Zusatzinformationen zu Physikkonkret Ausgabe 18 - Netzausbau im Rahmen der Energiewende

Speicherung der elektrischen Energie

(von Konrad Kleinknecht)

Elektrischer Strom muss in dem Augenblick verwendet werden, in dem er erzeugt wird. Es gibt einen Bedarf, der rund um die Uhr benötigt wird (Grundlast), einen regelmäßig auftretenden zeitlich variablen Bedarf (Mittellast) und einen plötzlich nachgefragten Spitzenbedarf. Die Grundlast wird derzeit durch Braunkohle- und Kernkraftwerke abgedeckt, die Mittellast durch Steinkohlekraftwerke und die Spitzenlast durch schnell steuerbare Gaskraftwerke.

Neue fluktuierende Stromquellen

Durch die neuen Stromquellen Windkraft und Photovoltaik (PV) ändern sich die Verhältnisse. Abbildung 1 zeigt den zeitlichen Verlauf der Einspeisung von Solar- und Windstrom für die einzelnen Monate 2012. Die erbrachte Leistung fluktuiert sowohl täglich als auch saisonal. Windkraftwerke lieferten im Jahr 2012 ihre volle Nennleistung nur während durchschnittlich 4,6 Stunden am Tag und Photovoltaik-Solarzellen während 2,3 Stunden am Tag. Andererseits muss der Strom aus diesen Quellen wegen des EEG-Gesetzes prioritär abgenommen werden. Die konventionellen Kraftwerke müssen heruntergefahren werden, wenn die Sonne scheint oder der Wind bläst, und anschließend wieder hochgefahren werden. Das verringert ihre Effizienz und Rentabilität. Da die Erzeugung des Stroms aus Wind-und Solarenergie nicht mit dem zeitlichen Verlauf des Bedarfs übereinstimmt, wäre es sinnvoll, die überschüssige elektrische Energie wenigstens für die Dauer eines Tages zu speichern.
Die elektrische Energie aus Windkraft betrug im Jahr 2012 ca. 50.000 GWh1, die aus Photovoltaik ca. 24.000 GWh [1]. An einem Tag fallen also durchschnittlich 137 GWh Windenergie und 66 GWh Solarenergie an. Wenn diese Energie zum Zeitpunkt der Erzeugung nicht gebraucht werden kann, muss sie gespeichert werden, oder die Anlagen müssen abgeschaltet werden. Eine weitere Möglichkeit ist es, den Überschuss an die Nachbarländer zu verschenken oder dafür sogar eine Gebühr zu bezahlen.

Speicherung der elektrischen Energie aus Solar- und Windkraftanlagen

Elektrischer Strom kann mit hoher Effizienz zurzeit nur in Pumpspeicherkraftwerken gespeichert werden. Die Speicherkapazität aller Anlagen in Sachsen, Bayern und im Schwarzwald beträgt 40 GWh [2], reicht also nur aus, um ein Fünftel des Tagesertrags aus Wind und Sonne zu speichern. Dieses Szenario setzt voraus, dass die nötigen neuen Übertragungsleitungen von Nord nach Süd schon gebaut sind, um die Energie der Windkraftanlagen im Norden zu den Speichern im Süden zu bringen. Dies wird einige Jahre Bauzeit erfordern. Der Ausbau der Speicher im Süden hätte also höchste Priorität, stößt allerdings z. B. beim Ausbau des Schluchseekraftwerks bei Atdorf auf den Widerstand der Anwohner.

Als alternative zukünftige Speichermöglichkeit wird die Elektrolyse von Wasser und die Umwandlung des erzeugten Wasserstoffs zu Methan sowie dessen Verbrennung in einem Gaskraftwerk diskutiert. Diese Methode („power-to-gas-to-power“) erlaubt die Speicherung des Methangases im existierenden Rohrleitungssystem, ist allerdings sehr ineffizient; nur ein Drittel der eingesetzten Windkraftenergie steht am Ende als Elektrizität wieder zur Verfügung [3]. Die technische Umsetzung steckt noch in den Kinderschuhen, der Wirkungsgrad der Elektrolyse ist bei fluktuierendem Stromangebot geringer als bei konstantem Strom [4]. Das erzeugte Methan ist zur Zeit wesentlich teurer als das russische Erdgas oder das Flüssiggas aus Katar. Andere Alternativen wie etwa Druckluftspeicher haben nicht die benötigte Kapazität [3].

