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25.06.13 13:03 Alter: 7 Jahre
Kategorie: Marktdaten, Top-News, Report, KMU, Errichter, Kabel-Netze, Strukturierte Verkabelung, Visualisierung, Solar
Von: Arno Kral

Energiespeicher für das Netz der Netze

Im TELI-Expertengespräch zur Intersolar 2013 erläuterte Bernhard Wille-Haussmann vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme, warum es einen Bedarf an Energiespeichern gibt und wie er zu decken wäre


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Bernhard Wille-Hausmann, Fraunhofer ISE

Bernhard Wille-Hausmann, Fraunhofer ISE

Am Ostermontag übertraf die EE-Produktion die Nachfrage bei Weitem, so dass der Energiepreis abstürzte um schon tags darauf bei Arbeitsbeginn wieder deutlich anzuziehen. (Quelle: Fraunhofer ISE)

Am Ostermontag übertraf die EE-Produktion die Nachfrage bei Weitem, so dass der Energiepreis abstürzte um schon tags darauf bei Arbeitsbeginn wieder deutlich anzuziehen. (Quelle: Fraunhofer ISE)

Am Sonntag, den 16. Juni 2013 stand so viel Energie aus Photovoltaik und Wind zur Verfügung, dass an der EEX negative Strompreise gehandelt wurden. (Quelle: Fraunhofer ISE)

Am Sonntag, den 16. Juni 2013 stand so viel Energie aus Photovoltaik und Wind zur Verfügung, dass an der EEX negative Strompreise gehandelt wurden. (Quelle: Fraunhofer ISE)

Im Jahr 2030 übersteigt die EE-Produktion die Nachfrage bereits ein Bisschen, weshalb die residuale Last in einigen Dutzend Stunden negativ wird. Für das&nbsp;Jahr 2050 errechnet das ISE an rund 1000 Stunden im im Jahr eine negative residuale Last – also einen Überschuss an fluktuierenden Energieträgern. Diesen Überschuss kann man nun exportieren, abregeln oder eben speichern. (Quelle: Fraunhofer ISE)

Im Jahr 2030 übersteigt die EE-Produktion die Nachfrage bereits ein Bisschen, weshalb die residuale Last in einigen Dutzend Stunden negativ wird. Für das Jahr 2050 errechnet das ISE an rund 1000 Stunden im im Jahr eine negative residuale Last – also einen Überschuss an fluktuierenden Energieträgern. Diesen Überschuss kann man nun exportieren, abregeln oder eben speichern. (Quelle: Fraunhofer ISE)

Für die Speicherung großer Energiemengen reichen weder Schwungräder noch Batterien. Da muss Chemie her – sei es die Wasserstoff-Elektrolyse oder Umwandlung des so gewonnen Wasserstoffs zu Methan. Diese Methanisierung hätte den Vorteil, giftiges Kohlenmonoxid oder klimaschädliches Kohlendioxid in so genanntem EE-Gas zu binden. Der Nachteil: Der Wirkungsgrad der Elektrolyse liegt bei 70%, der Wirkungsgrade der (drucklosen) Methanisierung maximal 65%, der beider Prozesse hintereinander also nur knapp 5%… Pumpspeicherkraftwerke stehen da mit einer Effizienz von 70 bis 85% erheblich besser da, haben aber geographisch einein hohen Flächenbedarf und fiskalisch hohe Investitionskosten. (Quelle: Fraunhofer ISE)

Für die Speicherung großer Energiemengen reichen weder Schwungräder noch Batterien. Da muss Chemie her – sei es die Wasserstoff-Elektrolyse oder Umwandlung des so gewonnen Wasserstoffs zu Methan. Diese Methanisierung hätte den Vorteil, giftiges Kohlenmonoxid oder klimaschädliches Kohlendioxid in so genanntem EE-Gas zu binden. Der Nachteil: Der Wirkungsgrad der Elektrolyse liegt bei 70%, der Wirkungsgrade der (drucklosen) Methanisierung maximal 65%, der beider Prozesse hintereinander also nur knapp 5%… Pumpspeicherkraftwerke stehen da mit einer Effizienz von 70 bis 85% erheblich besser da, haben aber geographisch einein hohen Flächenbedarf und fiskalisch hohe Investitionskosten. (Quelle: Fraunhofer ISE)

