Speicherkraftwerk
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), kinetische Energie, chemische Energie oder Wärmeenergie um, die in dieser Form eine bestimmte Zeit gespeichert werden kann und bei Bedarf wieder in elektrische Energie zurück konvertiert wird.
Bei der Speicherung und Rückgewinnung kommt es abhängig vom Kraftwerkstyp und Dauer der Speicherung zu einem Energieverlust, woraus sich der durchschnittliche Wirkungsgrad einer Anlage bestimmen lässt.
Aufgaben von Speicherkraftwerken
Elektrische Stromnetze können keine Energie speichern. Da es sowohl im Verbrauch als auch in der Bereitstellung von Strom zu Schwankungen kommt, dienen Speicherkraftwerke im Rahmen der Netzregelung der Bereitstellung von Regelleistung und Bedarfsreserven. Dazu gehören:
- Ausgleich von Verbrauchsschwankungen und Spitzenlasten je nach Tageszeit (Lastprofil)
- Ausgleich von zeitlichen und meteorologischen Schwankungen bei der Stromerzeugung durch Solaranlagen und Windkraftanlagen. Aufnahme von überschüssigem Strom.
- Ausgleich bei Netzstörungen oder dem Ausfall einzelner Kraftwerke.
- Vermeidung von Stromausfällen und Erleichterung des Hochfahrens von Kraftwerken nach einem Stromausfall. Viele Speicherkraftwerke sind schwarzstartfähig.
Speicherkraftwerke sind technisch so gestaltet, dass sie in möglichst kurzer Zeit bedarfsmäßig elektrische Leistung liefern können. Batterie-Speicherkraftwerke und Schwungräder können innerhalb von Millisekunden[1] Energie bereitstellen. Druckluft- und Pumpspeicherkraftwerke sind innerhalb weniger Minuten leistungsbereit. Der Leistungsbereich liegt je nach Anlage bei einigen Kilowatt bis zu einigen 100 MW, die Dauer der Bereitstellung kann zwischen wenigen Minuten oder auch mehreren Stunden liegen.
Bedeutung für die Energiewende
Mit verstärktem Ausbau von Wind- und Solarenergie im Rahmen der Energiewende, deren Einspeisung wetterabhängig ist, ist ein Ausbau von Speicherkraftwerken erforderlich. 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 wurde 2013 davon ausgegangen, dass frühestens ab dem Jahr 2020 weitere Speicher benötigt würden.[2] 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.[3]
Kraftwerkstypen
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 Wärme, Potential- oder Druckunterschieden, sowie chemische Methoden verwendet.
Lageenergiespeicher (Potentielle Energie)
Die folgenden Typen nutzen die potenzielle Energie (Lageenergie) einer Speichermasse als Energieform für die Zwischenspeicherung:
Speicherwasserkraftwerk
Beim Speicherwasserkraftwerk wird das Wasser eines Fließgewässers zu einem Stausee aufgestaut, aus dem es in Zeiten erhöhten Energiebedarfs abfließen und in einem Wasserkraftwerk elektrische Energie erzeugen kann. Durch einen natürlichen Zulauf füllt sich der Speicher von alleine wieder auf. Speicherkraftwerke, bei denen elektrische Energie aus dem Stromnetz in Schwachlastzeiten verwendet wird, um den Wasserspeicher mittels Pumpen aufzufüllen, werden Pumpspeicherkraftwerke genannt. Wasserkraftanlagen, die Fließgewässer kontinuierlich nutzen, werden als Laufwasserkraftwerke bezeichnet.
In Norwegen gehören Wasserkraftwerke zum Grundpfeiler der Energieversorgung. Etwa 1250 Wasserkraftwerke liefern jährlich mehr als 120 TWh an Strom, wobei 3/4 der installierten Leistung von Speicherwasserkraftwerken bereitgestellt wird.[4][5]
Pumpspeicherkraftwerk
Pumpspeicherkraftwerke funktionieren wie Wasserspeicherkraftwerke. Zudem kann überschüssige elektrische Leistung aus dem Stromnetz gespeichert werden. Dazu wird Wasser aus niedriger Lage mit Pumpen in den höher gelegenen Speichersee gepumpt. Der Wirkungsgrad beträgt ca. 70 % bis 85 %.[6]
In Deutschland haben Pumpspeicherkraftwerke eine große Bedeutung bei der Bereitstellung von Regelleistung zur Steuerung des Stromnetzes. Deutschlandweit gibt es etwa 30 Pumpspeicherkraftwerke mit einer Gesamtleistung von 7 Gigawatt und einer Speicherkapazität von 40 GWh.
