Heat 2 Power:
Neue Thermospeicher-Technologie []

Die Notwendigkeit von Energiespeichern

• Unzuverlässige Energieversorgung: Die Leistung von Wind- und Solaranlagen ist stark wetterabhängig. Die Leistung eines Windrads reagiert sehr empfindlich auf Änderungen der Wind­verhältnisse, sie ändert sich mit der 3. Potenz der Wind­geschwindigkeit. Bei einem Windkraftwerk stehen im Jahres­durchschnitt darum nur rund 15-20% der Nenn­leistung zur Verfügung. In rund zwei Drittel der Betriebszeit wird dieser Durchschnitts­wert nicht erreicht. Bei Windstille oder bewölktem Himmel sinkt die Energieproduktion daher drastisch, was zu Versorgungslücken führen kann
  

  Woher kommt der Strom bei einer Dunkelflaute? Solarstrom und Windkraft steuern fast keine gesicherte Leistung bei. Für die Zeiten ohne Wind- und Solarstrom braucht man zusätzliche Kraftwerke, die einspringen, um die Lücke zu füllen. Hierzu sollen Gasturbinenkraftwerke dienen, die sehr schnell hochgefahren werden können, aber nur bis ca. 30% Wirkungsgrad haben.

  2030 brauchen wir in Deutschland ca. 80 GW gesicherte Leistung aus solchen Kraftwerken. Allein die Prozessemmissionen aus Stahl-, Chemie- und Zementindustrie erfordern nach Schätzungen der Industrie (www.in4climate.nrw) zusätzlich 600 TWh zu den bereits heute benötigten 600 TWh. Unter Berücksichtigung der vorhandenen, der aus Altersgründen demnächst abzuschaltenden und der in Bau befindlichen Gaskraftwerke, bleibt bis 2030 eine Lücke von ca. 50 GW. Diese Lücke lässt sich nicht schliessen:

  • Der Bau eines Kraftwerkes dauert -ohne Genehmigungsverfahren- ca. 4 ... 7 Jahre
  • Für solche gigantischen Bauvorhaben gibt es zur Zeit keine materiellen, organisatorischen und personellen Kapazitäten
  • Die Baukosten betragen ca. 400 ... 700 EUR/kW. Da diese Anlagen nur die Lücken der Dunkelflauten füllen sollen, sind sie hochgradig unrentabel. Wer würde hier investieren?
• Netzstabilität: Die unregelmäßige Einspeisung von Strom aus erneuerbaren Quellen kann zu Netzinstabilitäten führen. Der Wegfall der grossen Schwungmassen von Generatoren und Turbinen in Kohle- und Kernkraftwerken stabilisiert die Netzfrequenz nicht mehr in dem Masse, wie es ehedem der Fall war. Durch den unbegrenzten Zubau an Photovoltaik in den letzten Jahren ist der Anteil nicht abstellbarer Kapazitäten gefährlich hoch geworden. Was passiert, wenn der Strombedarf in Deutschland – etwa an einem Feiertag- deutlich kleiner ist als die Produktion? Es droht der Zusammenbruch der Versorgung, weil die zu hohen Einspeisungen die Frequenz im Stromnetz über netzschädliche 50,2 Hz hinausschiessen lässt

  Das Stromnetz muss ständig ausgeglichen werden, um Frequenz- und Spannungsschwankungen und Stromausfälle zu vermeiden. Synchrongeneratoren von Grosskraftwerken können dagegen bei Netzfehlern auch hohe Kurzschlussströme liefern, die zur schnellen Fehlerbehebung beitragen. Sie liefern zudem Blindleistung, die zur Stabilisierung der Netzspannung notwendig ist. Erneuerbare Energien müssen oft zusätzliche Maßnahmen ergreifen, um diese Funktionen zu erfüllen.

  Energiespeicher könnten überschüssige Energie speichern und bei Bedarf wieder abgeben. Dies hilft, Spitzenlasten zu glätten und reduziert die Notwendigkeit für zusätzliche Netzkapazitäten und hilft die Schwankungen in der Einspeisung auszugleichen um die Netzstabilität zu verbessern.

