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Save the Date: 6. Juli - Jahrestagung „Sektorenkopplung im digitalen Industrieland NRW“

Broschüre: Sektorenkopplung in Nordrhein-Westfalen

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Handlungsempfehlungen für NRW zu den Themen Netze und Speicher.

Handlungsempfehlungen für NRW

ttp://www.energieagentur.nrw/systemtransformation/sektorenkopplung_im_digitalen_industrieland_nrw
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Information

Speichertechnologien

Um auf die zunehmend komplexeren Rahmenbedingungen zu reagieren, müssen in Zukunft neben dem klassischen Netzausbau weitere planbar einsetzbare Stromerzeuger zur Back-up-Versorgung in das Energieversorgungssystem integriert werden. Bereits heute steht eine Vielzahl an Energiespeichertechnologien zur Verfügung. Je nach Einsatzbereich und Bedarf sind die Anforderungen an die Speicher sehr variabel. Sie unterscheiden sich grundlegend durch ihr Wirkungsprinzip und der damit verbundenen Kapazität (Speichervolumen) und Leistung (Ein-/Ausspeicherleistung).

Inhalt

Elektrische Speicherung

Doppelschichtkondensatoren und  supraleitende Magnetspeicher (SMES) dienen im Bereich der Kurzzeitspeicherung zum Ausgleich von Kleinstschwankungen und zur Verbesserung der Stromqualität. Sie besitzen die Fähigkeit Energie ohne Umwandlung direkt speichern zu können.

Elektrische Speicherung - Doppelschichtkondensator



Kondensatoren können kurzzeitig sehr hohe Mengen an Energie aufnehmen und speichern. Bei einem Doppelschichtkondensator, auch Supercap genannt, wird elektrische Energie durch Ladungstrennung auf zwei Elektroden im elektrischen Feld gespeichert. Innerhalb dieser sich gegenüberliegenden elektrisch leitfähigen Schichten wird, durch eine nichtleitende Schicht getrennt, Spannung erzeugt. Die im ungeladenen Zustand gleichmäßig in einem Elektrolyt verteilten Ionen wandern beim Anlegen von Spannung aufgrund ihrer Polarität an die jeweils entgegengesetzt geladene Elektrode. Hier richten sie sich mit spiegelbildlicher Ladungsverteilung entlang der Elektrode an und bilden eine Doppelschicht. Beim Isolieren, gemeint ist das Entfernen der Stromquelle, verbleiben die Ionen in ihrer Position. Durch die Isolierung wird elektrische Energie sozusagen gespeichert, da die Ladung im Kondensator erhalten bleibt. Beim Entladen sinkt auch die Spannung im Kondensator.

Der wichtigste Vorteil dieser Speichertechnologie ist die Fähigkeit, Energie direkt und ohne Umwandlung zu speichern. Hieraus resultiert ein sehr hoher Wirkungsgrad von 98 bis 100 Prozent. Doppelschichtkondensatoren haben zudem eine nahezu unendlich große Zyklenfestigkeit. Zwar ist die Energiedichte geringer als bei Batterien, dafür besitzen sie aber eine wesentlich höhere Leistungsdichte.

Aufgrund der schnellen Ladezeit und dem geringen Abnutzungsgrad kommen Supercaps vor allem im Bereich der Mobilität zum Einsatz. Ebenso tragen sie in bedeutendem Maße zur Versorgungssicherheit bei.

Als nachteilig kann die hohe Selbstentladung empfunden werden, rund 10 bis 15 Prozent pro Tag. Daher eignet sich der Kondensator nicht als Langzeitspeicher.

Elektrische Speicherung - Supraleitender magnetischer Energiespeicher (SMES)

SMES bieten die Möglichkeit in kürzester Zeit (mS) eine sehr hohe Energiedichte ohne weitere Energieumwandlung zur Verfügung stellen zu können. Das Funktionsprinzip des SMES beruht auf Energiespeicherung im Magnetfeld einer Spule. Der elektrische Widerstand der Spule bestimmt die Länge und den Energieaufwand der Stromspeicherung. Sind die Spulen etwa supraleitend ausgelegt, kann bei unterhalb einer bestimmten vom Material abhängigen kritischen Temperatur einmal zugeführter Strom grundsätzlich unendlich lange fließen, da nahezu kein elektrischer Widerstand vorhanden ist.

Derzeit dienen SMES vor allem dem kurzfristigen Netzausgleich, zur Netzstabilisierung und zum Erhalt der Spannungsqualität. Des Weiteren kommen sie bei der Leistungsmodulation und der Lastkompensation zur Anwendung. Insbesondere die Reaktionszeiten im Bereich von Millisekunden, sowie hohe Leistungsdichten sind hierfür ausschlaggebend.

