Energiespeicherung: Mehr Stabilität für Stromnetze

Der Betrieb von Stromnetzen in Städten und Gemeinden ist oft ein Balanceakt. Netzbetreiber haben alle Hände voll damit zu tun, ein fragiles Gleichgewicht zwischen dem Stromangebot und der Nachfrage der angeschlossenen Verbraucher sicherzustellen. Auf beiden Seiten gibt es starke Schwankungen, und häufig weichen die erzeugten und die benötigten Energiemengen erheblich voneinander ab.

Ein stabiler Ausgleich im Netz ist besonders wichtig, wenn erneuerbare Ressourcen wie Wind- und Solarenergie Bestandteile des Energiemix sind. Diese Energiearten - die im Fachjargon als "variable Ressourcen" bezeichnet werden - sind von ihrer Natur her wetterabhängig: An besonders sonnigen oder windigen Tagen werden Energieüberschüsse erzielt, aber wenn sich die Wetterbedingungen ändern, kann sich das ins Gegenteil verkehren.

Zum Ausgleich der Schwankungen - und zur reibungsloseren Integration erneuerbarer Ressourcen - greifen Netzbetreiber auf Energiespeicherlösungen zurück. Anstatt bei Engpässen einfach den Anteil herkömmlicher, nicht-erneuerbarer Energiequellen zu erhöhen, gleichen sie die Stromnetze mithilfe gespeicherter Energie aus, ohne dass die Umweltbelastung steigt.

Die Energiespeicherung ist zudem ein wichtiger Aspekt der aktuellen Strategien zur Erhöhung des Anteils erneuerbarer Ressourcen. Der Aktionsplan 2020 der Europäischen Kommission, wonach 20 % des Elektrizitätsbedarfs der EU aus nachhaltigen Ressourcen gedeckt werden sollen, ist auch mit Herausforderungen an die Stabilität der Stromnetze verbunden.

Technologieüberblick

In der Praxis eignen sich nur wenige Technologien zur Energiespeicherung für einen umfangreichen Ausgleich des Netzbetriebs. Andere Technologien sind zwar vielversprechend, aber noch nicht kommerziell ausgereift. Hier ein Überblick:

Wasserkraftwerke und Pumpspeicherwerke

Pumped hydro storage (JPG)Diese derzeit am weitesten entwickelte Technik basiert darauf, dass Wasser in Anlagen auf verschiedenen Höhen gespeichert wird. Wenn im Stromnetz Elektrizität benötigt wird, wird Wasser aus dem höheren Speicher abgelassen und treibt auf seinem Weg nach unten einen Turbinengenerator an. Im Falle von Dämmen an natürlichen Gewässern kann diese Technologie hohe Leistungen erzielen. Sie eignet sich aber auch für sogenannte Pumpspeicheranlagen, wo das Wasser bei Bedarf in den höher gelegenen Speicher gepumpt wird.

Diese Systeme werden häufig kommerziell eingesetzt und speichern Druckluft in unterirdischen geologischen Formationen, beispielsweise aufgelassenen Kohlebergwerken. Wenn im Netz Elektrizität benötigt wird, wird die Luft dekomprimiert und treibt zur Stromerzeugung eine Gasturbine an.

Wasserstoffbasierte Energiesysteme

Ähnlich wie Druckluftspeicher basieren auch diese Systeme auf der Speicherung von Wasserstoff in unterirdischen Kavernen. Bei Bedarf wird der Wasserstoff mittels einer Expansionsturbine in Elektrizität umgewandelt - dieser Vorgang ist sehr effizient und verbraucht nur 2,1 % der gespeicherten Energie.

Wärmespeicherung

Viele Energieanwendungen erzeugen Wärme, die im Hinblick auf eine spätere Energieerzeugung gespeichert werden kann. Als Speichermedien können Wassertanks oder Salzschmelzen dienen, die die Restwärme aus Solaranlagen auffangen. Die gespeicherte Wärme wird zur Stromerzeugung oder - mithilfe von Rohrleitungen - zur Beheizung von Wohngebäuden eingesetzt.

