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Speicherkraftwerk

ein größerer Energiespeicher in der Stromerzeugung

Ein Speicherkraftwerk bezeichnet im Rahmen der elektrischen Energietechnik und der Stromerzeugung einen großen Energiespeicher, in welchem elektrische Energie zwischengespeichert werden kann. Speicherkraftwerke wandeln elektrische Energie je nach Kraftwerkstyp in potenzielle Energie (Lageenergie) und in kleinerem Umfang in chemische Energie oder kinetische Energie um, die in dieser Form eine bestimmte Zeit gespeichert werden kann und bei Bedarf wieder in elektrische Energie zurück konvertiert wird. Dieser mit einem Wirkungsgrad behaftete Prozess wird auch als englisch Power-to-Power bezeichnet.[1]

Speicherkraftwerke dienen der Deckung von Spitzenlasten im Stromnetz und im Rahmen der Netzregelung der Bereitstellung von Regelleistung und Bedarfsreserven, zudem werden sie genutzt, um in verbrauchsarmen Zeiten überschüssige Energie zu speichern und bei überdurchschnittlicher Leistungsnachfrage wieder gezielt abzugeben. Ein zunehmend wichtiger werdendes Einsatzgebiet ist der Ausgleich von nicht nachfrageorientierten Primärenergiequellen wie sie beispielsweise bei erneuerbaren Energieträgern vorkommen wie der wetterabhängigen Windenergie oder die von der Tages- und Jahreszeit abhängige Solarstromerzeugung.

FunktionBearbeiten

Die Notwendigkeit zu Speicherkraftwerken ergibt sich aus mehreren Gründen:

  • Um Verbrauchsschwankungen, die sich in einem Lastprofil ausdrücken lassen, auszugleichen und möglichst zu nivellieren.
  • Die meisten anderen Kraftwerke können, technologisch und prinzipbedingt, nicht entsprechend schnell genug auf Verbrauchsschwankungen reagieren bzw. bei kurzzeitigen hohen Verbrauchsspitzen schnell genug Leistung zur Verfügung stellen.
  • elektrische Stromnetze können keine Energie speichern
  • durch unvorhergesehene Schwankungen beim Verbrauch kann es zu Netzstörungen und im Extremfall zu einem Netzzusammenbruch kommen
  • Kraftwerke, die elektrischen Strom mit Hilfe der Photovoltaik, Wasserkraft und Windenergie erzeugen, unterliegen den meteorologischen und solaren Schwankungen der Primärenergieträger.

Speicherkraftwerke haben einen Energiespeicher und sind technisch so gestaltet, dass sie in möglichst kurzer Zeit bedarfsmäßig elektrische Leistung liefern können. Der Leistungsbereich liegt je nach Anlage bei einigen Kilowatt bis zu einigen 100 MW, die Zeit zum Hochfahren beginnt bei Batterie-Speicherkraftwerken mit nur 150 ms[2] und umfasst sonst einige wenige 10 Sekunden bis zu einigen wenigen Minuten, die Zeit der Bereitstellung kann einige Minuten, wenige Stunden (zum Beispiel Batterie-Speicherkraftwerke), mehrere Stunden bis hin zu mehr als einem Tag (beispielsweise Druckluftspeicherkraftwerke) betragen.

Mit verstärktem Ausbau von Wind- und Solarenergie im Rahmen der Energiewende, deren Einspeisung wetterabhängig ist, ist ein stärkerer Einsatz von Speichern notwendig. Während unterhalb eines Anteils von 40 % erneuerbarer Energien an der Jahresstromerzeugung eine Ausregelung durch Wärmekraftwerke sowie eine geringfügige Abregelung von Erzeugungsspitzen der erneuerbaren Energien eine effiziente Möglichkeit zum Ausgleich darstellt, wird oberhalb dieser Schwelle verstärkt Speicherkapazität benötigt. Für Deutschland wird davon ausgegangen, dass frühestens ab dem Jahr 2020 weitere Speicher benötigt werden.[3] Bis zu einem Anteil von ca. 40 % erneuerbarer Energien an der Jahresstromproduktion ist eine flexiblere Betriebsweise der bestehenden konventionellen Kraftwerke die vorteilhafteste Möglichkeit zur Einbindung von regenerativen Energien, erst darüber werden zusätzliche Speicherkraftwerke benötigt. Speicher, die vorher gebaut werden, ermöglichen stattdessen eine bessere Auslastung von Braunkohlekraftwerken zulasten weniger umweltschädlicher Kraftwerke (Steinkohle und Erdgas) und erhöhen somit die CO2-Emissionen.[4]