Wer eine netz-interaktive USV zwischen den versorgerseitigen Netzanschluss und seine PV-Anlage schaltet, kann auch dann vom Solarstrom dem Eigenverbrauch zuführen, wenn der Energieversorger mal nicht versorgen kann (Netzstörung) oder will (Netzwartung). Denn dann müsste schon aus Sicherheitsgründen der Wechselrichter vom Netz getrennt werden. Eine dazwischengeschaltete "line-interactive" USV nimmt ebenfalls eine Netztrennung vor, simuliert aber dem Wechselrichter das Vorhandensein des Netzes, so dass der weiter für interne Zwecke Strom aus Sonne für den Eigenverbrauch – und zur Energiespeicherung – erzeugen darf. Weiter gedacht und ausreichend dimensioniert, lassen sich solche unterbrechungsfreie Stromversorgungen sogar gewinnbringend als Solarenergiespeicher einsetzen. (Grafik: GermanPV)

Wer eine netz-interaktive USV zwischen den versorgerseitigen Netzanschluss und seine PV-Anlage schaltet, kann auch dann vom Solarstrom dem Eigenverbrauch zuführen, wenn der Energieversorger mal nicht versorgen kann (Netzstörung) oder will (Netzwartung). Denn dann müsste schon aus Sicherheitsgründen der Wechselrichter vom Netz getrennt werden. Eine dazwischengeschaltete "line-interactive" USV nimmt ebenfalls eine Netztrennung vor, simuliert aber dem Wechselrichter das Vorhandensein des Netzes, so dass der weiter für interne Zwecke Strom aus Sonne für den Eigenverbrauch – und zur Energiespeicherung – erzeugen darf. Weiter gedacht und ausreichend dimensioniert, lassen sich solche unterbrechungsfreie Stromversorgungen sogar gewinnbringend als Solarenergiespeicher einsetzen. (Grafik: GermanPV)

Der Bundesverband Energiespeicher bemüht sich um stabile politische Rahmenbedingungen für die Installation von Energiespeichern, ohne die die Energiewende nicht zu schaffen sei. (Logo: BVES)

Der Bundesverband Energiespeicher bemüht sich um stabile politische Rahmenbedingungen für die Installation von Energiespeichern, ohne die die Energiewende nicht zu schaffen sei. (Logo: BVES)

Ein Smart Grid, also ein intelligentes Stromnetz, könnte elektrische Überkapazitäten nutzen um Kraft-Wärme-Koppelung Lastspitzen zu reduzieren und mit Wärmepumpen Lastsenken zu füllen. (Quelle: Fraunhofer ISE)

Ein Smart Grid, also ein intelligentes Stromnetz, könnte elektrische Überkapazitäten nutzen um Kraft-Wärme-Koppelung Lastspitzen zu reduzieren und mit Wärmepumpen Lastsenken zu füllen. (Quelle: Fraunhofer ISE)

München – Erneuerbare Energien sollen das Land aus der Abhängigkeit fossiler Energieträger führen. Die Bundesregierung hat für ehrgeizige Ziele gesetzt: "Bis spätestens zum Jahr 2020 soll der Anteil der erneuerbaren Energien am gesamten Stromverbrauch auf mindestens 35 Prozent gesteigert werden. Bis spätestens zum Jahr 2050 soll dieser Anteil mindestens 80 Prozent betragen. An der gesamten Wärmeversorgung soll der Anteil der erneuerbaren Energien im Jahr 2020 14 Prozent betragen." (Quelle: BMU)

Aus diesen Energie-Szenario für Deutschland ergibt sich die Herausforderung, die großen Energiemengen aus erneuerbaren Quellen in ein bestehendes Energiesystem zu integrieren. Und weil die Sonne nicht rund um die Uhr scheint, der Wind nicht kontinuierlich bläst, und weil weder Verbraucherinnen noch Verbraucher ihren Stromverbrauch äußeren Zwängen unterwerfen wollen oder können, müssen regelbare Kraftwerke oder Zwischenspeicher die Differenz zwischen Angebot und Nachfrage ausgleichen. Für deren Auslegung muss diese Rest-Nachfrage bekannt sein.

