Speicherkraftwerk

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Als Speicherkraftwerk wird im Rahmen der elektrischen Energietechnik und der Stromerzeugung ein größerer Energiespeicher bezeichnet, in welchem mittels eines Energieträgers elektrische Energie in verbrauchsarmen Zeiten gespeichert und bei hoher Leistungsnachfrage zeitversetzt und gezielt abgegeben werden kann. Er dient der Deckung von Spitzenleistung und im Rahmen der Netzregelung der Bereitstellung von Regelleistung.

Funktion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 elektrische 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 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 umfasst 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 % Erneuerbaren 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.[1] Bis zu einem Anteil von ca. 40 % erneuerbaren Energien an der Jahresstromproduktion ist eine flexiblere Fahrweise 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 Ergas) und erhöhen somit die CO2-Emissionen.[2]

Arten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 | Quelltext bearbeiten]

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

Wasser-Speicherkraftwerk[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 %.[3] Pumpspeicherkraftwerke stellen mit Stand 2009 die technisch einzige Möglichkeit dar, großtechnisch elektrisch Energie unter wirtschaftlichen Rahmenbedingungen zu speichern.[4]

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.[5]

Hubspeicherkraftwerk[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Hubspeicherkraftwerk

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 erprobt, es existiert aber bisher keine Anlage für eine großtechnische Nutzung zur Stromerzeugung/-speicherung.

Chemische Energie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Batterien für die Notstromversorgung eines Rechenzentrums

Batterie-Speicherkraftwerk[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei energietechnisch verhältnismäßig kleinen Leistungen (bis zu 36 MW) 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 verbraucht und muss nicht transportiert werden.

Brennstoffspeicher[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Da sich Brennstoffe, und damit die darin enthaltenen chemische Energie, problemlos in großen Mengen lagern und anschließend in thermischen Kraftwerken verfeuern lassen, ist grundsätzlich jedes Kraftwerk mit vorgeschaltetem Brennstofflager auch ein Speicherkraftwerk (z.B. Gasturbinenkraftwerk). Große Speicher für feste, flüssige und gasförmige Brennstoffe sind Stand der Technik.

Power to Gas[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Hauptartikel: Power-to-Gas

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 | Quelltext bearbeiten]

Druckluftspeicherkraftwerk[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Druckluftspeicherkraftwerk

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.

Wärmespeicherkraftwerk[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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.

Solarthermisches-Speicherkraftwerk[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Sonnenwärmekraftwerk

Hierbei handelt es sich um ein Solarkraftwerk, das mit Spiegeln die Sonnenstrahlen bündelt und so ein Arbeitsmedium erhitzt. Diese Wärme kann in einem Wärmespeicher z.B. auf Flüssigsalz-Basis für Stunden bis wenige Tage zwischengespeichert werden, bevor es in einem üblichen Dampfkraftwerk zur Stromerzeugung genutzt wird.

Hohlkugeln aus Beton auf dem Meeresgrund[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Auf dem Meeresgrund in etwa 700 Metern Tiefe werden Hohlkugeln aus Beton mit etwa 30 Metern Durchmesser installiert. Bei Stromüberschuss wird das Wasser aus der Hohlkugel gepumpt. Es entsteht ein Vakuum. Bei Strombedarf lässt man Wasser zurück in die Hohlkugel strömen und treibt dabei eine Turbine mit Generator an. Das System ist in der Erprobung. Im Bodensee läuft 2016 ein Testversuch mit einer Hohlkugel mit drei Metern Durchmesser und in einer Wassertiefe von 100 m. Solche Anlagen sollen bei Offshore-Windkraftanlagen zum Einsatz kommen. So kann die Energie unmittelbar neben den Windkraftanlagen gespeichert werden und benötigt keine zusätzlichen Stromleitungen z. B. zu Batterie-Speicherkraftwerken an Land. Nach vorläufigen Berechnung sollen pro Hohlkugel 20 MWh gespeichert werden können. Das entspricht der Energie, die ein Offshore-Windrad in vier Stunden produzieren kann. Ein Nachteil ist jedoch, dass eine geeignete Tiefe für die Hohlkugeln bei 700 m liegt, die Offshore-Windräder jedoch meist in seichtem Gewässer aufgestellt werden. Es sollen viele (mehr als 80) Hohlkugeln zu einem Energiepark zusammengefasst werden. Die Kosten pro eingelagerter kWh sollen bei wenigen Eurocent liegen und damit im Bereich von Pumpspeicherkraftwerken. Der Wirkungsgrad soll bei 80 bis 85 Prozent liegen.[6][7] Zu bedenken ist, dass Batterie-Speicherkraftwerke heute schon kostengünstiger arbeiten können und beim Aufstellungsort und der Skalierung wesentlich flexibler sind, als auch wesentlich unkomplizierter zu installieren sind.

Unterwasserballon[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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.[8][9]

Drehmassenspeicher (Kinetische Energie)[Bearbeiten | Quelltext 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,[10] z. B. im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching für das Experiment ASDEX Upgrade, bei dem der Strom in Sekundenbruchteilen das Plasma aufheizt.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Wiktionary: Speicherkraftwerk – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. 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
  2. Michael Sterner, Ingo Stadler: Energiespeicher – Bedarf, Technologien, Integration. Berlin - Heidelberg 2014, S. 95.
  3. Pumped Hydro (Memento vom 15. Juni 2010 im Internet Archive), Techn. Beschreibung, (engl.)
  4. Adolf J. Schwab: Elektro-Energiesysteme. 2. Auflage. Springer, 2009, ISBN 978-3-540-92226-1, S. 172–175.
  5. 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
  6. spiegel.de: " Pumpspeicher: Forscher planen Windkraft-Akkus am Meeresgrund", abgerufen am 23. Februar 2016
  7. forschung-energiespeicher.info: " Kugelpumpspeicher unter Wasser", abgerufen am 27. Februar 2016
  8. ingenieur.de: "Ingenieure speichern Energie in riesigen Unterwasserballons", abgerufen am 4. März 2016
  9. energyload.eu: "Hydrostor Ballon-Energiespeicher: Konkurrenz für Batterien?", abgerufen am 4. März 2016
  10. Schwungrad-Speicherkraftwerk in Hazle Township, Pennsylvania (USA), Betreiberseite beaconpower