100% erneuerbare Energien: Ist die Speicherung der erneuerbaren Energien im großen Maßstab möglich?

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Aktualisiert am: 14 Dec 2020

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Erneuerbare Energien werden wahrscheinlich sehr beliebt

Mittlerweile kannst du den Satz "Die Sonne scheint nicht immer und auch der Wind weht nicht immer" wahrscheinlich nicht mehr lesen. Uns geht es genauso. Aber leider ist das ein echtes Problem.

Die Energiespeicherung ist eine Herausforderung. Wir brauchen die Zwischenspeicherung, da das Stromnetz so konstruiert ist, dass die erzeugte Energie in Echtzeit konsumiert wird. Man kann sich das wie folgt vorstellen: Wenn jemand zuhause eine Lampe anschaltet, muss irgendwo ein Kraftwerk seine Leistung ein wenig erhöhen .

Energiespeicherung: Warum und wie?

Um eine grobe Idee zu bekommen, können wir die Energiespeicherung der Dauer nach in drei Kategorien einteilen :

  1. Kategorie 1: Sekunden - Minuten: Dieser Speicher wird abgerufen, wenn eine Wolke vorübergehend die Sonne bedeckt oder wenn eine unerwartet hohe Nachfrage plötzlich auftritt. Die Wissenschaft spricht auch von "load balancing" (auf Deutsch: "Ladung balancieren").
  2. Kategorie 2: Stunden - Tage: Dieser Speichertyp erlaubt es die an sonnigen oder windigen Tagen generierte Energie länger zu speichern. Will man beispielsweise die am Tag erzeugte Solarenergie auch in der Nacht in das Stromnetz einspeisen, so kommt dieser Speichertyp zum Einsatz. Wir sprechen auch von dem "bulk storage" (auf Deutsch: Speicherung in großen Mengen).
  3. Kategorie 3: Wochen - Monate: Dieser Langzeitspeicher kommt zur Kompensation der Jahreszeiten zum Einsatz. Im Sommer wird selbstredend weniger Solarstrom als im Winter erzeugt (außer die Panele befinden sich nahe des Äquators).

Es gibt klar definierte Anforderungen an die Speichertypen :

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Anforderungen an die Speicher

Kategorie 1 Speicher (einfach)

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Strombedarf von Kalifornien am 7. Mai 2020

Der eingerahmte Bereich zeigt die (oft unerwartete) Schwankungen im Strombedarf, welche durch Kategorie 1 Speicher ausgeglichen werden müssen. Kategorie 1 Speicher können heute bereits mit verschiedenen Arten von Batterien realisiert werden .

Die heutigen Batterien sind hervorragende Sprinter. Allerdings benötigen wir Marathonläufer für Kategorie 2 und 3 Speicher . Im Detail benötigen wir:

  1. Hohe Skalierbarkeit (Verfügbarkeit von Materialien und Raum)
  2. Relativ geringe Kosten
  3. Die Fähigkeit, die Ladung lange genug zu speichern

Level-2-Speicher (schwierig)

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Warum wir Energiespeicherung über einige Stunden benötigen

Solarpanele produzieren den meisten Strom am Tag, die höchste Nachfrage der Haushalte findet jedoch gegen Abend statt . Level-2-Speicher können dabei helfen, den gegen Mittag (wenn die Sonne scheint) produzierten Strom auch am Abend nutzen zu können.

Behielte man einen Teil der CO₂-freien Kernkraftwerke am Netz, so bräuchte man weniger Speicherkapazität, da die Nachfragehochs abgemildert würden .

Weiterhin könnte man in Zeiten hoher Nachfrage steuerbare Energiequellen, wie Wasserkraft und Erdgas (ein fossiler Brennstoff), einsetzen. Dadurch wäre es möglich, etwa 90 % saubere Energie und 10 % Gas im Strommix zu haben und gleichzeitig nur geringe Speicherkapazitäten vorhalten zu müssen .

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Warum Grundlastkraftwerke und regelbare Energieträger helfen

Level-3-Speicher (sehr schwierig)

Die notwendige Speicherkapazität hängt davon ab, wo wir uns auf der Erde befinden. Als Faustregel gilt: Je weiter weg vom Äquator, desto stärker schwankt die Intensität der Sonne zwischen den Jahreszeiten . Dadurch wird natürlich die Energieausbeute beeinflusst.

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Der Bedarf an saisonalen Energiespeicher hängt davon ab, wo man sich befindet

Eine Lösung für Level-2- und Level-3-Speicher?

Schauen wir uns mal die Alternativen zu Batterien und Wasserstoffen an (wir erinnern uns: Aufladen bedeutet Energie zuführen und Entladen bedeutet Energie heraus bekommen).