Eine Entlastung der Netze könnte erreicht werden, wenn alle Besitzer von PV-Anlagen auf ihrem Dach den um die Mittagszeit anfallenden Solarstrom in einigen Batterien im Haus speichern und am Abend zum Betrieb ihrer Hausgeräte benutzen würden. Wenn zwei Millionen Haushalte mit PV-Anlage jeweils Batterien mit 5 kWh Kapazität installieren, würde dies einen lokalen Speicher von 10 GWh bilden. Als weitere Möglichkeit wird die Speicherung in den Batterien zukünftiger Elektromobile diskutiert. Falls in zehn Jahren eine Million solcher Fahrzeuge existieren würde, könnte in ihren Batterien eine Energie von 20 GWh gespeichert werden. Das wären etwa zehn Prozent der an einem Tag anfallenden Wind-und Solarenergie, falls alle Elektromobile um die Mittagszeit aufgeladen würden. In Wirklichkeit werden sie nachts aufgeladen, wenn keine Sonne scheint. Für die nächsten zehn Jahre wird diese Speichermöglichkeit also keine Rolle spielen.

Fazit

Für die nächsten zehn Jahre wird es keine Möglichkeit geben, relevante Mengen elektrischer Energie effizient zu speichern. Es bleibt bei der fluktuierenden Einspeisung der Wind-und Solarenergie nur die Möglichkeit, fossile Kraftwerke als regelbare Schattenkraftwerke zu betreiben, die bei überschüssiger Energie aus Wind-oder Solarkraft heruntergefahren werden und bei deren Ausfall als Reserve zur Verfügung stehen. Diese unregelmäßige Betriebsweise der fossilen Kraftwerke ist allerdings ineffizient und unwirtschaftlich. Auch kann die Leistung dieser Kraftwerke nicht beliebig stark und schnell geändert werden.

Abbildung 1 (von Helmut Alt)

Ganglinie der Leistung aller Wind- und Photovoltaikanlagen in Deutschland für Januar 2012 Ganglinie der Leistung aller Wind- und Photovoltaikanlagen in Deutschland für Februar 2012 Ganglinie der Leistung aller Wind- und Photovoltaikanlagen in Deutschland für März 2012 Ganglinie der Leistung aller Wind- und Photovoltaikanlagen in Deutschland für April 2012 Ganglinie der Leistung aller Wind- und Photovoltaikanlagen in Deutschland für Mai 2012 Ganglinie der Leistung aller Wind- und Photovoltaikanlagen in Deutschland für Juni 2012 Ganglinie der Leistung aller Wind- und Photovoltaikanlagen in Deutschland für Juli 2012 Ganglinie der Leistung aller Wind- und Photovoltaikanlagen in Deutschland für August 2012 Ganglinie der Leistung aller Wind- und Photovoltaikanlagen in Deutschland für September 2012 Ganglinie der Leistung aller Wind- und Photovoltaikanlagen in Deutschland für Oktober 2012 Ganglinie der Leistung aller Wind- und Photovoltaikanlagen in Deutschland für November 2012 Ganglinie der Leistung aller Wind- und Photovoltaikanlagen in Deutschland für Dezember 2012
Die Abbildungen zeigen die zeitgleiche ¼ h Leistung als Ganglinie der Leistung aller Wind- und Photovoltaikanlagen in Deutschland für die einzelnen Monate des Jahres 2012. Die installierte Leistung zu Ende des Jahres 2012 beträgt bei den Windanlagen 30,1 GW und bei den Photovoltaikanlagen 32,4 GW. In den Sommermonaten ist tagsüber die Photovoltaikleistung in der Regel dominierend, aber in den Wintermonaten meist fast bedeutungslos.
Der Maximalwert der Einspeiseleistung beider fluktuativer Quellen überschreitet nur an einem einzigen Tag am 15.9.2012 die 30 GW - Grenze. Da für eine mehrtägige Leistungsbereitstellung kein Stromspeicher mit einer Leis-tung von 30 GW verfügbar ist, muss der gesamte Maximalwert der zu erwartenden Leistung dieser Anlagen durch noch zu bauende Gaskraftwerke als back-up abgesichert werden.
Andererseits wird es immer häufiger der Fall sein, dass die noch vorhandenen thermischen Kraftwerke die untere Mindestlastgrenze erreichen, bzw. das Wind- oder Photovoltaikleistung abgeschaltet werden muss.[5]