ArtenBearbeiten

Die verschiedenen Speicherkraftwerke unterscheiden sich primär durch das Speichermedium mit welchem die Energie gespeichert wird. Hierbei werden physikalische Methoden, wie das Speichern mit Hilfe von Potential- oder Druckunterschieden, sowie chemische Methoden verwendet.

Lageenergiespeicher (Potentielle Energie)Bearbeiten

Die folgenden Typen nutzen die potenzielle Energie (Lageenergie) einer Speichermasse als Energieform für die Zwischenspeicherung:

Wasser-SpeicherkraftwerkBearbeiten

 
Wasserbecken für das Pumpspeicherwerk Goldisthal in Thüringen

Die mit Abstand bedeutendste Art von Speicherkraftwerk ist das Wasserspeicherkraftwerk bzw. als Sonderform das Pumpspeicherkraftwerk. Diese beiden Typen nutzen Wasser und dessen Lageenergie zur Energiespeicherung.

  • Das Wasserspeicherkraftwerk kann in nachfrageschwachen Zeiten keine Energie aus dem Stromnetz aufnehmen und speichern. Es kann nur bei hoher Energienachfrage mehr Leistung liefern und so Nachfragespitzen kompensieren. Speicherkraftwerke sind grundsätzlich auf den natürlichen Wasserzufluss und dessen Aufstauung als Energiespeicher angewiesen.
  • Pumpspeicherkraftwerke können wie Wasserspeicherkraftwerke arbeiten und zusätzlich auch bei nachfrageschwachen Zeiten elektrische Leistung aus dem Stromnetz von anderen Kraftwerken, wie beispielsweise Windkraftwerke, aufnehmen und diese Energie speichern. Dazu wird aktiv Wasser aus niedriger Lage mit Pumpen in den höher gelegenen Speichersee gepumpt. Der Wirkungsgrad beträgt ca. 70 % bis 85 %.[5] Pumpspeicherkraftwerke stellen mit Stand 2009 die technisch einzige Möglichkeit dar, großtechnisch elektrisch Energie unter wirtschaftlichen Rahmenbedingungen zu speichern.[6]

In Deutschland haben Pumpspeicherkraftwerke eine große Bedeutung bei der Bereitstellung von Regelleistung zur Steuerung des Stromnetzes. Wasser-Speicherkraftwerke können Leistungen von 1 GW und mehr haben.

In Europa verfügt Norwegen aufgrund der geologischen Verhältnisse über etwa 1250 Wasserspeicherkraftwerke, aber mit Stand 2014 nur über einige wenige Pumpspeicherkraftwerke.[7]

HubspeicherkraftwerkBearbeiten

Eine hypothetische, bisher nicht realisierte Bauform ist das Hubspeicherkraftwerk, in dem ein Festkörper als Speichermasse verwendet wird. Die Technik hierfür ist grundsätzlich aus zahlreichen anderen Anwendungen (beispielsweise der Kuckucksuhr) erprobt, es existiert aber bisher keine Anlage für eine großtechnische Nutzung zur Stromerzeugung/-speicherung.