  1. Pumpspeicherkraftwerk: Um Energie zu erzeugen, pumpt man Wasser in ein Speicherbecken auf einem Hügel. Will man die Energie zurückgewinnen, lässt man es zurück durch eine Turbine fließen .
  2. Flüssigbatterien: Ähnlich zu normalen Batterien, aber die Kathode und Anode sind Flüssigkeiten .
  3. Wärmespeicher: Energie wird gespeichert, indem man eine Substanz erwärmt und gleichzeitig eine andere abkühlt. Der Temperaturunterschied kann dann bei Bedarf zum Antrieb einer Turbine genutzt werden .
  4. Kryogene Energiespeicherung: Man kühlt und komprimiert Luft bis sie sich verflüssigt. Die flüssige Luft kann dann in einem Tank gelagert werden. Beim Auftauen entsteht ein starker Druck, der mittels einer Turbine in Strom umgewandelt werden kann .
  5. Druckluftspeicherkraftwerk (CAES): Das Laden erfolgt hier durch Komprimierung der Luft, die dann unterirdisch gelagert wird. Das Entladen funktioniert durch Dekomprimieren und Umwandlung mittels einer Turbine. Der Vorgang verläuft also analog zur kyrogenen Speicherung, doch die Luft wird weniger stark komprimiert .
  6. Schwungräder: Man versetzt ein sehr großes und schweres Rad in schnelle Rotation. Die Rotationsenergie kann dann in Wärme oder Strom umgewandelt werden .

Wir werden kurz erläutern, wie diese funktionieren, und anschließend ein Fazit ziehen.

1. Pumpspeicherkraftwerk

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Pumpspeicherkraftwerk

Aktuell findet 97 % Energiespeicherung mittels Pumpspeicherwerken statt . Bei einer geeigneten Landschaft sind diese vergleichsweise günstig und die Energie kann für lange Zeit zwischengespeichert werden .

Pumpspeicherwerke sind von Wasserkraftwerken zu unterscheiden. Letztere nutzen einen Fluss, um Energie zu erzeugen. Pumpspeicherwerke brauchen keinen Fluss.

Aber ähnlich wie bei Wasserkraft gibt es beim Einsatz von Pumpspeicherwerken einige Probleme. Einige Länder haben schlicht nicht genügend Berge, um diese Form der Energiespeicherung zu nutzen (schließlich muss ja das Wasser irgendwo hoch gepumpt werden). Und selbst dort, wo ein Pumpspeicherwerk gebaut werden kann, muss viel Landfläche geflutet werden , was wiederum signifikante Mengen Methan (CH₄) emittiert .

Nichtsdestotrotz sollten Pumpspeicherwerke dort zum Einsatz kommen, wo dies halbwegs umweltverträglich geschehen kann . Schlussendlich müssen die Nachteile gegen die Alternative, das Verbrennen von Kohle und Gas, abgewogen werden.

2. Flüssigbatterien

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Flüssigbatterie

Flüssigbatterien verwenden - wie der Name bereits sagt - flüssige Anoden und Kathoden. Obwohl die eingesetzten Materialien andere sind als bei den weiterverbreiteten Lithium-Ionen-Akkus (die normalen bekannten Batterien), funktionieren sie nach dem gleichen Prinzip :

  1. Bei Aufladen werden Elektronen von der Kathode zur Anode bewegt.
  2. Der Entladevorgang verläuft genau umgekehrt.

Flüssigbatterien haben einige Vorteile gegenüber herkömmlichen Akkus:

  • Die Speicherkapazität (Tankgröße) und die Leistung (Elektrodenfläche) sind voneinander unabhängig . Braucht man mehr Kapazität, macht man den Tank größer. Für mehr Leistung wird einfach der Anoden- und Kathodenquerschnitt erhöht.
  • Potenziell längere Lebensdauer .

3. Wärmespeicher

Wir können elektrische in Wärmeenergie mit einem Wirkungsgrad nahe 100% umwandeln . Die Hitze kann dann für einige Stunden gespeichert werden . Anschließend kann daraus mittels einer Turbine Strom erzeugt werden .

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Wärmepumpe zur thermischen Speicherung mit geschmolzenem Salz und gekühlter Flüssigkeit

Eine möglicherweise effizientere Art, thermische Energiespeicherung zu betreiben, ist vom Prinzip des Kühlschranks inspiriert. Dieser benutzt elektrische Energie, um sein Inneres abzukühlen und Wärme an die Umgebung abzugeben. Das geschieht mit einer sogenannten Wärmepumpe .

Bei der Speicherung von Energie im industriellen Maßstab kühlt man eine Flüssigkeit und schmelzt gleichzeitig ein Salz . Das kommt dir vielleicht bereits aus dem Kapitel über Kernkraftwerke bekannt vor!

Das Gegenstück zur Wärmepumpe ist die Wärmekraftmaschine . Mit dieser kann die erzeugte Temperaturdifferenz zwischen Flüssigkeit und Salz in elektrische Energie umgewandelt werden.