Quellen

[1]
Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e.V.
[2]
H. Gasser, Arbeitskreis Energie der DPG Tagungsband 2012, S.128
[3]
M. Sterner, M. Jentsch, U. Holzhammer, Gutachten für Greenpeace, Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES Kassel), Feb. 2011
[4]
F. Schüth, MPI für Kohleforschung (Mülheim), FAZ, 13. März 2013, Seite N2
[5]
G. Borgolte 2013

Fußnoten

1
1 GWh (Gigawattstunde) = 1 Mio. kWh (Kilowattstunde); 1 TWh (Terawattstunde) = 1 Mrd. kWh; 1 kWh ist die Energiemenge, die bei einer Leistung von 1000 W innerhalb von einer Stunde umgesetzt wird.

FAQ

    • Die „Photovoltaik (PV) liefer[t] ihre volle Leistung allerdings nur für ... 2,3&nbspStd. (PV) am Tag“. Wie kommt man auf diese Zahlen?

      ⇒ Aus den Graphiken zum zeitlichen Verlauf der Einspeisungen von erneuerbare Energien (EE) in 2012 in Abbildung 1 des Speicherartikels können Sie diese Zahlen über die eingespeiste elektrische Energie von PV und Wind entnehmen. Den Artikel finden Sie weiter oben auf der Homepage. Im gesamten Jahr 2012 betrug die eingespeiste Energie aus PV 28&nbspTWh, die aus WK 46&nbspTWh. Die installierte Leistung war 32,4&nbspGW aus PV und 31,3&nbspGW aus WK. Daraus errechnen sich die Volllaststunden durch Division.

 

    • „Die im Süden installierten PV-Anlagen erzielen die beste Leistung überwiegend mittags im Sommer. Weiterhin entsprechen Zeiten hoher Stromproduktion oft nicht den Zeiten hohen Bedarfs.“ Real ist der höchste Strombedarf genau in der Mittagszeit, dies könnte auch in dieser Form erwähnt werden. Die vorgenannte Aussage widerspricht dieser Tatsache nicht, klärt aber auch nicht auf.

      ⇒ Die Aufklärung besteht in den Graphiken Abbildung 1 des Speicherartikels. In den Wintermonaten, wo der Bedarf hoch ist, liefern Sonne und Wind an vielen Tagen und Nächten einen verschwindend kleinen Beitrag nahe Null zur Versorgung, mit einer Leistung unter 2&nbspGW. Dann hängt die gesamte Versorgung an den fossilen und nuklearen Kraftwerken.

 

    • Sind die sog. erneuerbaren Energien wirklich erneuerbar?

      ⇒ Erneuerbar sind die Wasserkraft und in eingeschränktem Umfang die Biomasse. Die Erzeugung von Biomasse benötigt viel chemischen Dünger, d. h. Nitrate und Phosphate, der wiederum nicht uneingeschränkt zur Verfügung steht. PV braucht zur Herstellung des Siliziums aus Quarzsand so viel elektrische Energie, wie die Zelle in Deutschland – je nach Region und Ausrichtung zur Sonne – in 3 bis 5 Jahren dann wieder abgibt. Bei der Gewinnung des Siliziums in elektrischen Schmelzöfen, die in China mit Strom aus Kohlekraftwerken betrieben werden, wird die entsprechende Menge CO2 freigesetzt, sodass für die ersten 5 Jahre der ökologische Effekt negativ ist. Wenn die Zelle länger als 5 Jahre funktioniert, ist der Effekt positiv, allerdings ist die Entsorgung des Siliziums am Ende der Funktionszeit noch nicht vollständig gelöst. Dann muss neues Silizium erschmolzen werden.