Chemische EnergieBearbeiten

 
Batterien für die Notstromversorgung eines Rechenzentrums

Batterie-SpeicherkraftwerkBearbeiten

Bei energietechnisch verhältnismäßig kleinen Leistungen (bis zu 100 MW[8]) werden Akkumulatoren in Batterie-Speicherkraftwerken und zur Netzstabilisierung verwendet. Derzeit wird geforscht, um Akkumulatoren leistungsfähiger, leichter, zuverlässiger und preiswerter zu machen, die Verwendung von Schadstoffen zu vermeiden, die Ladezeit zu verkürzen und die Steuerung und Sicherheit zu verbessern.

Eine Art dezentrale, hypothetische und bisher nicht realisierte Form wird im Zusammenhang mit der Elektromobilität diskutiert. Bei dem Konzept Vehicle to grid würden die Batterien der in den Garagen parkenden Autos als Speicher genutzt.

Eine weitere Art der dezentralen Speicherung auf kleinem Niveau stellen Solarbatterien dar. Dabei wird die elektrische Energie direkt vor Ort gespeichert und muss nicht transportiert werden. Gleichzeitig tragen Batteriesysteme durch die Erbringung von Systemdienstleistungen zur Verbesserung der Netzstabilität auch auf überregionaler Ebene bei.[9]

Power to GasBearbeiten

Versuchsspeicheranlagen im Leistungsbereich einiger 100 kW bedienen sich der elektrolytischen Herstellung von Wasserstoff aus Wasser. Herstellung, Speicherung, Transport und Nutzung von Wasserstoff sind Inhalt der Wasserstofftechnik. Aus EE-Strom hergestellte Gase werden als Wind- oder Solargas bezeichnet, das Verfahren zu ihrer Herstellung als Power-to-Gas.

Thermodynamische Energie (Druck und Wärme)Bearbeiten

DruckluftspeicherkraftwerkBearbeiten

In einem Druckluftspeicherkraftwerk wird Druckluft in Kavernen in ehemaligen Salzstöcken zur Energiespeicherung eingesetzt. Es gibt bisher erst wenige Anlagen, welche zudem zusätzlich mit Gas betrieben werden müssen. Beim Expandieren der Luft kühlt sich diese stark ab, sodass die Turbinen ohne zusätzliche Gasbeifeuerung vereisen würden.

Testanlagen, sogenannte adiabatische Druckluftspeicherkraftwerke, die ohne den zusätzlichen Einsatz von Gas betrieben werden können, sind in Planung.

WärmespeicherkraftwerkBearbeiten

Wärmespeicherkraftwerke sind Energiespeicher für kleine bis mittlere Energiemengen in Form eines wärmespeichernden Mediums mit möglichst hoher thermischer Wärmekapazität, Temperaturbeständigkeit und Vorhaltemenge.

Der Prozess der Wärmespeicherung erfolgt dabei konventionell über eine elektrische Heizung des Mediums, während die Energieabfuhr über ein ebenso konventionell betriebenes Dampfkraftwerk erfolgt. Als mögliche Medien kommen feste Steingranulate, flüssige Salze oder niedrig schmelzende Metalle in Betracht, die je nach Auslegung auf einige hundert bis tausend Grad Celsius erhitzt werden können.

Hohlkugeln aus Beton auf dem MeeresgrundBearbeiten

Ein Kugelpumpspeicher ist mit Stand 2017 ein Konzept eines Speicherkraftwerktyps bei dem auf dem Grund eines Gewässers in maximal 700 m Tiefe Hohlkugeln aus Beton mit ca. 30 m Durchmesser installiert werden. Bei Stromüberschuss wird das Wasser aus der Hohlkugel gepumpt, bei Strombedarf lässt man Wasser zurück in die Hohlkugel strömen und treibt dabei eine Turbine mit Generator an.[10]

