Arti­kel­se­rie: Ener­gie­wen­de ja – aber wie? 67. Ener­gie­spei­cher – Teil 2

Goliath Poldermolen. Foto: Uberprutser, CC-BY-SA-3.0-nl
Goliath Poldermolen. Foto: Uberprutser, CC-BY-SA-3.0-nl

Im letz­ten Kapi­tel hat­ten wir die Spei­cher­pro­ble­ma­tik im Zusam­men­hang mit der Strom­erzeu­gung aus fos­si­len Ener­gie­quel­len betrach­tet und fest­ge­stellt, dass die­se, aus unter­schied­li­chen Grün­den, zu 100% von Ener­gie­spei­chern abhän­gig ist.

Völ­lig anders ist die Situa­ti­on bei den erneu­er­ba­ren Energieträgern.

Die „Pri­mär­ener­gie“ Son­ne und Wind gibt es auf der Erde zu jeder Zeit irgend­wo im Über­fluss (s.a. Kapi­tel 32, elek­tri­sche Ener­gie­wen­de), aber eben nicht in gespei­cher­ter Form. Die­se Ener­gien kön­nen nur dann genutzt wer­den, wenn sie da sind (ver­glei­che hier­zu auch Kapi­tel 65). D.h. der Umwand­lungs­pro­zess von Son­ne und Wind in elek­tri­sche Ener­gie kann nicht kon­ti­nu­ier­lich statt­fin­den. Um eine bedarfs­ge­rech­te, kon­ti­nu­ier­li­che Ver­sor­gung sicher­zu­stel­len, müs­sen des­halb hier­bei die Ener­gie­spei­cher, die bei den mit fos­si­len Brenn­stof­fen betrie­be­nen Kraft­wer­ken vor dem Umwand­lungs­pro­zess lie­gen, nun hin­ter den Umwand­lungs­pro­zess „geschal­tet“ wer­den. Dies eröff­net aber auch die Mög­lich­keit, die Spei­cher­funk­tio­nen auf die jewei­li­ge Anwen­dung zu opti­mie­ren. Hier­zu gehört auch das Pro­blem der sog. „Regel­en­er­gie“. Hier­zu mehr in einem spä­te­ren Artikel.

Es muss also eine aus­rei­chen­de Spei­cher­ka­pa­zi­tät zur Ver­fü­gung ste­hen, um ein Ener­gie­über­an­ge­bot von Son­ne und Wind in Spit­zen­zei­ten auf­zu­neh­men, die­ses lang­fri­stig zu spei­chern, um damit die sog. „Dun­kel­flau­ten“ (dunk­le, win­dar­me Zei­ten) zu über­brücken. Hier­für ste­hen die unter­schied­lich­sten Spei­cher­ver­fah­ren zur Ver­fü­gung, die z.T. bereits im Ein­satz sind, oder sich in der groß­tech­ni­schen Pra­xis­er­pro­bung befin­den. Ein wesent­li­cher Vor­teil die­ser tech­ni­schen Spei­cher­ver­fah­ren ist, dass sie auf bestimm­te Anfor­de­run­gen hin opti­miert wer­den kön­nen. Einen sehr guten Über­blick über die ver­schie­de­nen Ver­fah­ren und deren Funk­ti­ons­wei­se gibt Wiki­pe­dia, Such­wort: Ener­gie­spei­cher. Über die, auch in der klas­si­schen Ener­gie­tech­nik bereits genutz­ten Spei­cher­ver­fah­ren wie Pump­spei­cher-Kraft­wer­ke hin­aus, sind die für die Ener­gie­wen­de 3 wich­tig­sten Verfahren:

  1. Gal­va­ni­sche Zel­len (Akku­mu­la­tor, Bat­te­rie) auf elek­tro­che­mi­scher Basis. Die­sen Ener­gie­spei­cher haben wir bereits in den Kapi­teln 58 bis 63 ken­nen gelernt. Eine Bat­te­rie etwa in der Grö­ße eines Kühl­schran­kes kann unge­fähr den Tages­be­darf eines Pri­vat­haus­hal­tes decken. Sinn­vol­le Spei­cher­zei­ten: eini­ge Tage, da sol­che Bat­te­rien eine gerin­ge Selbst­ent­la­dung haben. Die­ses Prin­zip ist jedoch auch geeig­net um damit grö­ße­re „Bat­te­rie-Spei­cher­kraft­wer­ke“ auf­zu­bau­en, da die­se die gespei­cher­te Ener­gie extrem schnell zur Ver­fü­gung stel­len können.
  2. Redox-Flow-Bat­te­rien, auch Flüs­sig­bat­te­rie oder Nass­zel­le genannt. Hier­bei wird die elek­tri­sche Ener­gie mit einem elek­tro­che­mi­schen Pro­zess in zwei unter­schied­li­chen flüs­si­gen Elek­tro­ly­ten gespei­chert. Im Gegen­satz zu den gal­va­ni­schen Zel­len haben die­se jedoch getrenn­te Kreis­läu­fe und kön­nen in getrenn­ten Behäl­tern gespei­chert bzw. gela­gert wer­den. Hier­durch gibt es kei­ne Selbst­ent­la­dung, die Spei­cher­zei­ten sind prak­tisch unbe­grenzt. Die Spei­cher­ka­pa­zi­tät ist, unab­hän­gig von einer kurz­zei­tig benö­tig­ten maxi­ma­len Lei­stung, nur von der Men­ge der Elek­tro­ly­te abhän­gig, und kann auch nach­träg­lich belie­big erwei­tert wer­den. Lei­stung und Spei­cher­ka­pa­zi­tät kön­nen völ­lig unab­hän­gig von­ein­an­der dimen­sio­niert wer­den. Die­se Bat­te­rien sind beson­ders geeig­net für die Lang­zeit­spei­che­rung von Ener­gie­über­schüs­sen um damit „Dun­kel­flau­ten“ zu über­brücken. Der elek­tro­che­mi­sche Pro­zess, der die elek­tri­sche Ener­gie auf­spal­tet und auf die bei­den Elek­tro­ly­te ver­teilt, ist umkehr­bar, sodass die gespei­cher­te Ener­gie direkt wie­der in elek­tri­sche Ener­gie umge­wan­delt wer­den kann. Alles, was wir im all­ge­mei­nen Sprach­ge­brauch als „Ener­gie­er­zeu­gung“ bezeich­nen, ist in Wirk­lich­keit immer nur ein Umwan­deln einer vor­han­de­nen Ener­gie­form in eine ande­re Form, die für die jewei­li­ge Nut­zung geeig­ne­ter ist (s.a. Kapi­tel 8, Kraft­wer­ke). Sol­che Redox-Flow-Bat­te­rien ste­hen z.Z. für die groß­tech­ni­sche Anwen­dung zur Ver­fü­gung. Eine Minia­tu­ri­sie­rung für pri­va­te Anwen­dun­gen ist prin­zi­pi­ell mög­lich. So wie heu­te Öltanks oder Gas­be­häl­ter im Kel­ler ste­hen, wären es dann zwei Elek­tro­lyt-Tanks. Ob eine sol­che Lösung auch wirt­schaft­lich gegen­über den jet­zi­gen gal­va­ni­schen Zel­len ist muss die Ent­wick­lung zeigen.
  3. Power-to-Gas: Hier­bei han­delt es sich um schon lan­ge bekann­te Ver­fah­ren, die sich jetzt in der groß­tech­ni­schen Erpro­bung zur Spei­che­rung von über­schüs­si­ger elek­tri­scher Ener­gie befin­den, z.Z. über­wie­gend für Wind­strom. Dabei wird Was­ser in einem elek­tro­ly­ti­schen Pro­zess in sei­ne Bestand­tei­le Was­ser­stoff und Sauer­stoff auf­ge­spal­ten. Der Was­ser­stoff kann dann als Ener­gie­trä­ger ent­we­der in Tanks oder auch in sog. „che­mi­schen Was­ser­stoff­spei­chern“ prak­tisch unbe­grenzt gespei­chert wer­den und, z.B. in Brenn­stoff­zel­len, wie­der in elek­tri­sche Ener­gie zurück ver­wan­delt wer­den. Eine wei­te­re Mög­lich­keit ist es, den Was­ser­stoff in einem 2. Pro­zess in Methan umzu­wan­deln und dem Erd­gas­netz (d.h. einem vor­han­de­nen Spei­cher- und Ver­teil­sy­stem) bei­zu­mi­schen. Die­se Mög­lich­keit wird dann inter­es­sant, wenn in einer spä­te­ren Pha­se der Ener­gie­wen­de auch der Bedarf an Wär­me­en­er­gie mög­lichst aus erneu­er­ba­ren Ener­gie­quel­len gedeckt wer­den soll.