 

    • Ist die Subventionierung der erneuerbaren Energien eine „Subvention“ oder eine „Umlage“?

      ⇒ Diese Unterscheidung ist nicht sachgerecht. Früher wurden nur Subventionen aus Steuermitteln als solche bezeichnet. Die Förderung der EE über das EEG ist ebenfalls eine Subvention, nämlich eine Übereinkunft von Regierung und Herstellern der EE zu Lasten eines Dritten, des Verbrauchers. Die Alternative wäre eine direkte Subvention aus dem Bundeshaushalt, dann würde das Parlament die Stromkosten begrenzen.

 

    • Leisten die erneuerbaren Energien keinen Beitrag zur Netzstabilität?

      ⇒ Den größten und teuersten Anteil an den EE liefern Wind und PV. Diese leisten aufgrund ihres Funktionsprinzips jedoch keinen Beitrag zur Netzstabilität. Wind und PV erzeugen Gleichstrom über eine Zwischenstufe, der dann in einigen hunderttausend Wechselrichtern in Wechselstrom umgewandelt wird. Dabei orientiert sich die Frequenz der Wechselrichter an der Frequenz des Verbundnetzes, die durch fossile Kraftwerke stabilisiert werden muss. Pumpspeicherkraftwerke wären von enormer Bedeutung für die Energiespeicherung, sie können aber nur in der Mittelgebirgen ausgebaut werden. Im Schwarzwald und in den bayerischen Alpen (zwei der geeigneten Regionen) trifft der Bau dieser Kraftwerke auf Widerstand bei der Bevölkerung.

 

    • „Die Netzbetreiber müssen mehrmals pro Tag eingreifen, um die Netzstabilität zu gewährleisten. Im Februar 2012 konnte ein durch den Ausfall von Sonne und Wind verursachter Zusammenbruch des Netzes, ein sogenannten Blackout, gerade noch verhindert werden.“ – Wie oft mussten Netzbetreiber über einen längeren Zeitraum eingreifen? In wie weit ist ein solcher Eingriff nicht ganz normaler Bestandteil des Betriebes?

      ⇒ Die Eingriffe haben sich von 10 pro Jahr auf ca. 900 pro Jahr erhöht, was auch bei Politikern bekannt ist. Sigmar Gabriel hat dies öffentlich betont. Der verhinderte Blackout zwischen 8. und 10. Februar 2012 wird ausführlich in den offiziellen Berichten der Bundesnetzagentur beleuchtet. Damals musste sogar ein fossiles Kraftwerk auf Ölverbrennung umgestellt werden, um den Blackout zu verhindern. Wenn Sie Grafiken in dem dazugehörigen Artikel über die „Speicherung der elektrischen Energie“, Abb.1 betrachten, sehen Sie, dass in diesem Zeitraum die Einspeisung aus EE praktisch null war.

 

    • Ist es nicht eine normale, natürliche Aufgabe der Netzbetreiber, ihr Netz stabil zu halten, dafür sind sie doch da, und dass diese Aufgabe je nach Charakteristika der Stromquellen unterschiedlich schwierig sein kann, ist kein Argument gegen bestimmte Stromquellen. Panta rhei - alles fließt, dass gilt doch wohl auch für unsere sich weiterentwickelnde Stromversorgung, und wir wollen doch Fortschritt, oder?