Batterien

Derzeitige Batteriesysteme dienen weitgehend der kurzfristigen Stabilisierung von Stromnetzen, liefern aber nicht über längere Zeiträume Ersatzstrom. In Puerto Rico stabilisiert ein Batteriesystem das lokale Netz bis zu 15 Minuten lang mit einer Leistung von 20 MW. Zu den vielversprechenden Zukunftstechnologien gehören Zink-Brom-Durchflussbatterien sowie Lithiumionenpolymerbatterien oder Natriumionenbatterien.

Supraleitende magnetische Energiespeicher

Bei dieser effizienten und zukunftsträchtigen Technologie wird die Energie in einem Magnetfeld gespeichert, das durch eine mittels Kryotechnik gekühlte supraleitende Spule erzeugt wird. Da die Spule unter ihrer Sprungtemperatur gehalten wird, kann die Energie nur fließen, wenn die Anlage entsprechend manuell bedient wird.

Wasserkraft im Fokus

Laut der Europäischen Kommission entfallen derzeit fast 99 % der weltweiten Stromspeicherkapazität auf die Pumpspeichertechnik. Regierungen auf der ganzen Welt investieren massiv, um die Wasserkraft in ihren Energiemix aufzunehmen: Im Mai 2013 hat die chinesische Regierung grünes Licht für ein neues Wasserkraftwerk am Fluss Dadu in der Provinz Sichuan gegeben, das sich über 313 Höhenmeter erstrecken soll.

Derzeit gibt Europa in diesem Sektor den Ton an. Die drei Weltmarktführer im Bereich Wasserkraftwerke kommen aus der Europäischen Union und kontrollieren 50 % des globalen Marktes.

Die europaweit meisten Anlagen befinden sich in Deutschland, Frankreich, Italien und Spanien.

Einige der größten Wasserkraftwerke der Welt liegen in Europa, beispielsweise in Dinowig (Wales) und Isère (Frankreich) - beide können über 1 800 MW Strom erzeugen. Mittlerweile hat die EU auch das enorme Potenzial erkannt, bereits vorhandene Kraftwerke in der ganzen EU um Pumpspeicheranlagen zu erweitern.

Ausblick: Enormes Wachstumspotenzial

Der steigende Anteil erneuerbarer Energien wird auch Zuwächse bei den Stromspeicherkapazitäten erforderlich machen. Erneuerbare Energien sind bereits das am schnellsten wachsende Segment des weltweiten Strommarkts, und die Internationale Energieagentur (IEA) geht trotz schwieriger wirtschaftlicher Bedingungen von einem Wachstum von 40 % in den nächsten fünf Jahren aus.

Bis zum Jahr 2018 werden die erneuerbaren Ressourcen 25 % der weltweit erzeugten Energie ausmachen, so die IEA; dies entspricht einem Anstieg um 20 % gegenüber 2011.

Aufgrund der natürlichen Schwankungen bei den erneuerbaren Ressourcen wird zudem mehr gespeicherter Strom benötigt, um die Stromnetze in Balance zu halten: Laut der IEA werden bis zum Jahr 2050 Speicherkapazitäten zwischen 189 und 305 GW erforderlich sein, um die durch variable Energiequellen bedingten Netzinstabilitäten auszugleichen.

Dass diese Zunahme an Speicherkapazität in ganz Europa - und darüber hinaus - Realität wird, ist die Aufgabe von Erfindern, Netzbetreibern und politischen Entscheidungsträgern gleichermaßen.

Wussten Sie das?

Korba (JPG) Eine der effizientesten Lösungen zur Stabilisierung kommerzieller Stromnetze wurde im Jahr 2011 für den Europäischen Erfinderpreis nominiert: Das System zur Erkennung und Regulierung von Stromschwingungen in Stromversorgungsnetzen, für das Petr Korba und Mats Larsson von ABB Research Ltd. ein Patent erhalten haben, trägt dazu bei, Überlastungen und Stromausfälle in Gemeinden in ganz Europa zu vermeiden.

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