Kugelpumpspeicher
Ein Kugelpumpspeicher ist mit Stand 2017 eine besondere Bauform des Pumpspeicherkraftwerks, bei dem unter Wasser in maximal 700 m Tiefe Hohlkugeln aus Beton mit ca. 30 m Durchmesser installiert werden. Bei Stromüberschuss (z. B. aus einem Offshore-Windparks) 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.[7] Eine Kugel mit 30 m Durchmesser wäre 10.000 Tonnen schwer und könnte 20 MWh speichern. Der Wirkungsgrad läge zwischen 75 % und 80 %.[8]
Hubspeicherkraftwerk
Hubspeicherkraftwerke speichern elektrische Energie in Form von potentieller Energie (Lageenergie). Anstelle von Wasser werden hierbei Festkörper als Speichermasse genutzt. Die Technik hierfür ist grundsätzlich aus zahlreichen anderen Anwendungen (beispielsweise der Kuckucksuhr) erprobt, es existieren aber bisher kaum Anlagen für die großtechnische Nutzung.
Für 2019 ist die Fertigstellung einer Anlage in der Nähe von Pahrump (USA) geplant: Auf einer acht Kilometer langen Gleisstrecke mit 600 m Höhenunterschied sollen 7 automatisch gesteuerte elektrisch angetriebene Züge mit einem Gesamtgewicht von 9280 t bergauf und bergab fahren, um die Energie aus örtlichen Solar- und Windanlagen zu speichern und über Nutzbremsen wieder freizugeben. Die Waggons sind mit gegossenen Betonformen beschwert, wiegen jeweils 272 t und sollen auf der Talfahrt eine Leistung von 48 MW bei einem Wirkungsgrad von 80 % erzeugen.[9]
Eine Testanlage wird derzeit (Stand Anfang 2020) im Kanton Tessin gebaut.[10]
Drehmassenspeicher (Kinetische Energie)
In einem Schwungrad-Speicherkraftwerk wird ein Schwungrad mittels eines Elektromotors angetrieben und die Energie in Form von Rotationsenergie für kurze Speicherzeiten im Minutenbereich vorgehalten. Moderne Schwungräder arbeiten hierbei mit hohen Drehzahlen bei geringen Reibungsverlusten durch Magnetlager und Vakuum. Bei Entnahme von elektrischer Energie wird über einen elektrischen Generator das Schwungrad abgebremst. Typische Anwendungsfälle sind die Stabilisierung von Stromnetzen und die Rückgewinnung von Bremsenergie im Bahnverkehr und bei Industrieanwendungen. Es existieren weltweit Anlagen im Leistungsbereich bis zu einigen MW,[11] z. B. im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching für das Experiment ASDEX Upgrade, bei dem der Strom in Sekundenbruchteilen das Plasma aufheizt.
Chemische Speicherung
Brenngase können mithilfe von Strom erzeugt werden (Power-to-Gas-Konzepte), Gaspipelines und Pufferbehälter können dadurch als Speicher genutzt werden
Da Akkumulatoren Strom speichern ist angedacht, die Flotte parkender Elektroautos als variablen Stromspeicher zu nutzen (Vehicle to Grid).
Batterie-Speicherkraftwerk
Bei energiewirtschaftlich verhältnismäßig kleinen Leistungen (bis zu 300 MW[12]) werden Akkumulatoren in Batterie-Speicherkraftwerken zur Netzstabilisierung verwendet. Mit Stand 2016 waren weltweit Batteriespeicher mit einer Leistung von 1,5 GW installiert, mit steigender Tendenz.[13]
Redox-Flow-Batterie
Eine Sonderform des Akkumulators stellt die Redox-Flow-Batterie dar: Die zwei energiespeichernden Elektrolyte zirkulieren dabei in zwei getrennten Kreisläufen, zwischen denen in der galvanischen Zelle mittels einer Membran der Ionenaustausch erfolgt. Die Tankgröße mit den Elektrolyten ist hierbei einfach skalierbar. Es wird für möglich gehalten, dass Flowzellen auf umweltfreundlicher Ligninbasis zukünftig bei einem Speicherwirkungsgrad von 90 % Speicherkosten von ca. 3 ct/kWh aufweisen werden.[14] Im Vergleich zum Lithium-Ionen-Akku ist die Energiedichte einer Redox-Flow-Zelle um ein Vielfaches geringer.