Nach dem Gesag­ten wird klar, dass die kon­ti­nu­ier­li­che und bedarfs­ge­rech­te Bereit­stel­lung elek­tri­scher Ener­gie neben der tech­ni­schen Her­aus­for­de­rung auch erheb­li­che logi­sti­sche Pro­ble­me beinhal­tet. Dies gilt unab­hän­gig davon, aus wel­chen Quel­len und mit wel­chen Metho­den die Umwand­lung in elek­tri­sche Ener­gie erfolgt. Nur die Art der Pro­ble­me und deren Lösun­gen unter­schei­den sich.

Zeit­gleich mit dem Aus­bau der elek­tri­schen Ener­gie­nut­zung aus fos­si­len Ener­gie­quel­len in den letz­ten 70 Jah­ren, wur­den deren jeweils spe­zi­fi­schen Pro­ble­men ent­spre­chend ange­pass­te und opti­mier­te Lösun­gen ent­wickelt, wodurch erst die kon­ti­nu­ier­li­che Bereit­stel­lung elek­tri­scher Ener­gie im Über­fluss mög­lich war. Bei der Umstel­lung auf erneu­er­ba­re Ener­gie­quel­len ent­ste­hen ande­re spe­zi­fi­sche Pro­ble­me und erfor­dern ande­re Lösun­gen, die genau­so zeit­gleich mit deren Aus­bau ent­wickelt und opti­miert wer­den müs­sen. Vie­le tech­ni­sche Pro­ble­me, die jetzt wäh­rend der Umstel­lung auf Erneu­er­ba­re Ener­gien auf­tau­chen, haben ihre Ursa­che dar­in, dass wäh­rend die­ser Umstel­lungs­pha­se bei­de Syste­me par­al­lel lau­fen müs­sen. Das alte System wird durch das neue „gestört“, das neue System ist noch nicht fer­tig aus­ge­baut. Dies sind aber kei­ne prin­zi­pi­el­len und dau­er­haf­ten Pro­ble­me, son­dern Umstel­lungs­pro­ble­me, die Zug um Zug gelöst werden.

Fazit: Die Ener­gie­ver­sor­gung der Zukunft aus erneu­er­ba­ren Quel­len erfor­dert es, dass alle Kom­po­nen­ten, d.h. Son­ne, Wind, Was­ser, evtl. Bio­en­er­gie und die ver­schie­de­nen Spei­cher­sy­ste­me zusam­men wir­ken und die Ener­gie­flüs­se über ein ent­spre­chen­des Manage­ment­sy­stem gesteu­ert wer­den. Dies kann sowohl groß­räu­mig als auch dezen­tral auf kom­mu­na­ler Ebe­ne erfol­gen, weil das Ener­gie­an­ge­bot – Son­ne, Wind – ja auch dezen­tral zur Ver­fü­gung steht. Im Gegen­satz zu den fos­si­len Ener­gie­trä­gern, die erst auf­wän­dig zu den Kraft­wer­ken trans­por­tiert wer­den müs­sen, deren End­pro­dukt elek­tri­sche Ener­gie dann wie­der auf­wän­dig in der Flä­che ver­teilt wer­den muss. Dass dies nicht nur rei­ne Theo­rie ist, demon­striert ein Pilot­pro­jekt auf der Nord­frie­si­schen Insel Pell­worm. Hier wer­den zur Ener­gie­er­zeu­gung Photovoltaik‑, Wind­ener­gie- und Bio­gas­an­la­gen betrie­ben. Zur Ener­gie­spei­che­rung und die Bereit­stel­lung von Regel­en­er­gie wer­den Lithi­um-Ionen-Bat­te­rien und Redox-Flow-Bat­te­rien benutzt, alles ver­knüpft über ein sog. „smart grid“ mit einem ange­pass­ten Ener­gie-Manage­ment­sy­stem. Die Erpro­bungs­pha­se 1 ist abge­schlos­sen. Die Insel ist mit ihren ca. 1200 Ein­woh­nern und einem Mehr­fa­chen an Kur­gä­sten zu 100% ener­gie­aut­ark. In einer 2. Pha­se wird jetzt erprobt, wei­te­re noch über­schüs­si­ge Ener­gie dem Fest­lands­netz als Regel­en­er­gie zur Ver­fü­gung zu stellen.

Detail­in­for­ma­tio­nen:

Was sich unter dem oben genann­ten Stich­wort „Regel­en­er­gie“ ver­birgt, hier­zu mehr in der näch­sten Folge.

Die­ter Lenzkes
Bürger-für-Bürger-Energie
www​.bfb​-ener​gie​.de

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