Nachteil ist, dass zum Erreichen der kritischen Temperatur eine Kühlung von unter -200°C benötigt wird. Das schmälert denn auch den ansonsten sehr guten Wirkungsgrad von 90 bis 95 Prozent. Je nach Größe des Clusters kann derzeit eine Leistung von bis zu 10 MW erreicht werden. Sie stellen bislang keine Option für einen breiten Einsatz als Stromspeicher oder Bereitsteller von Spitzenleistung dar.

Mechanische Speicherung

Mechanische Speicher dienen der effizienten Energiespeicherung und zählen zu den klassischen Speicherformen. Sie unterteilen sich in die drei Varianten Pumpspeicherwerke, Druckluftspeicher und Schwungmassespeicher. Pumpspeicherkraftwerke spielen aufgrund ihrer hohen Speicherkapazität und möglichen Wirkungsgraden von bis zu 80 Prozent bislang eine wichtige Rolle. Ihre Bedeutung wird im Zuge der Energiewende auch noch zunehmen.

Mechanische Speicherung – Pumpspeicherkraftwerke

Pumpspeicherkraftwerke stellen derzeit mit einem Anteil von >99 Prozent den weltweit bedeutendsten Energiespeichertyp im elektrischen Versorgungsnetz dar. Unter energiewirtschaftlichen Gesichtspunkten gehören sie zu den Spitzenlastkraftwerken und aufgrund ihrer Leistung (bis 1.000 MW) zu den Großwasserkraftanlagen.

Die Speicherung von elektrischer Energie wird folgendermaßen erzielt:  Durch das Pumpen von Wasser aus dem Unterwasser- in das Oberwasserbecken wird elektrische Energie in Form von potentieller Energie gespeichert. Der Abruf der gespeicherten Energie erfolgt, indem das Speichermedium Wasser aus dem Oberwasserbecken in das tiefer liegende Unterwasserbecken abgelassen wird. Hierbei wird anhand einer Turbine ein Generator angetrieben, der die in der Turbine erzeugte mechanische in elektrische Energie umwandelt.

Vorzugsweise werden Standorte in Hinblick auf die Größe der Speicherreservoire, Höhenunterschied, nach der kürzestmöglichen Länge des Triebwasserweges und Versorgungszentren gewählt. Allgemein kann man für Pumpspeicherkraftwerke von Gesamtwirkungsgraden von 70 bis 80 Prozent ausgehen. Im Gegensatz zu anderen Speicherformen  hat die Speicherdauer keinen Einfluss auf den Wirkungsgrad des Gesamtsystems.

Ursprünglich wurden Pumpspeicherkraftwerke mehrheitlich zum Ausgleich zwischen Spitzen- und Grundlast (Nachtstromspeicher) verwendet. In den letzten Jahren rückte jedoch ihre Fähigkeit zur Schwarzstartfähigkeit (kurze Anlaufzeiten von 1-2 Minuten bis zum Erreichen der Nennleistung) immer mehr in den Vordergrund. Inzwischen sind Pumpspeicherkraftwerke verstärkt Regelenergieleister. Vor allem zur Bereitstellung von Spitzenlaststrom und zur Stabilisierung des Netzes bei unerwarteten Schwankungen im Stromverbrauch kommen sie zur Anwendung.

Obwohl die Technologie für Pumpspeicherkraftwerke schon als weit ausgereift gilt, sind dennoch Entwicklungsmöglichkeiten vorhanden. Beispielsweise wird in Japan statt Süßwasser bereits Salzwasser in Pumpspeicherkraftwerken eingesetzt, um die Höhenunterschiede an Steilküsten zu nutzen. Die unkonventionelle Pumpspeichernutzung in stillgelegten Bergbaustandorten ist eine weitere mögliche Alternative, die vor allem für NRW angedacht wird.

Mechanische Speicherung – Druckluftspeicher

Eine weitere Methode der mechanischen Energieerzeugung stellt die Druckluftspeicherung dar. Hierbei wird Luft mittels regenerativ erzeugten Stroms unter hohem Druck in unterirdische Hohlräume gepresst. Bei Bedarf wird diese über eine Turbine in Strom rückgewandelt.

Mithilfe von Druckluftspeicherkraftwerke (CAES, compressed air energy storage) können  große Energiemengen gespeichert werden. Charakteristisch für CAES-Kraftwerke sind unterirdische Druckluftspeicher in Salzkavernen. Bislang werden von diesem Kraftwerkstyp zwei Anlagen betrieben, eine in Huntorf (Deutschland, errichtet 1978) und eine in McIntosch (USA, errichtet 1991). Es bestehen, im Gegensatz zu Pumpspeicherkraftwerken, für diese Technologie in Deutschland noch ausgiebige Speicherstandorte, speziell in küstennahen Regionen, die als relevante Windkraftstandorte nach einem erhöhten Speicherbedarf verlangen.