Druckluftspeicherkraftwerk
In einem Druckluftspeicherkraftwerk wird Druckluft in Kavernen in ehemaligen Salzstöcken zur Energiespeicherung eingesetzt. Derzeit existieren nur wenig Anlagen, die 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.
Anstelle der Speicherung in Kavernen gibt es seit 2015 auch einen Prototyp, bei dem Ballons unter Wasser mit Druckluft gefüllt werden: 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 und beim Zurückströmen und Entspannen der Luft wieder zugeführt wird.[15][16]
Wärmespeicherkraftwerk
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 oder eine Wärmepumpe, während die Energieabfuhr über ein konventionelles Dampfkraftwerk erfolgt. Als mögliche Medien kommen feste Steingranulate oder flüssige Wärmeträger in Betracht, die je nach Auslegung auf einige hundert bis tausend Grad Celsius erhitzt werden können.
Im Rahmen der Energiewende und dem in Deutschland geplanten Kohleausstiegs bis 2038 wird derzeit getestet, ob der Umbau von Kohlekraftwerken zu Wärmespeicherkraftwerken zielführend ist. Hierbei sind Pilotanlagen mit den Speichermedien Vulkangestein[17] und Flüssigsalz[18] in Betrieb bzw. geplant.
Auch im Rahmen der Kraft-Wärme-Kopplung kommen Wärmespeicher zum Einsatz, um die Versorgung mit Wärmeenergie unabhängig von der aktuellen Stromerzeugung gewährleisten zu können.[19]
Kryogene Energiespeicherung
Bei diesem Verfahren wird Luft oder Stickstoff mit dem Linde-Verfahren auf −195 °C heruntergekühlt und lässt sich im Vakuumgefäß bei Atmosphärendruck lagern. Bei der Umwandlung in Gas wird die damit verbundene starke Zunahme von Volumen und Druck dazu genutzt, um eine Turbine zur Stromerzeugung anzutreiben. Die Technologie wird bereits in einem britischen Kraftwerk im Pilotbetrieb eingesetzt.
Vergleich von Speicherkraftwerken
Die folgende Liste beinhaltet einige exemplarische Speicherkraftwerke und soll einen Überblick über altbewährte und neue Technologien geben.
| Name |
Typ |
Energie- form |
Status |
Land |
Fertig- stellung |
Lebensdauer in Jahren |
Leistung in MW |
Kapazität in MWh |
Wirkungs- grad |
Investition in Mill. € |
Reaktionszeit in Minuten |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Pumpspeicherwerk Goldisthal | Pumpspeicherkraftwerk | Lageenergie | Kommerzieller Betrieb |  |
2003 | 30–100 | 1.060 | 8.500 | 80 % | 623 | 1,63 |
| Kraftwerk McIntosh | Druckluftspeicherkraftwerk | Luftdruck | Kommerzieller Betrieb |  |
1991 | 28 bisher | 110 | 2.860 | 54 % | ? | 14 |
| Windpark Hornsdale | Batterie-Speicherkraftwerk | Lithium-Ionen | Kommerzieller Betrieb |  |
2017 | ? | 100 | 129 | 90–98 % | 100 | <1 |
| Wärmespeicher Hamburg-Altenwerder[20] | Hochtemperaturwärmespeicher | Wärme in 1000 t Vulkangestein | Pilotprojekt | |
2019 | ? | ? | 130 | 22 %; bei Marktreife 45 % angestrebt[21] | ? | wenige Minuten |
| M-Partnerkraft SWM[22] | Schwungrad-Speicherkraftwerk | Schwungrad DuraStor | Pilotprojekt | |
2010 | 20[23] | 0,6 | 0,1 | 85–90 % | ? | <1 |
| Rail Energy Storage Project[24] | Hubspeicherkraftwerk | Elektobetriebener Zug | Pilotprojekt | |
2018 | 30–40 | 50 | 12,5 | 80 % | 50,05 | ? |
Anmerkungen: Die Lebensdauer von PSWs liegt für Turbinen und Pumpen bei 30–60 Jahren; für Speicherbecken und Talsperren bei 80–100 Jahren.[25]
Literatur
- Michael Sterner, Ingo Stadler (Hrsg.): Energiespeicher. Bedarf, Technologien, Integration. 2. Auflage, Berlin/Heidelberg 2017, ISBN 978-3-662-48893-5.
