Inhalt

Zusammenfassung.   III

Abk  ürzungsverzeichnis.  IV

Abbildungsverzeichnis.   IIIV

Tabellenverzeichnis.   X

Formelverzeichnis.   X

1.  Einleitung.  1

2.  Grundlagen.  2

2.1  Warum Speichersysteme.  2

2.2  Anforderungen an Speicher.  4

2.3  Verschiedene Speicherformen.  7

3.  Technologien im Megawatt-Bereich.  9

3.1  Pumpspeicherkraftwerke.  9

3.1.1  Bestehende Kraftwerke.  12

3.1.2  Geplante Projekte.  13

Pumpspeicherkraftwerke  in stillgelegten Bergwerken.  14

Pumpspeicherkraftwerke  in stillgelegten Tageabbaustätten.  15

Pumpspeicherkraftwerke  in Küstengewässern.  17

3.2  Druckluftspeicherkraftwerke.  18

3.2.1  Bestehende Kraftwerke.  23

3.2.2  Geplante Projekte.  24

Diabate  Anlagen.  24

Adiabate  Anlagen.  25

Isobares  GuD - Druckluftspeicherkraftwerk mit Wärmespeicher.  26

Adiabate  Druckluftspeicher für die Elektrizitätsversorgung.  27

Submarine  Druckluftspeicherung.  27

Submarine  adiabate Druckluftspeicherung.  28

System  der direkten Drucklufterzeugung.  29

3.3  Chemische/Elektrochemische Speicherungen.  29

3.3.1  Wasserstoff.  29

3.3.2  Methan.  35

3.3.3  Batterien.  38

4.  Förderungen.  40

5.  Wirtschaftlichkeit.  41

6.  Perspektiven.  45

Literaturverzeichnis.   47

II

Zusammenfassung

Eine stabile Energieversorgung ist Grundlage unserer Industriegesellschaft. Ziel ist es, in den nächsten Jahrzehnten den Anteil Erneuerbarer Energien im Netzverbund zu erhöhen, bis hin zu einer Vollversorgung. Da Einspeisungen aus Erneuerbaren Energiequellen meist von meteorologischen Bedingungen abhängen, wie Sonne und Wind, unterliegt die Leistungsabgabe starken Schwankungen. Somit wächst der Bedarf an Energiespeichern, die in der Lage sind große Mengen an Energie bei Überangebot aufzunehmen und bei Bedarf abzugeben. Hierzu eignen sich Pumpspeicherkraftwerke, Druckluftspeicherkraftwerke, chemische Speicherung in Form von Wasserstoff oder Methan und elektrochemische Speicherung durch Flow-Batterien. Für die Kurzzeitspeicherung von wenigen Stunden bis Tagen und zur Energiebereitstellung in wenigen Minuten eignen sich Pumpspeicherkraftwerke, Druckluftspeicherkraftwerke und Redox-Flow-Batterien.

Pumpspeicherkraftwerke sind technisch und wirtschaftlich ausgereift, das Ausbaupotential ist durch die Abhängigkeit der Standorte von geografischen Bedingungen allerdings in Deutschland sehr begrenzt. Perspektiven sind neue Bauformen wie z.B. in stillgelegten Bergwerken oder als angelegte Inseln in Küstengewässern. Pumpspeicherkraftwerke eignen sich durch sehr geringe Speicherverluste auch für Langzeitspeicherung, sind aber bei einer höheren Zyklenanzahl pro Zeit wirtschaftlicher in der Fahrweise.

Druckluftspeicherkraftwerke gibt es bisher nur wenige auf der Welt. Für die Langzeitspeicherung eignet sich Druckluft aufgrund von Speicherverlusten nicht. Um bessere Wirkungsgrade zu erzielen, wird die Entwicklung des bisher noch nicht realisierten adiabaten Druckluftspeicherkraftwerks als groß angelegtes Forschungsprojekt vorangetrieben. Auch hier sind verschiedene Systeme, Bauformen und Speicherbehälter denkbar. Redox-Flow-Batterien sind wegen ihrer begrenzten Zyklenanzahl bisher schwierig wirtschaftlich einzusetzen, haben aber im Gegensatz zu Akkumulatoren eine externe Speichereinheit. Andere Anforderungen werden an Langzeitspeicher gestellt. Sie müssen Kapazitäten über Wochen oder Monate ausgleichen können. Eine Alternative ist der Netzausbau im Verbund mit Norwegen, um das dortige große Potential an Pumpspeichern einzubinden. Andere Möglichkeit ist die Speicherung in Wasserstoff oder synthetischem Methan. Durch Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff kann überschüssiger Strom in chemischer Energie gebunden werden. In einem weiteren Schritt kann aus dem Wasserstoff durch Zudosieren von Kohlendioxid synthetisches Methan gewonnen werden, das direkt in das Erdgasnetz eingespeist werden kann. Somit erschließt sich die Infrastruktur und Speicherkapazität des Erdgasnetzes. Mit beiden obengenannten Gasen sind auch Hybridanlagen in Kopplung mit Biogasanlagen denkbar und geplant.

