Speicher im Energiesystem

der Zukunft

Während die Speicherung fossiler Energien einigermassen einfach bewerkstelligt werden kann, ist eine unmittelbare Vorrathaltung von Elektrizität nicht möglich. Speicherlösungen für das Stromsystem brauchen wir aber dennoch, weil Produktion und Verbrauch stets ausbalanciert sein müssen. Die Stromversorgung funktioniert nur stabil, wenn Kraftwerke und Energiespeicher gleich viel Strom ins System einspeisen, wie Firmen und Haushalte verbrauchen.

Erträge an elektrischer Energie aus Wind- und Solarenergie schwanken stark – je nach Tages- und Jahreszeit. Dies sind denkbar ungünstige Voraussetzungen für eine kontinuierliche Stromversorgung. Es gilt daher, Bedarf und Produktion von Elektrizität zu entkoppeln. Eine Lösung liegt darin, entsprechende Speicherkapazitäten bereitzustellen. Hier stellt sich die Frage nach Grösse und Leistung dieser Speicher. Sollen sie Engpässe kurzfristig oder allenfalls saisonal überbrücken können? Handelt es sich um zentrale oder dezentrale Systeme?

Bezüglich dezentraler Batteriespeicher-Kapazität spricht eine Studie der ETH Zürich für die Schweiz von etwa 12 GWh, um den Bedarf im Jahr 2050 zu decken. Das entspricht rund 1,33 kWh pro Kopf der Bevölkerung.

Dynamik der Netze steigt

Mit der absehbaren Zunahme dezentral erzeugter Elektrizität wächst der Bedarf nach Speichern. Bei diesen wird eine technologische Weiterentwicklung hinsichtlich der möglichen Lade-Entlade-Zyklen stattfinden müssen. Somit wächst die Dynamik der Netze, welche die Erzeugereinheiten und dezentralen Speicher verbinden.

Das historisch gewachsene Elektrizitäts-Versorgungssystem mit seinem bereits hohen Grad an Komplexität wird sich grundlegend verändern. Der für alle sichtbare Teil der Netzinfrastruktur wie Masten, Umspannwerke, Transformatoren oder Kabel wird auch in einer mehrheitlich dezentral organisierten Welt bestehen bleiben. Im Gegensatz dazu ist die Software heute erst teils verfügbar oder muss noch entwickelt und installiert werden.

Optionen prüfen

Speichertechnologien nehmen eine Schlüsselrolle bei der Umsetzung der Energiestrategie ein. Aber sie sind nicht umsonst zu haben. Daher sollten zuerst auch Optionen geprüft werden, bereits bestehende Strukturen noch besser zu nutzen, um Speicher einsparen zu können. Hierzu zählen etwa Möglichkeiten eines überregionalen Stromaustausches oder der Förderung von Energieverbrauchsgemeinschaften und des Stromeigenverbrauchs – insbesondere zur Wärmeversorgung. Die Kopplung von Strom und Wärme mittels Power-to-Heat in Industrie, Gewerbe und Haushalt sowie die Nutzung von thermischen oder chemischen Wärmespeichern sind weitere mögliche Lösungsansätze. Für grosse Speicherkapazitäten sind insbesondere Erdwärmespeicher geeignet.

Energiemanagement-Systeme auf verschiedenen Ebenen leisten einen wichtigen Beitrag, um die bereits bestehende Infrastruktur weiter zu nutzen. Und auch die Bauweise kann mithelfen, dass weniger Speicher nötig sind. Denn die beispielsweise „bereits miteingebaute“ Bausubstanz in Form von massivem Mauerwerk oder gedämmten Wänden und Decken bietet grundsätzlich Speicherkapazität.

Energiemanagement entlastet Netze

Als Eigenverbrauch bezeichnet man jenen Anteil selbst produzierter Elektrizität, der ohne Umweg über das öffentliche Netz, direkt im eigenen Haus genutzt wird. Mit einem Energiemanagement-System lassen sich die Eigenverbrauchsquote und der Autarkiegrad merklich steigern. Das Zusammenspiel von Erzeugungs- und Verbrauchseinheiten mit Speichern läuft dabei nach bestimmten Regeln und Prioritäten ab. So geht die Waschmaschine beispielsweise dann in Betrieb, wenn viel selbst produzierter Strom verfügbar ist. Eine Batterie und ein thermischer Speicher im eigenen Haus dienen als Zwischenspeicher. Dadurch lässt sich das öffentliche Netz entlasten und Energieversorger müssen für weniger Speicherkapazität sorgen.