      ⇒ Der erhöhte Einsatz von Windkraft und PV bringt es mit sich, dass die Netzbetreiber nicht 10-mal pro Jahr wie vor der Energiewende, sondern 900-mal pro Jahr eingreifen müssen. Für die Versorgungssicherheit bedeutet dies nicht wirklich einen Fortschritt. Der verhinderte Blackout im Februar 2012 war eindeutig auf den vollständigen Ausfall der Leistung von Wind und PV zurückzuführen. Das können Sie gut an den Graphiken zur EE-Einspeisung sehen, die in dem Artikel zur Speicherung der elektrischen Energie auf dieser Seite enthalten sind.

 

  • Zu der Frage der Frequenzstabilität schreibt Herr Prof. Dr. Helmut Alt (FH Aachen), Co-Autor, folgendes:

    Im Verbundnetz ist die Spannung hauptsächlich von dem Blindleistungsbedarf und die Frequenz hauptsächlich vom Wirkleistungsbedarf abhängig. Das „hauptsächlich“ bedeutet ca. 90&nbsp%. Beide Größen hängen auch zu ca. 10&nbsp% von der jeweiligen anderen Größe ab. Da die Leistungs-/Frequenzregelung für einen stabilen Parallelbetrieb der Kraftwerke mit einer statischen Kennlinie erfolgen muss, d. h. bei zunehmender Last nimmt die Lastabgabe der geregelten Kraftwerke mit etwa 4&nbsp% bis zum Erreichen der Nennlast zu - andernfalls würde sich keine stabile Lastaufteilung ergeben - sinkt die Frequenz mit zunehmender Last entsprechend ab. So dürfen Sie im Physiklabor ja niemals zwei Spannungskonstantgeräte (Netzgerät, das eine konstante Spannung liefert/regelt) an den Ausgängen parallel schalten, um z. B. die Stromtragfähigkeit zu verdoppeln. Dann machen Sie eines von beiden kaputt, da diese beiden gegeneinander regeln.

    Im europäischen UCTE-Netz beträgt die Leistungskoeffizient dieser Netzregelung je nach Betriebszustand ca. 20.000 MW/Hz, d. h. 0,1&nbspHz Leistungsdefizit zwischen Erzeugung und Abnahme bedeutet 0,1&nbspHz Frequenzanstieg bei Überschusserzeugung, oder 0,1&nbspHz Frequenzabfall bei Defizit-Erzeugung. Das ist normal, darüber hinaus wird die Sekundärregelung aktiviert, d. h. die Last der Erzeugung wird in Abhängigkeit der Übergabeleistung zu den Nachbarnetzen gezielt verändert.

    Ein möglichst enges Frequenzband ist aus mehreren Gründen erwünscht oder auch notwendig, um nicht in eventuelle Resonanzbereiche der rotierenden Großkomponenten zu gelangen. Da dies zur Folge hätte, dass deren stabiler ruhiger Lauf durch Resonanzschwingungen der gesamten Anlage gefährdet würde.

    Turbinen-Generatoreinheiten sind schwingungsfähige Gebilde mit über 30 m langen gemeinsamen Wellen mit großen Massen, die viele Eigenfrequenzen haben, die außerhalb der Anregungsfrequenz durch die synchrone Drehzahl von z.B. 3000 1/min liegen müssen. Kurzzeitige Frequenzabweichungen unter +/- 0,1 Hz, d. h. 0,2 % von 3000 1/min = +/- 6 Umdrehungen pro Minute Drehzahldifferenz, d. h. +/- 2000 MW Leistungsdefizit, d. h. zwei Großkraftwerke, sind unproblematisch.

    Zum Beispiel würden auch alle auf die Netzspannung synchronisierten Uhren mit der Zeit abweichen, wenn der Mittelwert der Frequenz nicht auf den Mittelwert von genau 50&nbspHz als Referenzwert gehalten wird. Die UCTE-Netzleitstelle in Brauweiler holt in der Nacht leistungsmäßig das nach, was am Tag versäumt wurde. Dann ist der der Uhrenmittelwert wieder ok, die astronomische Zeit ist wieder gleich der Synchronzeit – im arithmetischen 24&nbspStd. Mittel, spätestens nach wenigen Tagen.