III

Abkürzungsverzeichnis Abkürzungen AA-CAES Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage ADELE Adiabate Druckluftspeicher für die Elektrizitätsversorgung AG Aktiengesellschaft BCG Boston Consulting Group BHKW Blockheizkraftwerk BMBF Bundesministeriums für Bildung und Forschung

BMU

BMWi Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie CAES Compressed Air Energy Storage CCS Carbon Dioxide Capture and Storage Methan CH ⁴ Kohlendioxid CO ² DENA Deutsche Energie-Agentur GmbH DLR Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt DWPS Dispatchable Wind Power System EE erneuerbare Energien EEG Erneuerbare-Energien-Gesetz EES Elektroenergiespeicher EEX European Energy Exchange EFZN Energieforschungszentrums Niedersachsen el. elektrisch EnWG Energiewirtschaftsgesetz ETG Energietechnische Gesellschaft im Verein Deutscher Ingenieure EWEC European Wind Energy Conference and Exhibition G Generator GC General Compression

IV

GuD Gas-und Dampfturbinenprozess Wasserstoff H ² H 2 O Wasser HGÜ Hochspannungsgleichstromübertragung HT Hochtemperatur ICARES Integrated Compressed Air Renewable Energy Systems IFEU Institut für Energie und Umweltforschung Heidelberg INT Fraunhofer-Institut Naturwissenschaftlich-Technische Trendanalysen IOPAC Inverse Offshore Pump Accumulation Station

ISACOAST-CC Isobaric Adiabatic Compressed Air Energy Storage Combined Cycle IWES Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik LMBV Lausitzer und Mitteldeutschen Bergbau-Verwaltungsgesellschaft Ltd Limited Company M Motor Mio. Millionen Sauerstoff O ² ORC Organic Rankine Cycle PSW Pumpspeicherkraftwerk PUSKUT Pumpspeicherkraftwerks unter Tage

PWM Phasenwechselmedium

SM-AI-CAES Submarine Adiabatic and Isobaric Compressed Air Energy Storage SMES supraleitende elektrische Energiespeicher SNG Synthetic Natural Gas TAB Büro für Technikfolgenabschätzung beim Deutschen Bundestag th thermisch TU Technische Universität USV unterbrechungsfreie Stromversorgung VDE Verein Deutscher Ingenieuere WEA Windenergieanlage ZSW Zentrum für Sonnenergie- und Wasserstoff-Forschung

V

Einheiten % Prozent °C Grad Celsius

GW Gigawatt GWh Gigawattstunden h Stunden Hz Hertz kg Kilogramm kJ Kilojoule km Kilometer kW Kilowatt kWh Kilowattstunde m Meter min Minuten MW Megawatt Megawattstunden thermisch MWh th

Nm ³ Normkubikmeter s Sekunden TWh el Terrawattstunden elektrisch TWh th Terrawattstunden thermisch V Volt W Watt Wh Wattstunden

VI

Formelzeichen E Energie potentielle Energie E ^pot g Ortsfaktor, Erdanziehung H Enthalpiedifferenz h Höhe h m mittlere Höhe obere Höhe h ^o h u untere Höhe m Masse

Dichte V Speicher Speichervolumen

W Ausspeichern ausgespeicherte Arbeit/Energie W Einspeichern eingespeicherte Arbeit/Energie

VII

Abbildungsverzeichnis   

Abbildung  1 Negative Strompreise an der  

Abbildung  2 Definition der Spitzenleistung Mittellastleistung und Grundlastleistung  

anhand  der Jahresdauerkennlinie  

Abbildung  3 Zeitlicher Ablauf des Einsatzes der verschiedenen Regelenergiearten  

Abbildung  4 Einteilung nach Art der Energiespeicherung  

Abbildung  5 Vergleich der Systemgrößen und Entladungszeit von verschiedenen  

Energiespeichern   

Abbildung  6 Zeitlich unterschiedliche Fluktuationen der EE-Überschüsse (links) und des  

Spitzenlastbedarfs  der verbleibenden Last.  

Abbildung  7 Schematische Darstellung eines  

Abbildung  8 Beispielhafte Aufteilung der Wirkungsgradverluste eines PSW.  

Abbildung  9 Zeitverlauf bei Betriebsartenwechsel des PSW Goldisthal.  

Abbildung  10 PSW unter  

Abbildung  11 Querschnitt durch einen Braunkohletagebau  

Abbildung  12 Pumpspeicherwerk in einem Tagebaurestloch.  

Abbildung  13 Energy Island  

Abbildung  14 Vielseitige Nutzungsmöglichkeiten der Green Power Island  

Abbildung  15 Schaltschema Druckluftkraftwerk Huntorf.  