4. Komprimierte Luft - günstig und umweltfreundlich?

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Druckluft-Energiespeicher

Bei dieser Form der Energiespeicherung presst man Luft mit hohem Druck in ein unterirdisches Reservoir. Lässt man sie wieder entweichen, kann man mit der Luft eine Turbine antreiben .

Selbstverständlich brauch man für den Druckluft-Energiespeicher große (und vor allem dichte) unterirdische Reservoirs . Nicht jede Höhle ist dafür geeignet . Es gibt zwar viele Regionen, in denen man prinzipiell diesen Mechanismus einsetzen könnte, aber es ist unklar, ob die Kapazitäten für den Bedarf von Level-2- und Level-3-Speicher ausreichen .

Bisher gibt es weltweit nur zwei Druckluft-Energiespeicher obwohl die Technolgie bereits seit den 40er Jahren bekannt ist .

5. Flüssige Luft

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Kryogene Energiespeicherung

Um Luft zu verflüssigen, muss sie komprimiert und stark gekühlt werden. Die flüssige Luft kann dann in einem Tank gelagert werden. Zur Rückgewinnung der elektrischen Energie lässt man die Luft wieder verdampfen und treibt damit eine Turbine an .

6. Schwungräder - drehen, drehen, drehen

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Schwungradspeicher

Wir können Energie speichern, indem wir ein Schwungrad im Vakuum mit hoher Geschwindigkeit rotieren lassen .

Indem man die Geschwindigkeit des Schwungrads erhöht oder senkt, kann man Energie speichern bzw. zurückgewinnen. Da das nahezu ohne Verzögerung geschehen kann, ist diese Speicherform besonders für Level-1-Speicher geeignet . Leider sind Schwungradspeicher viel teurer als die anderen Technologien .

Der entscheidende Faktor sind die Kosten

Schauen wir uns mal die Zahlen für ein Industrieland wie die USA an. Dort werden 3,95 PWh Elektrizität im Jahr verbraucht . Das entspricht 12 MWh pro Person pro Jahr. Dividieren diese Zahl mit 365, so erhalten wir einen täglichen Stromverbrauch von 32 kWh pro Person. Eine kWh kostet im Schnitt 0,18$ .

Wir benutzen die folgende Gleichung:

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Kostengleichung für Energiespeicher

Die Gesamtkosten für den Speicher müssen den Wirkungsgrad berücksichtigen. Die Umwandlungen zwischen den Energieformen verläuft für gewöhnlich nicht verlustfrei. Wir müssen daher zusätzlichen Strom produzieren, was natürlich neue Kosten verursacht.

Die Preise für den Energiespeicher schwanken regional und zwischen den Anbietern . Die 150$/kWh, die wir vorher verwendet haben, sind lediglich die reinen Produktionskosten. Man muss natürlich auch den Gewinn des Produzenten, die Aufwendungen für Forschung und Entwicklung sowie die Installation vor Ort berücksichtigen. So hat beispielsweise Tesla unlängst eine riesige Batterie-Einheit, die in der Produktion 150$/kWh gekostet hat, an einen Windpark-Betreiber für 511$/kWh verkauft.

Im Schnitt erwartet man Kosten von etwas weniger als $350/kWh . Setzen wir das ein, so erhalten wir:

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Stromgestehungskosten für Batterien (pro Jahr)

Wir haben das mal für alle Technologien, die wir im Detail betrachtet haben, durchgerechnet (wir führen je zwei Typen von Lithium-Ionen-Akkus (NCA sowie LTO) und Flüssigbatterien auf).

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Bewertung aller Energiespeichertechnologien

Ist also eine davon günstig genug?

Experten glauben, dass es notwendig ist, die Kosten auf 20$/kWh zu senken, um Energiespeichertechnologien großflächig und im industriellen Maßstab wirtschaftlich einzusetzen .

Deswegen brauchen wir Innovation und staatliche Förderung . Es wird prognostiziert, dass Flüssigbatterien 2030 zwei Drittel weniger kosten bei gleichzeitig längerer Lebensdauer und höherem Wirkungsgrad .

Es wäre unklug, sich bei der Lösung eines offenen Problems auf eine Technologie zu versteifen. Daher ist es wichtig, dass Unternehmen, Forschung in verschiedene Richtungen finanzieren .

Am Ende ist es wahrscheinlich, dass mehrere Technologien notwendig sind, um Speicherkapazitäten, die an die regionalen geographischen, klimatischen und wirtschaftlichen Gegebenheiten angepasst sind, bereitzustellen .

Eins ist klar: Ein Strommix mit nahezu 100% erneuerbaren Energien ist nur mit günstigen und skalierbaren Speichertechnologien möglich .

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