Die CAES Technologie funktioniert nach folgendem Prinzip: Luft wird mittels elektrischer Energie (Kompressor) verdichtet, gekühlt und in einem dichten Behältnis gespeichert. Bei Bedarf wird die verdichtete Luft abgerufen und direkt auf eine Gasturbine geleitet, die wiederum Strom erzeugt. Teilweise wird der verdichteten Luft zusätzlich ein Brenngas zugeführt, um den Wirkungsgrad und die Leistung der Turbine zu steigern.

Aufgrund der aufwendigen Kühlung und der späteren Erwärmung beläuft sich der Wirkungsgrad lediglich auf 40 Prozent (Huntdorf) bzw. 54 Prozent (McIntosh). Die Divergenz des Wirkungsgrades in McIntosh lässt sich auf die Nutzung der  Abwärme der Gasturbine für die Vorwärmung der Luft zurückführen. Neue Technologien, bei welchen die während der Verdichtung entstehende Abwärme zwischen-gespeichert und während des Expansionsprozesses genutzt wird, (adiabate CAES) lassen eine Wirkungsgradsteigerung auf bis zu 70 Prozent erhoffen.

In Kombination mit Windkraftanlagen bzw. -parks können CAES Prognoseabweichungen im Bereich mehrerer Stunden ausgleichen. Die Stromeinspeisung aus Windkraftanlagen wird somit besser planbar. Des Weiteren schaffen CAES zusätzliche Reserveleistung und besitzen die Fähigkeit zur Frequenz- und Spannungsregelung in Stromversorgungs-systemen. Die Energiedichte dieser Speicherverfahren ist ähnlicher der von Pumpspeicherkraftwerken vergleichsweise gering, das heißt es sind entsprechend große Speichervolumen notwendig.

Bislang umfasst der mögliche Leistungsbereich von Druckluftspeichern mehrere 100 MW. Es werden aber bereits Anlagen mit mehreren 1.000 MW geplant, die der Speicherung großer Energiemengen, bzw. der Bereitstellung großer Leistungen für Regelenergieangebote.

Die RWE AG entwickelt derzeit gemeinsam mit General Electric und dem Deutschen Zentrum für Luftfahrt ein adiabates CAES (ADELE) als Demonstrationsanlage in Staßfurt (Sachsen Anhalt). Als Pionierprojekt soll ADELE über eine Leistung von 300 MW bei einem Speichervolumen von 1.000 MWh verfügen. Der angestrebte Wirkungsgrad liegt bei 70%. Der Speicher soll sowohl zum Lastausgleich, als auch als Regelenergiekraftwerk eingesetzt werden. Der großtechnische Einsatz der Technologie soll laut Bundeswirtschaftsministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) ab 2020 möglich sein.

Die FirstGeneration Energy Corporation befindet sich derzeit in der Planungsphase des weltweit größten CAES Kraftwerk in Norton (Ohio, USA) mit einer installierten Leistung von 2.700 MW.

Mechanische Speicherung – Schwungradspeicher

Beim Schwungmassenspeicher wird Energie über Rotation in kinetische Energie umgewandelt. Hierbei drehen sich große Massen mit hohen Geschwindigkeiten. Das Schwungrad besteht aus einem Rotor, welcher sich zwischen zwei Statoren befinden. Um Reibungsverluste zu minimieren, ist die Achse in supraleitenden Magnetlagerungen luftgelagert und somit berührungsfrei.

Schwungmassenspeicher besitzen die Fähigkeit innerhalb von Millisekunden mit einer sehr hohen Energiedichte die volle Leistung zu erbringen. Zudem kann ein Wirkungsgrad von 80 bis 90 Prozent erreicht werden. Daher werden sie vorrangig zur effizienten Kurzzeitspeicherung in der unterbrechungsfreien Stromversorgung  eingesetzt. Hervorzuheben ist außerdem die Zyklenfestigkeit dieser Speichertechnologie.

Die Speicherqualität eines Schwungmassenspeichers entspricht nach praktisch beliebig häufiger Ent- und Beladung ihrem ursprünglichen Zustand. Nachteil des Schwungmassenspeichers ist die hohe Selbstentladung. Um Reibungsverluste zu vermindern wird derzeit an Gewicht und Größe des Rotors sowie am Material geforscht. Der derzeitige Stand der Technik liegt bei einer Leistung bis zu 3 MW. Vereint zu einem Cluster kann derzeit eine Leistung von 20 MW erreicht werden, die dann für einen Zeitraum von 15 Minuten zur Verfügung steht.

Elektrochemische Speicherung

In Batterien wird Strom zunächst elektrochemisch umgewandelt bevor er gespeichert wird. Innerhalb dieses Prozesses werden Elektronen in einem elektrischen Kreis von einem Element auf ein anderes transportiert.

Elektrochemische Speicherung - Blei-Säure-Akkumulator