- Florian Hannig et al.: Stand und Entwicklungspotenzial der Speichertechniken für Elektroenergie – Ableitung von Anforderungen an und Auswirkungen auf die Investitionsgüterindustrie. Kurzfassung Abschlussbericht BMWi-Auftragsstudie 08/28. BMWi, 28. August 2009 (Volltext auf bmwi.de [PDF]).
- Agentur für Erneuerbare Energien: Strom speichern. Renews Spezial Nr. 29 (2010) (Memento vom 25. Oktober 2010 im Internet Archive)
- Adolf J. Schwab: Elektroenergiesysteme: Erzeugung, Transport, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie. 2. Auflage. Springer, 2009, ISBN 978-3-540-92226-1.
- Horst Völz: Speicher als Grundlage für Alles. Shaker Verlag, Düren 2019, ISBN 978-3-8440-6964-8.
Weblinks
Einzelnachweise
- heise online: Teslas Riesenakku in Australien macht sich bezahlt. Abgerufen am 24. Mai 2019.
- 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
- Michael Sterner, Ingo Stadler: Energiespeicher – Bedarf, Technologien, Integration. Berlin/Heidelberg 2014, S. 95.
- 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
- Florian Ess, Lea Haefke, Jens Hobohm, Frank Peter, Marco Wünsch: Bedeutung der internationalen Wasserkraft-Speicherung für die Energiewende. Prognos, Berlin 9. Oktober 2012, S. 26 (weltenergierat.de [PDF; 2,0 MB; abgerufen am 8. Juli 2021]).
- Pumped Hydro (Memento vom 15. Juni 2010 im Internet Archive), Techn. Beschreibung, (englisch)
- forschung-energiespeicher.info: Kugelpumpspeicher unter Wasser, abgerufen am 27. Februar 2016
- ingenieur.de: Betonkugeln im Bodensee sollen Windstrom speichern, abgerufen am 23. September 2019
- Zugwaggons speichern Strom ingenieur.de, 30. Mai 2016, abgerufen am 23. September 2019.
- Peter Höllrigl: Neue Super-Batterie - Kann dieser Turm unsere Energiezukunft sichern? In: srf.ch. 3. Januar 2020, abgerufen am 3. Januar 2020.
- Schwungrad-Speicherkraftwerk in Hazle Township, Pennsylvania (USA), Betreiberseite beaconpower
- Mitsubishi Installs 50MW Energy Storage System to Japanese Power Company In: globalspec.com. 11. März 2016, abgerufen am 28. Januar 2017.
- Studie: Speichermarkt wächst rasant. In: IWR, 25. August 2016. Abgerufen am 25. August 2016.
- Wo kann die grüne Energie geparkt werden?. In: Frankfurter Allgemeine Zeitung, 21. Mai 2019. Abgerufen am 21. Mai 2019.
- ingenieur.de: "Ingenieure speichern Energie in riesigen Unterwasserballons", abgerufen am 4. März 2016
- energyload.eu: "Hydrostor Ballon-Energiespeicher: Konkurrenz für Batterien?", abgerufen am 4. März 2016
- pv-magazine.de: Tanz auf dem Vulkan: Siemens Gamesa nimmt neuartigen elektrothermischen Energiespeicher in Hamburg in Betrieb, abgerufen am 27. September 2019.
- energate-messenger.de: RWE plant Wärmespeicherkraftwerk im Rheinischen Revier, abgerufen am 27. September 2019.
- kraftwerkforschung.info: Hochtemperatur-Wärmespeicher für flexible GuD-Kraftwerke, abgerufen am 27. September 2019.
- Hamburg Energie: Siemens Gamesa nimmt neuartigen elektrothermischen Energiespeicher in Betrieb. 16. September 2019, abgerufen am 20. September 2019.
- BMWi: Vulkangestein speichert Windstrom. 20. August 2019, abgerufen am 22. September 2019.
- Aachener Zeitung: Stadtwerke München vermarkten Jülicher Speicher. 9. November 2015, abgerufen am 22. September 2019.
- ingenieur.de: Dieses Schwungrad speichert Windenergie, abgerufen am 23. September 2019.
- ARES Nevada. Abgerufen am 23. September 2019.
- FfE: Gutachten zur Rentabilität von Pumpspeicherkraftwerken. (PDF) 1. September 2014, abgerufen am 20. September 2019.