  Wind und Sonne wehen beziehungsweise scheinen nicht nur zeitlich, sondern auch räumlich unterschiedlich. Es geht deshalb auch darum, kontinentweit möglichst viel Strom ständig von den Wind- / Sonnegebieten in die Flaute- / Trübgebiete zu bringen, um die Rest-Backup Kraftwerke und die fossile Rest- Stomerzeugung vor Ort so weit wie möglich zu minimieren. Andernfalls benötigt man einen erheblichen Ausbau der Netze oder dezentrale Grundlasterzeugungsanlagen. Oder Speicher.

  Laut einer Studie der Bundesnetzagentur werden die Kosten für den Netzausbau in Deutschland bis 2032 auf rund 42 Milliarden Euro geschätzt, insgesamt mindestens 150 Milliarden bis 2045
  (https://www.bundesnetzagentur.de/1007642).
  

• Flexibilisierung des Energiesystems: Um die Schwankungen auszugleichen, muss das Energiesystem flexibler gestaltet werden. Dies kann durch Lastmanagement, flexible Kraftwerke und den Einsatz von Speichern erreicht werden.

  Es ist ein fataler Irrtum, zu glauben, man könne auf Speicher noch warten, weil diese Flexibilitätsoptionen (Lastmanagement, flexible Kraftwerke) noch günstiger seien. Das Problem hat uns mit einem EE-Stromanteil von rund 50% bereits eingeholt. Es erscheint nur noch nicht akut, da es zurzeit noch genügend (fossile) Backup-Optionen gibt und der wenig technologie­offene Fokus bislang auf teure Speicher­möglichkeiten (Power-To-Gas, Batterien) gerichtet war. Gegenteilige Standpunkte basieren auf alten Annahmen, etwa, dass Gas billig sei.

• Überproduktion und Abregelung: An Tagen mit hoher Energieproduktion kann es zu einer Überproduktion kommen, die nicht vollständig genutzt werden kann. In solchen Fällen muss die Energieproduktion abgeregelt werden, was ineffizient und kostspielig ist. In Deutschland mussten im Jahr 2022 rund 8 Milliarden Kilowattstunden Strom aus erneuerbaren Energien abgeregelt werden, weil die Netze nicht in der Lage waren, den überschüssigen Strom aufzunehmen und/oder weil es keine inländischen Abnehmer gab. Dies kostete uns 4,2 Millarden Euro (Redispatch-Maßnahmen, Einspeisemanagement, Bereitstellung von Reservekraftwerken und Systemdienstleistungen wie Spannunghaltung, Frequenzregelung).
  
  
  Entwicklung des Gesamtvolumens der Redispatchmassnahmen im deutschen Übertragungsnetz
  (Einspeisereduzierungen und -erhöhungen von konventionellen Markt- und Netzreservekraftwerken).
  

  An gewissen Tagen mit sehr hoher Energie­erzeugung führt die Abregelung an der Strombörse zu Negativ­preisen, mit denen der Strom exportiert wird, alleine in 2020 waren es über 300 Stunden. Wir zahlen also dafür, dass im Ausland Stauseen gefüllt werden und kaufen den Strom dann auch noch teuer zurück. Es wäre also besser, diesen Strom speichern zu können.

  Den Eindruck, den man beim Anblick von Windrädern oft hat, täuscht also nicht: Sie stehen tatsächlich still.

Vor- und Nachteile von Energiespeichern

Welche Art von Energiespeicher brauchen wir wirklich?

Die goldene Mitte

Erneuerbare Stromerzeugung und Verbrauch für 2021 zur Veranschaulichung wöchentlicher und saisonaler Schwankungen.

Erneuerbare Stromerzeugung und Verbrauch über 10 Tage, beispielhaft im April 2022, zur Veranschaulichung tageszeitlicher Schwankungen.

Wasser­kraft	Photo­voltaik	Bio­masse
Wind Onshore	Wind Offshore	Lastverlauf

Die waagerechten gestrichelten Linien zeigen von oben nach unten:
1. Maximalleistung, 2. Durchschnittsleistung, 3. Grundlast (gesicherte Mindestleistung).

