Seite 3: Speicheralternativen

Einige wichtige in der Diskussion befindliche Speicheralternativen, die in der Lage sein könnten, diese Anforderungen zu erfüllen, werden nachfolgend betrachtet.

Erdgasspeicher

Wegen des immensen Speicherbedarfs, der mit dem weiteren Ausbau der erneuerbaren Stromversorgung auf Deutschland zukommt, wird stark über Alternativen zu der bewährten und technisch ausgereiften Pumpspeichertechnik nachgedacht, mit Wasserstoff oder Methan als Energieträger.

Die im Erdgasnetz für Methan vorhandene Speicherkapazität würde ohne weiteres ausreichen, um Stromdefizite auch über die längsten Flauten hinweg ausgleichen zu können.

Erdgasspeicher in Deutschland im Jahr 2011:

• Gesamtes Speichervolumen ca. 35.000 Mio. Normkubikmeter (m³ Vn)
• Maximale Arbeitsgaskapazität ca. 20.800 Mio. Normkubikmeter (m³ Vn)
• Energiegehalt von Erdgas ca. 10 kWh/ m³ Vn = 10 GWh/Mio. m³ Vn
• Energiespeicherkapazität ca. 208 TWh
• Verstromungswirkungsgrad bei Einsatz der besten verfügbaren Technik (GuD-Kraftwerke) ca. 60%
• Stromspeicherkapazität ca. 125 TWh, das entspricht etwa
• 87 Tagesladungen des durchschnittlichen Strombedarfs Deutschlands.

Im Gegensatz zur Pumpspeichertechnik entstehen bei der Verwendung von Methan als Speichermedium erhebliche Verluste. Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas und lässt sich künstlich herstellen. Allerdings steckt die Entwicklung der dazu erforderlichen großtechnischen Systeme noch in den Kinderschuhen.

Problematik dieser Technologien ist der geringe Wirkungsgrad bei der Umwandlungskette:

Strom => Gas => gespeicherter Zustand => Strom.

Die Wirkungsgradkette liegt unter 40% und erreicht bis heute keine 30%.

Mehr als die 2 ½-fache Energie muss aus regenerativen Energiekreisläufen in Elektrizität umgewandelt werden, als nach dem Speichern als Elektrizität wieder abgerufen werden kann.

Obwohl kostengünstige und mit ausreichender Kapazität verfügbare Speicherräume kein Problem wären, erfordert dieses Konzept einen erheblichen Mehraufwand für Energieumwandlungsanlagen, die allein dazu benötigt werden, die auftretenden Speicherverluste auszugleichen.

Trotz dieser Wirkungsgradproblematik erscheint es technisch umsetzbar, eine so strukturierte regenerative Stromversorgung zu realisieren.

Druckluftspeicher

Druckluftspeicher nutzen, wie die Erdgaskavernen, unterirdische Hohlräume zur Speicherung komprimierter Luft.

Die Luft erwärmt sich beim Komprimieren auf die dabei angewandten Drücke von 60 bar und höher auf über 600 °C.

Bei dieser Temperatur kann sie nicht einfach in Kavernen gespeichert werden und muss vorher abgekühlt werden.

Geschieht die Abkühlung über einen Wärmespeicher, dann kann die dabei abgegebene Wärmeenergie beim Entladen des Druckluftspeichers zum Teil wieder an die ausströmende Luft zurückübertragen werden.

Damit lassen sich Wirkungsgrade um 70% erreichen.

Ohne Wärmespeicher bleibt der Wirkungsgrad unter 50%.

Wärmespeicher für die dabei auftretenden Drücke und Temperaturen in Verbindung mit der großen erforderlichen Kapazität sind technisches Neuland und Gegenstand laufender Forschungen. Ein Durchbruch bei diesen Forschungen steht aktuell nicht in Aussicht.

Bei einem bedeutenden Ausbau dieser Technik könnte es zu einer Nutzungskonkurrenz bei den geeigneten Bodenformationen mit den Erdgasspeichern kommen.

