Speicher gleichen Stromschwankungen aus
VDI nachrichten, Düsseldorf, 5. 9. 08, mg – Im Energiemix spielen erneuerbare Energien eine zunehmende Rolle. Strom aus Wind- und Sonnenenergie ist jedoch schwer planbar. Es hängt von Wetter und Tageszeit ab, wie viel Energie ins Netz eingespeist wird. Das verstärkt die Schwankungen im Netz massiv. Fraunhofer-Forscher arbeiten daran, solche Schwankungen durch geeignete Speichertechniken auszugleichen.
Wir arbeiten daran, die Lieferung von Wind- und Sonnenenergie ebenso planbar zu machen wie die Energie aus konventionellen Kraftwerken und entwickeln dazu wirtschaftliche und umweltschonende Lösungen, um ausreichend Reserven vorhalten zu können“, erklärt Dr. Christian Dötsch, Leiter des Geschäftsfelds Energiesysteme am Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energiesysteme (Umsicht) in Oberhausen. „Dabei setzen wir vor allem auf fortschrittliche Technologien zur Energiespeicherung.“
Wissenschaftler aus acht Fraunhofer-Instituten arbeiten dabei zurzeit an Lösungen: Beispiele sind neue Kurzzeitspeichermaterialien und Hochleistungsspeicher für schnelle Lastspitzen, wie Doppelschichtkondensatoren (DSK), Supraleitende Magnetische Energiespeicher (SMES) oder Schwungräder.
Zu den Langzeitspeichern zählen etwa Pumpspeicher- bzw. Druckluftspeicherkraftwerke. Daneben forscht man im Umsicht-Institut auch an Entwicklungen in der Leistungselektronik, dem Energiemanagement und an der Integration von Speichern in das vorhandene Netz. „Es gibt verschiedenste Technologien um elektrische Energie zu speichern, aber keine kann alles,“ so Dötsch. „Man muss also von der jeweiligen Anwendung ausgehen.“
Mehr als 99 % der weltweit vorhandenen Energiespeicherleistung wird durch Pumpspeicherkraftwerke dargestellt – mit einer Gesamtleistung von 85 GW. Doch der Ausbau gerade dieser Art der Strompufferung ist in Deutschland wenig aussichtsvoll – es fehlen schlicht geeignete Areale.
Forschungsschwerpunkte beim Fraunhofer-Institut sind hingegen zwei, bisher noch nicht für größere Leistungen genutzte Technologien: Redoxflow- und Lithium-Batterien. Redoxflow-Batterien (Red für Reduktion, also Elektronenaufnahme Ox für Oxidation, also Elektronenabgabe) können Energie langfristig über Stunden oder Tage und in großen Mengen speichern.
Die Umwandlung in Strom erfolgt in einem Redoxflow-Stack, der im Aufbau einer Brennstoffzelle ähnelt. Die zwei flüssigen Elektrolyten lagern in separaten Tanks. Dadurch hängt die gespeicherte Energiemenge nicht mehr von der Zellengröße ab. Erste Redox-Großanlagen existieren bereits in Japan, Australien, England und den USA mit bis zu 15 MW Leistung und bis zu 120 MWh Kapazität.
Das größte System dieser Art wird in einer japanischen Windkraftanlage als Strompuffer eingesetzt und kann mit 6 MW Leistung rund 10 Stunden lang genügend Strom liefern, wenn das Windkraftwerk in Folge von Windflaute nicht arbeitet. Wissenschaftlern der Universität von Massachusetts ist zudem eine Verbesserung bei den Elektrolyten gelungen: Eine Salzlösung auf der Basis von Vanadium und Bor. Die Energiedichte dieser Mischung reicht an die von Benzin heran.
Auch Lithium-Ionen-Batterien eignen sich prinzipiell zum Zwischenspeichern von Strom aus Windenergie. „Bei einem elektrischen Energiespeicher als Puffer in Lithium-Ionen-Technologie lassen sich – bezogen auf die Effizienz – Wirkungsgrade von 80 % und mehr erzielen“, weiß Andreas Gutsch vom Technologiekonzern Evonik, der einen keramischen Elektrodenseparator auf Nanobasis entwickelt hat, was diese Energiebündel extrem sicher macht und große Speicherdichten ermöglicht.
Als Kurzzeitpuffer kommen hingegen eher supraleitende Spulen in einem magnetischen Feld in Frage: Bei den Supraleitenden Magnetischen Energiespeichern (SMES) wird ein Wirkungsgrad zwischen 85 % und 95 % erreicht. Realisiert sind solche Systeme bislang bis 1,4 MW Leistung, die als Hochleistungsspeicher fungieren, da sie in sehr kurzer Zeit sehr hohe Ströme freisetzen können, schildert Dötsch. In diese Richtung gehen auch Doppelschichtkondensatoren (DSK), die auch als Superkondensatoren, Supercaps, Ultracaps, Boostcaps, Powercaps oder Goldcaps bezeichnet werden.
Druckluftspeicherkraftwerke als Langzeitpuffer haben zurzeit noch den Nachteil hoher Wärmeverluste, erläutert Fachmann Dötsch. Doch eine viel versprechende Weiterentwicklung stellt die adiabat arbeitende Variante dar, die diesen Nachteil nicht hat. Mit einer ersten Demonstrationsanlage ist jedoch erst 2015 zu rechnen.
In der Zwischenzeit sind sogenannte „virtuelle Energiespeicher“ eine weitere Möglichkeit: Hierbei wird Energie nicht real zwischengespeichert oder eingespeist, sondern gezielt weniger oder mehr Energie verbraucht. Beispiele für virtuelle Energiespeicher sind temporär abschaltbare Grundwasserpumpen, regelbare Tiefkühllagerhäuser oder auch Kühlschränke in Privathaushalten. Eine in die Zukunft gerichtete Technik ist auch, demnächst die Batterien von Elektrofahrzeugen als Puffer im Stromnetz zu nutzen (Vehicle to Grid).
„Alle Speichertechnologien sollen insgesamt dazu beitragen, die Anzahl der kostenintensiven Schattenkraftwerke zu reduzieren, die notwendig sind, um die unregelmäßige Energielieferung von Windkraft und Solarenergie auszugleichen,“ so Dötsch. Dabei handelt es sich um konventionelle Kraftwerke, die die meiste Zeit des Jahres lediglich in Bereitschaft stehen. „Auch wenn das ,Wann?“ schwer zu beantworten ist, das ,Wo?“ ist zu erkennen,“ meint Dötsch zu den Zukunftsperspektiven der Speicher: „Inseln oder sehr abgelegene Gebiete, die nicht ans Stromnetz angeschlossen werden, könnten schon in naher Zukunft von den Technologien profitieren. Danach folgen, wenn die Kosten sinken und der Bedarf steigt, die stationären Anwendungen im Netz.“ EDGAR LANGE
Bei „virtuellen Energiespeichern“ wird Strom gezielt mehr oder weniger verbraucht
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