Die Menge macht‘s

Kleine dezentrale Speicher lassen sich zu „Schwarmspeichern“ bündeln. Bei einer Schwarmspeicher-Lösung schliessen sich viele Speichereigentümer zu einem Schwarm zusammen, teilen Energie und stellen sie teilweise dem Strommarkt zur Verfügung. Im Verbund bergen solche Kleinspeicher ein beachtliches Potenzial.

Ein Elektroauto beispielsweise kann als mobiler Speicher als Teil eines modernen Stromnetzes überschüssigen Strom aus Sonne und Wind speichern und als Kleinspeicher fürs Netz dienen. Bei 1 Mio. Elektrofahrzeugen mit durchschnittlich 40 kWh Speichervermögen ergibt sich eine Gesamtspeicherkapazität von 40 GWh.

 

Um einen Wärmespeicher mit einem Inhalt von 200 l Wasser um 50 K zu erwärmen, sind 10 kWh Energie nötig. Verfügten die rund 1,4 Mio. Wohngebäude der Schweiz über einen solchen Speicher, würde dies einer Kapazität von 14 GWh entsprechen. Zum Vergleich: Das Regelarbeitsvermögen des Stausees Grande Dixence beträgt 2 TWh pro Jahr, beziehungsweise 5 GWh pro Tag.

Bedeutung der Pumpspeicherwerke

Stauseen und Pumpspeicherkraftwerke, Druckluftspeicher, Power-to-Liquid- sowie Power-to-Gas-Anlagen bieten weitere Optionen.
Interessant ist ein Vergleich der notwendigen Speichervolumina. Lassen sich bei einem Stausee (zum Beispiel Grande Dixence) 4,3 kWh pro m3 speichern, sind es bei Methan rund 1550 kWh/m3 (200 bar). Das heisst, ein Pumpspeicherwerk wie Grand Dixence benötigt ein um den Faktor 360 grösseres Volumen, um die gleiche Energiemenge bereitzuhalten.

Muss das Schweizer Elektrizitätsnetz einen Spitzenbedarf von rund 10 GW abdecken, können Stauseekraftwerke hierzu rund 2 GW beitragen. Umgekehrt sind Pumpspeicherwerke kurzfristig in der Lage, 1,8 GW Leistung – zur Speicherung von Energie in Stauseen – umzusetzen.
Nach der Realisierung der sich im Bau, Ausbau oder in der Projektierung befindlichen Anlagen wird eine Pumpleistung von etwa 5 GW zur Verfügung stehen.

Herausforderung Zukunft

Mit der Umsetzung der Energiestrategie, die vermehrt auf erneuerbarer Energien setzt, sind die Erträge elektrischer Energie zunehmend schwieriger kalkulierbar. Falls künftig Erträge aus Wind oder Photovoltaik auch in genügendem Umfang verfügbar sind, bleibt immer noch die Aufgabe, die gewünschte Leistung zeitgerecht am Bezugsort sicherzustellen. Die hierfür erforderliche Infrastruktur in ihrer vollen Leistung und Komplexität bereitzustellen, ist eine Herausforderung und macht hohe Investitionen nötig.

Die Energiewende ist wohl kaum ohne Speicher zu schaffen. Sie helfen mit, Bedarfsschwankungen und -spitzen zu decken und bilden ein Kernelement innerhalb der künftigen Energieversorgung.


Bildquellen:
Stausee Grande Dixence: Roland Zumbuehl / https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:2004-Grande-Dixence-Stausee.jpg

Über den Autor

Lorenzo Pola

Lorenzo Pola

Leiter Handel

Lorenzo Pola arbeitet seit 2007 bei Repower und ist seit Anfang 2018 Leiter Handel. Er verantwortet das Portfoliomanagement und die Handelsaktivitäten der Repower AG und verfolgt mit grossem Interesse die Entwicklungen der Speicherkapazität im Energiesystem, die eine wichtige Rolle für die Marktintegration und Preisdefinition spielen.

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