteilen, kann der Speicherbedarf deutlich größer werden. Dies deutet der Speicherverlauf bei 100% solarer Erzeugung in Abbildung 8 bereits nach den vier Wochen mit nahezu 20 Tagesladungen Speicherleerung an.

Bei einer sich bis heute nicht abzeichnenden europaweiten regenerativen Versorgungsstruktur und einer leistungsstarken kontinentalen Vernetzung ließe sich der regionale Speicherbedarf auf etwa vier bis sechs Tagesladungen reduzieren.

Damit sind die Kapazitätsanforderungen an Speichersysteme einer zukünftigen, zu 100% regenerativen Stromversorgung beschrieben.