Zur Intersolar 2013 hatte die TELI daher mit freundlicher Unterstützung der Messeveranstalter "Solar Promotion GmbH" und "Freiburg Wirtschaft Touristik und Messe GmbH & Co. KG" zu einem Expertengespräch zum Thema Energiespeicher geladen. Bernhard Wille-Haussmann vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) legte dar, warum es einen Bedarf an Energiespeichern gibt, wie hoch er ist und sein wird, und wie er mit welchen Technologien zu decken wäre.

Die Analyse dieser Residuallast oder residualen Last verdeutlicht also die zukünftigen Aufgaben von Kraftwerken und Speichern. Unter residualer Last ist der Verbrauch abzüglich fluktuierender Erzeugung, sprich der Restbedarf nach Ausschöpfung der erneuerbaren Energiequellen, zu verstehen. Das TELI-Expertengespräch sollte aufzeigen, welche Möglichkeiten es gibt, diese Residuallast abzudecken, und zwar nicht nur heute, sondern auch in Zukunft.

Schnell zeigt der Referent auf, dass die bestehenden Pumpspeicher-Kraftwerke die von erneuerbaren Energien hervorgerufenen Schwankungen nur zu einem Bruchteil ausgleiche können.

So stand am Ostermontag 2013 einer wegen des Feiertags geringen Nachfrage ein großes Angebot erneuerbarer Energien gegenüber mit der Folge, dass der Preis pro Megawatt an der Europäischen Energiebörse (EEX) fast auf Null fiel. Schon einen Tag später, am 2. April, schoss mit dem morgendlichen Arbeitsbeginn der Preis in die Höhe. Denn das Regelvermögen von Steinkohle- (hard coal), Braunkohle- (lignite) und Kern-Kraftwerken (uranium) ist begrenzt.

Mit der ersten Sommerwoche im Jahr 2013 legte besonders die Strom-Produktion aus Photovoltaik stark zu mit der Folge, dass sich der Strompreis am Sonntag, den 16. Juni, ins Negative kehrte: Abnehmer (leider nicht die Endverbraucher) bekamen bis zu 200 Euro pro Megawattstunde.

Der Bedarf an elektrischer Energie liegt in Deutschland bei 40 bis 80 Gigawatt. Davon decken Wind und Sonne bereits heute 15 Prozent ab. Für das Jahr 2030 schätzt das Fraunhofer ISE gemäß der "Leitstudie 2010 in Szenario B" [BMU] den Beitrag der erneuerbaren Energien auf 40 Prozent, für das Jahr 2050 auf 60 Prozent. Das Problem besteht nun darin, dass die Energie aus Wind und Sonne nicht gleichmäßig zuströmt. So kommt es zeitweise zur Überproduktion. Wie oft das vorkommt, lässt sich mit der genannten Jahresdauerkennlinien visualisieren. Sie zeigen jedoch nicht den kalendarischen Jahresverlauf, sondern sortieren die Leistungen (15-Minuten-Mittelwerte), offenbaren also, an welchen Stunden im Jahr wie viel erzeugt wurde.