Die Abfuhr des beim Ausspülen der Kavernen in großen Mengen anfallenden Salzwassers hat ökologisch unschädlich zu erfolgen.

Die Standfestigkeit der unterirdischen Kavernen ist zu beachten und kann sich auf die Langzeitstabilität des Untergrunds auswirken.

Bisher gibt es weltweit zwei Druckluftspeicherkraftwerke. Eines in den USA und eines in Norddeutschland bei Huntdorf.

Pumpspeicher

Zur Speicherung einer Kilowattstunde ist eine Tonne Wasser auf 400 Meter Höhe zu heben. Abbildung 9 zeigt das Funktionsprinzip.

Die in Deutschland existierenden Pumpspeicherkraftwerke wurden errichtet, um den Betrieb von Grundlastkraftwerken zu optimieren. In der Nacht wurde mit Stromüberschüssen Wasser nach oben gepumpt. Tagsüber bei hohem Verbrauch wurde das Wasser wieder nach unten gelassen, um die Bedarfsspitzen zu decken.

Der massive Ausbau der Photovoltaik durchkreuzt allerdings dieses früher einträgliche Geschäftsmodell und stellt ganz andere Anforderungen an Speichersysteme für eine regenerative Versorgungsstruktur.

Aufgrund dieser Entstehungsgeschichte könnte die aktuelle Pumpspeicherkapazität Deutschlands die derzeitige Stromnachfrage für gerade einmal 40 Minuten überbrücken.

Die Speicherkraftwerke in Deutschland bieten im Jahr 2015 etwa folgendes Bild:

• Kapazität ca. 40 GWh,
• Das entspricht etwa 1/36 Tagesladung des durchschnittlichen Strombedarfs Deutschlands,
• Leistung etwa 7 GW,
• Damit können etwa 10% des landesweiten Strombedarfs für rund sechs Stunden überbrückt werden.

Für eine regenerative Stromversorgung Deutschlands auf der Basis von Wind und Sonne und ohne weitere Rückgriffmöglichkeit auf fossile und nukleare Energieträger würde das bedeuten, dass im nationalen Alleingang die derzeit vorhandene Speicherkapazität auf etwa 14 Tagesladungen, entsprechend 20 Terrawattstunden zu ver-500-fachen wäre.

Die Leistung dieser Systeme müsste jedoch mit etwa 90 Gigawatt lediglich beim etwa 13-fachen von heute liegen.

Die heute in Deutschland existierenden Pumpspeicher passen damit in keiner Weise zu den Anforderungen einer regenerativen Elektrizitätsversorgung.

Bei einer sich aus heutiger Sicht leider nicht abzeichnenden optimalen europaweiten Kooperation mit leistungsstarker Vernetzung würde sich mit etwa sechs Tagesladungen und neun Terrawattstunden immer noch ein gegenüber den heute in Deutschland vorhandenen Kapazitäten etwa 200-facher Speicherbedarf ergeben.

Dieser geringere Speicherkapazitätsbedarf resultiert aus den zunehmenden statistischen Ausgleichmöglichkeiten zwischen Überschuss- und Defizitregionen, je größer das kooperierende Gesamtgebiet wird. Irgendwo in Europa gibt es immer Wind- oder Solarenergieüberschüsse.

Die notwendige Speicherkapazität pro Kopf der Bevölkerung liegt, zwischen 100 Kilowattstunden im europaweiten Verbund und 250 Kilowattstunden bei einer nationalen Lösung der regenerativen Stromversorgung. Bei diesen Angaben ist der gesamte Stromversorgungsbedarf des Landes einschließlich der Industrie berücksichtigt.

Je nach Höhenunterschied der Wasserflächen von Pumpspeichersystemen, würde das pro Einwohner Austauschvolumen zwischen 100 und 1000 Kubikmetern erfordern.