UnterwasserballonBearbeiten

Mit Stand 2015 existiert ein Prototyp: Die kanadische Firma Hydrostor hat eine Versuchsanlage am Grund des Lake Ontario installiert, 2,5 km von der Küste entfernt in 55 Metern Tiefe. Unter Wasser in einer Tiefe von 50 bis 100 Metern werden riesige Ballons aus Nylongewebe am Grund angebracht. Bei Stromüberschuss wird Luft in die Ballons gepumpt. Die Druckluft kommt aus Kompressoranlagen an Land, die mit Rohren mit den Ballons verbunden sind. Durch den Wasserdruck wird die Luft stark komprimiert, so dass eine große Menge Luft in den Ballons Platz hat, ohne dass die Ballons stark belastet werden. Bei Strombedarf lässt man die Luft aus den Ballons über die Rohre an Land durch eine Turbine strömen, die einen Generator antreibt. So wird die gespeicherte Energie wieder zurück in Strom verwandelt. Bei der Kompression der Luft entsteht Wärme, die in einem Wärmetauscher gespeichert wird und beim Zurückströmen und Entspannen der Luft wieder zugeführt wird.[11][12]

Drehmassenspeicher (Kinetische Energie)Bearbeiten

In einem Schwungrad-Speicherkraftwerk wird ein Schwungrad mittels eines Elektromotors angetrieben und die Energie in Form von Rotationsenergie für kurze Speicherzeiten im Minutenbereich vorgehalten. Bei Entnahme von elektrischer Energie wird über einen elektrischen Generator das Schwungrad abgebremst. Es existieren weltweit einige wenige Prototypenanlagen im Leistungsbereich bis zu einigen MW,[13] z. B. im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching für das Experiment ASDEX Upgrade, bei dem der Strom in Sekundenbruchteilen das Plasma aufheizt.

LiteraturBearbeiten

WeblinksBearbeiten

 Wiktionary: Speicherkraftwerk – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. Andre Sternberg, Andre Bardow: Power-to-What? – Environmental assessment of energy storage systems. In: Energy and Environmental Science. Band 8, 2015, S. 389–400, doi:10.1039/c4ee03051f.
  2. heise online: Teslas Riesenakku in Australien macht sich bezahlt. Abgerufen am 24. Mai 2019.
  3. A. Moser, N. Rotering, W. Wellßow, H. Pluntke: Zusätzlicher Bedarf an Speichern frühestens 2020. Elektrotechnik & Informationstechnik 130, (2013) 75–80, S. 79. doi:10.1007/s00502-013-0136-2
  4. Michael Sterner, Ingo Stadler: Energiespeicher – Bedarf, Technologien, Integration. Berlin - Heidelberg 2014, S. 95.
  5. Pumped Hydro (Memento vom 15. Juni 2010 im Internet Archive), Techn. Beschreibung, (engl.)
  6. Adolf J. Schwab: Elektro-Energiesysteme. 2. Auflage. Springer, 2009, ISBN 978-3-540-92226-1, S. 172–175.
  7. renewablesb2b.com: „Die etwa 1250 norwegischen Wasserkraftwerke produzieren in Jahren mit normalen Niederschlagsmengen durchschnittlich ca. 126,6 TWh pro Jahr (2000-2010).“, abgerufen am 1. Mai 2014
  8. heise online: Teslas Riesenakku in Australien macht sich bezahlt. Abgerufen am 17. Mai 2019.
  9. Johannes Weniger, Selina Maier, Lena Kranz, Nico Orth, Nico Böhme, Volker Quaschning: Studie: Stromspeicher-Inspektion 2018. In: pvspeicher.htw-berlin.de. Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Berlin, November 2018, abgerufen am 15. November 2018.
  10. forschung-energiespeicher.info: " Kugelpumpspeicher unter Wasser", abgerufen am 27. Februar 2016
  11. ingenieur.de: "Ingenieure speichern Energie in riesigen Unterwasserballons", abgerufen am 4. März 2016
  12. energyload.eu: "Hydrostor Ballon-Energiespeicher: Konkurrenz für Batterien?", abgerufen am 4. März 2016
  13. Schwungrad-Speicherkraftwerk in Hazle Township, Pennsylvania (USA), Betreiberseite beaconpower