Für das Jahr 2050 errechnet das ISE an rund 1000 Stunden im Jahr eine negative residuale Last – also einen Überschuss an fluktuierenden Energieträgern. Diesen Überschuss kann man nun exportieren, abregeln oder eben speichern. Umgerechnet in Leistung sind im Jahr 2050 rund 400 Gigawattstunden zu "verarbeiten". Die deutschen Pumpspeicherkraftwerke, die größten mit einer Leistung von über einem Gigawatt liegen im Goldisthal in Thüringen und bei Markersbach in Sachsen, kommen zusammen auf eine Leistung von sieben Gigawatt (GW) und können – Stand 2010 – maximal 40 Gigawattstunden (GWh) Energie zwischenspeichern. Wie die Grafik "Storages in the Smart Grid" zeigt, fällt im Jahr 2050 jedoch zehnmal so viel Energie an: 400 GWh! Zwar gibt es wissenschaftliche Ansätze wie den gigantischen Lageenergiespeicher, den Professor Eduard Heindl ersonnen hat: Er will in einem Gebirgszylinder einen Granit-Kolben mit einem Kilometer Durchmesser bis zu 500 Meter heben und senken und damit 1700 GWh zwischenlagern. Eine phantastische Vision! Doch im Hier und Jetzt gilt es, andere, teilweise schon vorhandene oder mit der technischen Entwicklung zuwachsende Speichertechnologien zu nutzen. Dazu zählen

  • Schwungradspeicher (Flywheel Energy Storage – FES)
  • Elektroautos (Battery Electric Vehicle – BEV)
  • Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion)
  • Blei-Säure-Batterien (Lead Acid Battery – LA)
  • Natrium-Schwefel-Batterien (Sodium Sulfur – NaS)

Deren Kapazitäten sind jedoch vergleichsweise gering. Für die 400 GWh bedarf es gröberer Klötze wie

  • Pumpspeicher (Pumped Hydro Storage – PHS)
  • Druckluftspeicher (Compressed Air Energy Storage – CAES)
  • Wasserstoff-Speicher (Hydrogen Storage – H2) oder
  • Die Methan-Hydrierung (Synthetic Methane – SNG)

So lohnt ein erneuter Blick auf dezentrale, batteriegestützte Energiespeicher: Betreiber von Photovoltaik-Anlagen erhalten für ihre Einspeisung ins öffentliche Stromnetz heute schon rund 10ct weniger als sie via EEG vom Versorger pro Kilowattstunde bezahlt bekommen, weswegen ein möglichst hoher Eigenverbrauch am wirtschaftlichsten ist. Könnten sie den Sonnenstrom wenigstens über Nacht zwischenspeichern, wäre ihre PV-Anlage noch rentabler. Dieses Argument führte 2013 zum Schwerpunkt der  Intersolar 2013: Energiespeicher. Sie sind auch politisch gewünscht, weshalb die staatliche Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) kombinierte PV-Speicher-Anlagen ebenso fördert wie die Nachrüstung bestehende PV-Anlagen (bis 30 KWp, die nach dem 31.12.2012 in Betrieb gegangen sind). Die KfW-Konditionen laden zum Mitmachen ein

  • ab 1,31% effektiver Jahreszins
  • günstiger Kredit mit Tilgungszuschuss
  • Laufzeit und Zinsbindung bis 20 Jahre

Ein weiterer Vorteil für PV+Speicher-Betreiber: Wird der Strom-Speicher als netz-interaktiven USV (Unterbrechungsfreie Strom-Versorgung) zwischen öffentliches Stromnetz und Wechselrichter geschaltet, kann der Strom vom eigenen Dach selbst dann weiter verbraucht werden, wenn das öffentliche Stromnetz einmal nicht zur Verfügung steht, sei es, weil der Energieversorger Wartungsarbeiten vornimmt, sei es, weil sein Netz gerade einen Brown- oder Blackout erfährt. Denn die USV simuliert für den Wechselrichter das Vorhandensein des öffentlichen Netzes, weshalb er weiterarbeiten kann.

