Wie kann grüne Energie saisonal, mittel- und kurzfristig gespeichert werden?

Die grüne Produktion von Strom aus Windkraft- und Solaranlagen ist von Wetter und Tageszeit abhängig. Es wird also nicht immer dann Strom produziert, wenn auch Strom verbraucht wird. Damit die erzeugte Energie nicht verloren geht, braucht es Energiespeicher. Es gibt mittlerweile sehr viele Forschungsbereiche und auch schon einige industrielle Anwendungen.

Es ist höchste Zeit, auf fossile Energieträger zu verzichten. Die Klimaveränderungen drängen. Die Primärenergien wie Erdöl und Erdgas werden immer teurer. Die meisten Ortschaften und Städte verfügen nicht über genügend regenerative Energie-Anlagen. Sie müssen „grünen“ Strom oft von weit her beziehen.  Wir müssen auf erneuerbare Energien umstellen. Grünen Strom von weit her zu transportieren ist schwierig und ebenfalls teuer.

Ersatz Kohlekraftwerke.


Durch Solaranlagen und Windkraftwerke.




Die Elektrifizierung der Mobilität benötigt viel mehr grünen Strom.




Der Strom von Windkraftwerken muss über grosse Strecken hinweg transportiert werden.



Es braucht viel mehr Wasserspeicher.



Es gibt neue Technologien wie Power to Gas.



Batteriespeicher können Tagesschwankungen ausgleichen.



Bidirektionales Laden macht aus Elektroautos einen gigantischen Energiespeicher.



Thermische Speicher (Salzwasserspeicher) können dezentral für Wärme genutzt werden.

Wärmespeicherkessel im Verbund mit traditionellen Kraftwerksanlagen.

All das erfordert den Aufbau moderner, intelligenter Snart Grids.

Transport von grünem Strom.

 Windenergie ist die wichtigste erneuerbare Energiequelle in Deutschland. Wasserkraft ist es in der Schweiz. Doch der grüne Strom muss zu den Verbrauchern transportiert werden – über ein Stromnetz, dessen Kapazität noch zu gering ist und mit viel Sonnen- oder Windstrom instabil wird. Neue Stromtrassen müssen gebaut werden, das Stromnetz muss intelligenter werden (Smart Grid). Die Transformation geschieht über mehrere Stufen beziehungsweise unterschiedliche Netzebenen.

250 000 Kilometer misst das gesamte Stromnetz der Schweiz. Alle Leitungen zusammen würden die Erde rund sechs Mal umrunden. Das Stromnetz ist aufgebaut in verschiedene Spannungsebenen:

Höchstspannungsebene:
380 000 Volt = 380 kV für Kraftwerke sowie Importe aus dem Ausland
220 000 Volt = 220 kV hat das Übertragungsnetz

Mittelspannungsebene:
36 kV bis 150 kV Spannung

Niederspannungsebene:
unter 1 kV Spannung, 400 resp. 230 Volt für das lokale Netz

 

Pumpspeicherkraftwerke als saisonale Zwischenspeicher.

Mit überschüssiger Energie aus dem Stromnetz wird Wasser in sogenannte Pumpspeicherstauseen gepumpt. Sobald im Winter zusätzlicher Strom benötigt wird, kann das Wasser abgelassen werden. Dabei werden Turbinen angetrieben. Die so generiert elektrische Energie wird wieder ins Netz eingespeist. Die geografischen Bedingungen für Pumpspeicherkraftwerken sind in Deutschland nicht ideal. In den Schweizer Alpen jedoch schon. Das 2003 in Betrieb genommene Goldisthal-Kraftwerk in Thüringen, Deutschland, ist mit einer Speicherkapazität von 8,5 Gigawattstunden ausgelegt. Es ist eines der größten in Europa. Auch in der Schweiz müssten weitere Pumpspeicherkraftwerke gebaut oder zumindest ausgebaut werden. Das Potenzial wäre sowohl in Deutschland wie in der Schweiz vorhanden. Politisch ist dieser Ausbau aber umstritten.

 

Batteriespeicher.