Quelle: https://www.agora-energiewende.de/

• Die EE-Stromproduktionen aus Solarenergie und Windkraft schwanken stark das ganze Jahr über. Im Sommer dominiert Solar­energie, im Winter Windkraft, so dass sich die kumulierten Schwankungen der EE-Stromerzeugung relativ gleich­mässig über das ganze Jahr verteilen. Sie weisen haupt­sächlich einen wöchentlichen (entsprechend der typischen Dauer einer Hochdruck- oder Tiefdruck­wetterlage) und einen täglichen Rhythmus (entsprechend der Sonnen­einstrahlung) auf.
• Der Strombedarf ("Last") weist die grössten Schwankungen im wöchentlichen und im tages­zeitlichen Rhythmus auf. Diese sind unverkennbar grösser als die jahres­zeitlichen. Glücklicherweise fallen die Peaks der Solarstrom­erzeugung zu Zeiten an, wenn der Bedarf besonders hoch ist.
• Die Differenz zwischen der im Stromnetz nachgefragten Leistung ("Last") und der fluktuierenden Einspeisung von wetter­abhängigen Erzeugern wie Windkraft- oder Photovoltaik­anlagen (der weisse Bereich unterhalb der Lastkurve) wird als Residual­last bezeichnet, die durch konventionelle Anlagen oder Neubau von Windrädern und Photovoltaik­anlagen bereitgestellt werden müsste.

  Wenn eines Tages ausreichend Windkraft- oder Photovoltaik­anlagen zur Verfügung stehen, könnte der heute noch weiss dargestellte Bereich durch geglättete, das heisst zwischen­gespeicherte, Energie ausgefüllt werden. Dies betrifft vor allem die Minima-Bereiche zwischen den Spitzen.

  Bis dato ist geplant, diese Lücke durch Gaskraftwerke zu füllen. Gaskraftwerke würden nach Beendigung des Ausbaus von Windkraft- und Solaranlagen nur bei Dunkelflauten einspringen. Sie müssten daher aber so gross dimensioniert sein, dass sie die geamte EE-Erzeugung ersetzten könnten.

• Das heisst aber auch, man sollte sich nicht mit der installierten Gesamtleistung brüsten. Alles was oberhalb der Durchschnitts­leistung erzeugt wird, gehört in einen Speicher zur Sicherstellung einer Grundlast. Der einzige relevante Wert ist daher die Durchschnitts­leistung.

  Einwand: Ist es nicht günstiger, den kompletten Strom aus EE-Erzeugung direkt zu verbrauchen, anstatt ihn zum Teil zu speichern und mit Verlusten zurück zu verstromen?
  Antwort: Nein! Denn im Falle einer Dunkelflaute oder bei Zeiten mit wenig Stromproduktion, müssten andere Kraftwerke einspringen. Diese müssten also für sehr hohe Leistungen ausgelegt sein und man würde die Umwandlungs­verluste nur verschieben von der EE-Rückverstromung zu den Gaskraftwerken. Man muss die Speicher immer geladen halten. Wenn sie leer sind, wäre der Bedarf an Gas und Gaskraftwerks­kapazitäten bei Dunkel­flauten sehr hoch.

  Es wäre insgesamt besser, wirkungsgrad­optimierte Grundlast­kraftwerke zu haben, darüberhinaus EE-Stromproduktion, die durch Glättung und Zwischen­speicherung auch Grundlast­charakter hat, und schliesslich, für Spitzen­leistung nur vergleichsweise geringe Grundlastkraftwerks­kapazitäten. Diese könnten dann kontinuierlich betrieben werden und während Zeiten mit gleichzeitig ausreichender EE-Erzeugung Methan oder Wasserstoff erzeugen, um auf diese Weise Stillstands­zeiten zu vermeiden.