Den USV-Ansatz verfolgt für größere Anlagen beispielsweise die Firma GermanPV / Solar Innovation. Deren Geschäftsführer Dirk Brannaschk argumentiert schlüssig, wenn er vielen, ohnehin erforderlichen USV-Anlagen für Rechenzentren, Krankenhäuser, Sendeanstalten, Mobilfunkbetreiber, … als Investitionsgrab bezeichnet, weil sie ja nur ein- oder zweimal im Jahr wirklich einspringen müssen (laut kes-Info ca. 10 Minuten pro Jahr). Vernünftig dimensioniert, ließen solche USVen durchaus gewinnbringend einsetzen, indem sie nicht nur im Krisenfall, sondern im Regelfall eingesetzt würden. Denn die Batterien müssten so oder so gewartet werden... German PV bietet neben PV-Speicher-Komplettsystemen beispielsweise mit der PV Powerstation Business ein dreiphasiges Batterie-Lade-Speichersystem für Insel- und Netzbetriebsanlagen mit Leistungen zwischen 20 und 160 kVA an, das sich durch achtfache Kaskadierung auf bis zu 1,2 Megawatt erweitern lässt.

Ohne Investitionen ist aber auch der dezentrale Zubau von Energiespeicherlösungen nicht realisierbar. Deshalb stellt der erst im September 2012 gegründete und seit Januar 2013 operierende  Bundesverband Energiespeicher (BVES) folgende Thesen auf:

  1. Die erfolgreiche Umsetzung der Energiewende ist nur mit Speichertechnologien möglich.
  2. Die Schaffung passender Marktbedingungen für Speichertechnologien ist dringend geboten.
  3. Eine Verzögerung politischer Entscheidungen gefährdet den Erfolg der Energiewende.

Seitens des BVES hatte dessen Direktorin für Mitgliedschaft und Betrieb, Miriam Hegner, interessiert das TELI-Expertengespräch verfolgt.

Referent Bernhard Wille-Haussmann, selbst Betreiber einer PV-Anlage, geht in seiner Analyse des Speicherbedarfs jedoch noch einen Schritt weiter und bringt außer PV-Batterie-Systemen auch Elektro-thermische Systeme ins Gespräch. Der Einsatz von Wärmepumpen (engl.: heat pump – HP) und Kraft-Wärme-Koppelung (engl.: combined heat and power – CHP) erlaube es, durch thermische Speicher die elektrischen und thermischen Prozesse zeitlich zu entkoppeln. Mit solchen Anlagen ließe sich ein Überangebot an EE-Strom gewinnbringend für die effiziente Erzeugung und Speicherung von Wärme nutzen und gleichzeitig den Bedarf an Heizenergie senken – und das in großem Stil: Immerhin schätzen das ISE und maßgeblich die Verbände, dass im Jahr 2030 die installierte Leistung aus Wärmepumpen 16 GW, die aus Kraft-Wärme-Koppelung 15 GW betragen wird.

Fazit
Neben der direkten Speicherung in Batterien sollen also Smart-Grid-Technologien die Erschließung von elektrisch-thermisch gekoppelten Systemen ermöglichen. Im elektrisch-thermisch geführten Betrieb erlauben Technologien wie Blockheizkraftwerke oder Wärmepumpen in Verbindungen mit Speichern, ihre thermische und elektrische Produktion zu entkoppeln und zeitlich zu verschieben.

Klarer, als der BVES, beschreibt das Faunhofer ISE, wie sich Batteriespeicher auf das Gesamt-Stromnetz (GRID) auswirken: Nur den Eigenverbrauch zu maximieren würde sich nicht signifikant auf das Gesamtnetz auswirken, wohl aber die zusätzliche / alternative Netzeinspeisung aus Batterien. Ein netzorientierter Betrieb vorausgesetzt, können lokale Speicher auch das lokale Netz entlasten, weshalb der Netzausbau nicht so schnell erfolgen müsse. Denn ein netzorientierter Betrieb dezentraler Batterien vermeidet hohe residuale Lasten. Es sei also höchste Zeit, entsprechende Speicher im Netz zu allokieren.


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