Batteriespeicher sind im Gegensatz zu Pumpspeicherstauseen nicht geeignet, um grosse Reserven für längere Zeit zu speichern. Hingegen können Batteriespeicher Schwankungen im Stromnetz ausgleichen und zwar sehr schnell. So zum Beispiel können sie die wetterabhängige Produktion von erneuerbaren Energien sowie den schwankenden Energiebedarf im Tageslauf ausgleichen. Die Kapazitäten von Batteriespeichern werden rasch ausgebaut.

Wenn die Sonne intensiv scheint, wird am meisten Solarenergie produziert. Also zu einer Zeit, wenn der Stromverbrauch bei den meisten Haushalten eher niedrig ist. Produzieren Sie Ihren eigenen Sonnenstrom? Mit einem Batteriespeicher können Sie Solarstrom tagsüber produzieren, rund um die Uhr selbst verbrauchen. Der Batteriespeicher speichert überschüssigen Solarstrom und gibt ihn dann ab, wenn Sie ihn brauchen. Ein Batteriespeicher funktioniert wie ein Akku: Er speichert überschüssigen Solarstrom, damit Sie abends, wenn viel Licht brennt, der Fernseher läuft und die Waschmaschine im Einsatz ist, verbrauchen können. Auch bei Dunkelheit und schlechtem Wetter, wenn Ihre Solaranlage kein Strom produziert. So steigt Ihr Eigenverbrauch und Ihre Photovoltaikanlage zahlt sich noch mehr aus, da Sie so weniger Strom aus dem Netz beziehen.

Elektro-Autos als Energiespeicher.

Mit der Energiewende ist die Abkehr von fossil betriebenen Verbrennungsmotoren gefordert. Die Folge ist eine Elektrifizierung des öffentlichen und des individuellen Verkehrs mit erneuerbar produziertem grünem Strom. Es braucht Batterietypen, die möglichst wenig Ressourcen benötigen und höhere Leistungen ausweisen.

Im Jahr 2020 betrug der Anteil neuzugelassener Steckerfahrzeuge (rein und hybrid) in der Schweiz 14,3%. Der Gesamtbestand rein elektrisch betriebener Personenwagen betrug rund 6%. Bei batterieausgerüsteten Personenwagen betrug der Anteil rund 20%. Die Umsetzung der Energiestrategie des Bundes wird hauptsächlich über die Elektroenergie laufen.

Die Mobilität, Elektrizität, Wärmeversorgung, Energieverteilung und Netzkapazität sind jedoch ein Gesamtsystem. Die dezentrale Energieerzeugung ist deshalb ein wichtiger Faktor und Liegenschaften haben einen besonderen Stellenwert.

«sun2wheel» - ein Schweizer Start-up - macht Batterien von Elektrofahrzeugen als Energiespeicher nutzbar. Das neuartige System verbindet Solarenergie, Elektromobilität und Elektrizitätsnetz und setzt somit neue Massstäbe im Bereich Lade- und Speicherinfrastruktur. So lässt sich der Anteil des Eigenverbrauchs der PV-Anlage im Gebäude erheblich steigern. Und die Elektroautos können so nicht nur Elektrizität laden, sondern auch ans öffentliche Netz abgeben. Das Akku-Ladesystem kann so gesteuert werden, dass es nicht nur Energie aufnimmt, sondern auch abgibt, wenn das Auto nicht gebraucht wird – und zwar ohne bedeutende Verluste der eigenen Fahrleistung.

 

Bidirektionale Ladetechnologie.

Batterien können sowohl geladen als auch entladen werden. Mit der bidirektionalen Ladetechnik wird die überschüssige Batteriekapazität der Elektroautos erstmals als Stromspeicher für Gebäude nutzbar. Die V2H-Anwendung (vehicle to home) oder V2G (vehicle to grid) ist allerdings noch nicht für alle Marken und Modelle verfügbar. Ein weiterer Vorteil ist aber, dass mit Hilfe dieser Technologie ausrangierte Auto-Batterien gut als lokale Stromspeicher im Gebäude weiter verwendet werden können.