Power-To-Gas ist keine Universal-Lösung

• Wenn man die Leistung oberhalb der Durchschnittsleistung zur Erzeugung von Methan verwenden möchte, bedeutete dies, dass diese Anlagen hohe Stillstands­zeiten haben und ein Investment lohnt sich nicht. Man müsste sie aber dennoch für grosse Leistungen auslegen oder die Peaks der Strom­erzeugung verwerfen. Man braucht Standorte mit stetig viel Wind oder viel Sonne.
• Die Mehrfachumwandlung beim Power-to-Gas Verfahren führt zusätzlich zu hohen Verlusten beim ursprünglich eingesetzten Strom. Es verbleibt ein Gesamt­wirkungsgrad von unter 30%. Oft wird suggeriert, man könne die schlechten Wirkungs­grade im „Power-To-Gas-To-Power“ Prozess durch Abwärme­nutzung verbessern. Es wird dabei unter­schlagen, dass diese Abwärme einen Grossteil des Jahres nicht zur Verfügung steht, weil diese Anlagen mangels über­flüssigen Windes still stehen.
  
  

  Erneuerbare Energien	100%
  Transformator und Gleichricher (η = 95%)
  	95%
  Elekrolyse (η = ca. 75%)
  	70 ... 72%
  Methanisierung (η = 80%)
  	56 ... 60%
  Verdichter, Speicher (η = 98%)
  	55 ... 58%
  Transport (η = 99%)
  	55 ... 57%

  
  
  

  Gas To Power: GuD, Brennstoffzelle (η = 50%) Verbleibende Energie 28 ... 29%	Gas To Power: Gasmotor, Gasturbine (η = 35%) Verbleibende Energie 19 ... 20%

• Eine Kraft-Wärme-Kopplung zur Steigerung des Wirkungsgrades macht überwiegend im Winter Sinn. Sonst eher nicht. Es ist allgemein problematisch, Abnehmer für Wärme in Anlagennähe zu finden. Wir brauchen darum in erster Linie Speicher für Strom.
• Eine Verarbeitung zu nutzbarem Methanol oder Methan direkt bei der Wind- oder Solar­anlage ist wegen der hohen Kosten und Kompliziertheit der Produktions­anlagen so gut wie ausgeschlossen. Man müsste das Methan auch vorort einsammeln, das heisst, Gasnetze zu jeder Erzeugungs­stätte legen. Dezentrale, regenerative Erzeugung benötigt langfristig auch dezentrale Strukturen zur Speicherung und Netzstabilisierung.
• Selbst Befürworter der Power-To-Gas-Technologie sehen frühestens ab 2030 die Möglichkeit, dass Power-To-Gas wettbewerbs­fähig wird.
• Woher kommt all das für den Methanisierungsprozess benötigte CO₂, wenn die fossilen Kraftwerke abgeschaltet werden? Dies muss zusätzlich in die Kosten-, Energie- und Wirkungsgrad­bilanz mit eingerechnet werden.
• Darüber hinaus sind die Power-to-Gas-Anlagen weder klima­freundlich noch nachhaltig. Methan hat eine deutlich stärkere klima­schädigende Wirkung als Kohlenstoff­dioxid.

So funktioniert "Power-To-Heat-To-Power"

Warum "Power-To-Heat-To-Power"?

• Die vorhandenen Techniken zur Stromspeicherung sind insgesamt zu teuer, zu ineffizient, rohstoffintensiv und/oder im grossen Massstab nicht zu realisieren.
• Mit "Power To Heat To Power" lassen sich Wirkungsgrade der Rückverstromung in einer Wärme­kraft­maschine von bis zu 50% erzielen.
• Wärmespeicher zeichnen sich zwar nicht durch eine besonders hohe Energiespeicherdichte aus. Ihre wichtigsten Vorzüge sind vielmehr ihr niedriger Preis, Speicher­wirkungsgrade um die 90%, hohe Zyklen­festigkeit und Ressourcen­genügsamkeit.
• Interessant an der Technologie ist, dass bestehende Solar(thermische) Kraftwerke oder Windkraft­anlagen mit überschaubarem Aufwand mit Wärme­speichern für "Power-To-Heat-To-Power" nachgerüstet werden können.
• Hochtemperaturspeicher sind kostengünstig skalierbar.
• Die Netze sind nicht für die starken Schwankungen der volatilen Energie­erzeugung geeignet. Je weniger dezentrale Speicher­möglichkeiten vorhanden sind, desto mehr muss in die Netze investiert werden. Dies ist nur kosten­günstiger, wenn man sich auf Power-To-Gas und Batteriespeicher fixiert.