Der für die einmalige Erstbefüllung von Energiespeichersystemen erforderliche Wasserbedarf pro Person würde sich nicht um Größenordnungen vom alljährlich erforderlichen Trinkwasserverbrauch unterscheiden, der etwas unter 50 Kubikmeter pro Kopf der Bevölkerung und Jahr liegt.

Einmal aufgefüllt, bleibt das Wasser in den Pumpspeichersystemen und würde nur noch zwischen Unter- und Oberbecken auf und ab befördert. Nur die Verdunstungsverluste und bewusst herbeigeführte Entnahmen müssen beim späteren Betrieb noch ausgeglichen werden.

Ein grundsätzliches Wasserbeschaffungsproblem stellt die Füllung von Pumpspeichersystemen nicht dar.

Der Aufbau dieser Speichersysteme würde über mehrere Jahrzehnte hinweg erfolgen, weil ein relevanter Speicherbedarf erst entsteht, wenn mehr als etwa 20% der elektrischen Energie aus den volatilen Quellen Wind und Sonne kommen. Auch die Außerbetriebnahme der konventionellen Kraftwerke findet in einem kontinuierlichen, länger andauernden Prozess statt, der abgestimmt auf den Ausbau der erneuerbaren Erzeugungssysteme und die errichteten Speicherkapazitäten stattfinden wird.

Eine akute Eile zur schnellen Schaffung von Speichersystemen besteht derzeit nicht. Allerdings sollten mit Blick auf die Planungs- und Umsetzungszeiten für derartige Systeme möglichst bald Öffentlichkeitsarbeit betrieben und Rahmenbedingungen geschaffen werden, die es aus gesellschaftlicher, rechtlicher und betriebswirtschaftlicher Sicht ermöglichen, die notwendigen Prozesse in Gang zu setzen.

Bodenflächenbedarf zur Energiespeicherung

• Das Austauschvolumen eines Pumpspeicherkraftwerks muss im aufgeladenen Zustand im Oberbecken Platz finden, im entladenen Zustand im Unterbecken. Der Speicherraum muss deshalb zweimal vorgehalten werden.
• Auf einer gegebenen Fläche kann umso mehr Volumen gespeichert werden, je größer das Pegelspiel zwischen aufgeladenem und entladenem Zustand realisiert wird.

Die Kapazität geotechnischer Speichersysteme nimmt mit der vierten Potenz ihrer geometrischen Abmessungen von Länge, Breite und Höhe zu.

Eine Verdoppelung dieser Abmessungen vervierfacht die Flächen, verachtfacht die Volumen und versechzehnfacht mit dem doppelten Höhenunterschied die Speicherkapazität.

Ab einer gewissen Größe ermöglichen diese Systeme damit sehr große Speicherkapazitäten, wie sie die Energiewende erfordern wird.

Wenn Pumpspeichersysteme mit einer gegebenen Kapazität möglichst flächensparend errichtet werden sollen, dann kommt es neben der Realisierung möglichst großer Höhenunterschiede auch auf ein möglichst großes Pegelspiel in Ober- und Unterbecken zwischen dem aufgeladenen und dem entladenen Zustand an.

Die landesweit zu schaffenden Wasserflächen zur Energiespeicherung wären marginal im Vergleich zu vielen anderen Landnutzungen.

Bei einem angenommenen mittleren Höhenunterschied zwischen Ober- und Unterbecken von 200 Metern und einem Pegelspiel in den Becken von 20 Metern läge der landesweite Flächenbedarf bei 4000 Quadratkilometern oder unter 1,2% der Landesfläche.

Dieser Betrag würde sich bei einer Erhöhung des Pegelspiels auf 50 Meter reduzieren auf einen Flächenbedarf von 1600 Quadratkilometer oder weniger als 0,5% der Landesfläche.

Je nach Systemauslegung insgesamt würde der Speicherwasserflächenbedarf sogar geringer ausfallen, als beispielsweise der Flächenbedarf für den Anteil der Photovoltaik an der Stromerzeugung.