 

Power-to-Gas Technologie.

Mit Power-to-Gas kann überschüssig anfallender Strom aus Solar-, Wind- oder Wasserkraftwerken in Form von Methan (synthetisches Erdgas) oder Wasserstoff gespeichert werden. Power-to-Gas ist eine vielversprechende Technologie für eine nachhaltige Energieversorgung der Schweiz. Mit Hilfe von überschüssigem Strom wird Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt (Elektrolyse). Der Wasserstoff lässt sich problemlos speichern. Der Wasserstoff wird anschliessend mit Kohlendioxid (CO2) in einem Reaktor zu Methangas umgewandelt.

Energien aus erneuerbaren Ressourcen können mit Hilfe von Power to Gas in grossen Mengen zwischen Gas- und Stromnetz transferiert werden.  Eine bedeutende Rolle spielt dabei die Gasinfrastruktur. Das Methangas kann genau gleich wie Erdgas in den Gasnetzen bestehend aus Gasleitungen und Kavernen gespeichert werden. So ist man zwischen Erzeugung von grünem Strom, Herstellung, Transport und Verbrauch von Methangas extrem flexibel. Das Gas wird als Brenn- oder Treibstoff genutzt. Auch eine Rückverstromung ist möglich und kann in bestimmten Fällen sinnvoll sein. Bei den einzelnen Prozessen handelt es sich um bewährte Verfahren. Neu ist die Kombination zu einer innovativen Gesamtlösung, die verschiedene Energieträger und die dazugehörenden Netze zusammenführt (Sektorenkopplung).

Power-to-Heat Technologie.

„Power to Heat“ bedeutet auf Deutsch „Energie zu Wärme“. Damit die die Erzeugung von Wärme mithilfe von Strom gemeint. Mit überschüssigem Strom aus dem Netz oder beispielsweise von Windkraftanlagen oder Solaranlagen wird flüssiges Salz erhitzt. Das Salz speichert diese Wärme. Bei Bedarf kann diese gespeicherte thermische Energie mittels einer Dampfturbine in elektrische Energie zurückverwandelt werden. Die Umwandlung von Strom zu Wärmeenergie gelingt auch mit Elektroheizungen oder mit Wärmepumpenheizungen. Diese Technologie kann Einsparung fossiler Energieträger bewirken und einen Beitrag zur Stabilisierung der Energienetze leisten. Power to Heat Anlagen eignen sich für die Wärmeversorgung von Industrieanlagen oder für Gebäude. Auch konventionelle Öl- oder Gasheizungen können durch eine entsprechende Nachrüstung eines Pufferspeicher genutzt werden. Auch Elektroheizungen oder Wärmepumpen können ergänzt werden. Power-to-Heat ermöglicht die Abnahme überschüssiger Energie aus dem Netz oder aus Photovoltaikanlagen.

 

Solarkraftwerke mit Salzspeicher.

So ähnlich funktionieren Solarkraftwerke mit thermischen Speichern. Wärme wird mit Salz dreimal effizienter gespeichert als mit Wasser. Die aufnehmbare Wärmemenge in Salz kann bei gleichem Volumen das Dreifache von Wasser betragen. Sonnenergie wird mit Spiegeln eingefangen und in Salztanks als Wärme gespeichert. Während der Nachtzeit liefert dann die Wärmeenergie der heißen Salzlösung und die Schmelzwärme beim Erstarrungspunkt die nötige Energie um mit Dampfturbinen Strom zu produzieren.

 

Umbau von Kraftwerken in Power-to-Heat-Speicher.

Immer häufiger kommt es zu großen Überschüssen in den elektrischen Netzen. Die ist durch den Ausbau der erneuerbaren Energien bedingt. Herkömmliche Kraftwerke könnten aber ohne großen Aufwand in Power-to-Heat-Speicher umgebaut werden, um die Umwandlung von überschüssigem Strom in grüne Wärme zu speichern. Auch Sie können mit entsprechender Umrüstung selbst CO2-freie Wärme nach Ihren eigenen Bedürfnissen produzieren.