Abbildung  16 T s Diagramm des Druckluftkraftwerks Huntorf.  

Abbildung  17 Schaltschema  

Abbildung  18  

Abbildung  19 Speicherwirkungsgrad der Anlage Huntorf.  

Abbildung  20 Isobares GuD - Druckluftspeicherkraftwerk mit Wärmespeicher  

Abbildung  21 Submarine adiabate Druckluftspeicher.  

Abbildung  22 Elektrolyse von Wasser (schematische Darstellung)  

Abbildung  23 Wind/Wasserstoffsystem der Insel Utsira  

VIII

Abbildung 24 Aufbau und Funktion des Enertrag-Hybridkraftwerks Abbildung 25 Wirkungsgrade des Methanpfades

Abbildung 26 Konzept zur Wandlung überschüssigen Stroms aus EE-Anlagen

Abbildung 27 Containerintegrierte Alpha-Anlage der Solar Fuel GmbH am ZSW Stuttgart Abbildung 28 SNG integriert in eine Biogasanlage37 Abbildung 29 Schematische Darstellung einer Redox-Flow-Batterie Abbildung 30 Zusammensetzung der Stromgestehungskosten

für eingespeicherte Energie..............................................................................42 Abbildung 31 Einordnung der Betriebs- und Investitionskosten verschiedener

Speichertechnologien.......................................................................................43 Abbildung 32 Speicherkosten bei zentraler Stundenspeicherung, 1 GW für 8 Stunden (8

Abbildung 33 Speicherkosten bei Wochenspeicherung, 500 MW für 200 Stunden (100

Tabellenverzeichnis Tabelle 1 Bedarf an positiver und negativer Regelleistung Tabelle 2 Kenngrößen zur Bewertung von Speichern Tabelle 3 Turbinentypen in PSW11 Tabelle 4 CAES Konzeptentwicklungsstufen.....21 Tabelle 5 verschiedene Möglichkeiten für Wärmespeicher...25 Tabelle 6 Gravimetrische und volumetrische verschiedener Brennstoffe im Vergleich..30 Tabelle 7 Auswahl in Japan betriebener Redox-Flow-Anlagen Tabelle 8 Zusammenfassung der einzelnen Forschungsvorhaben mit Bezug zu Energiespeicher41

Formelverzeichnis

Formel 1 Wirkungsgrad Pumpspeicher.................................................................................10 Formel 2 Potentielle Energie................................................................................................10 Formel 3 Theoretische Leistung PSW...................................................................................11 Formel 4 Oxidation von Wasserstoff.....................................................................................30 Formel 5 Reaktion an den Elektroden eines Elektrolyseurs.................................................30 Formel 6 Sabatier-Prozess....................................................................................................35

X

1. Einleitung

Ohne eine sichere Energieversorgung ist unser Leben heute nicht mehr vorstellbar, ohne eine Einbindung von immer größeren Anteilen an Erneuerbaren Energiequellen (EE), unser Energiesystem nicht mehr denkbar. Vielfach als vierte Revolution bezeichnet, bringt die Umstellung unseres Energiesystems Probleme mit sich, die gelöst werden müssen. Die Einspeisung regenerativer Energien, die wie z.B. Wind und Sonne von meteorologischen Bedingungen abhängen, kurzfristig und stark schwanken können (Volatilität), und zudem einer Prognoseungenauigkeit unterliegen, stellt die Netzbetreiber vor eine große

energiewirtschaftliche Herausforderung. Ziel der Bundesregierung ist es, einen Anteil von mindestens 30% EE bis 2020 zu erreichen, aus den Zahlen des BMU Leitszenarios 2009 ergibt sich sogar ein Anteil von 35%. [DENA 2010]

Das Stromnetz besitzt keine wesentliche Speicherkapazität (0,04 TWh el ) und unsere heutige Energieversorgung stimmt die Bereitstellung von Strom auf die Nachfrage ab. Wie kann die überschüssige Energie aus Zeiten in denen der Wind stark weht und die Nachfrage übersteigt, in Zeiten der Windflauten mit hoher Nachfrage verlegt werden? Die Boston Consulting Group nennt im März 2010 den Markt für Energiespeicherung im industriellen Maßstab einen der interessantesten Wachstumsmärkte die derzeit entstehen. [BCG] Immer wieder fällt der Strompreis in den letzten Monaten an der Europäischen Strombörse (EEX) in Leipzig ins Minus, d.h. Stromkunden werden für die Abnahme von elektrischer Energie bezahlt, da die Windkraftanlagen (26 GW installierte Leistung, Tendenz steigend) bei Starkwind inzwischen zeitweise mehr elektrischen Strom produzieren als die Verbraucher Strom benötigen und das Netz Überhangenergie nicht aufnehmen kann. Zu Spitzenlastzeiten, d.h. hohem Strombedarf von Verbraucherseite aus kostet eine kWh wiederum Höchstpreise.

Wegen der Vorrangigkeit der Regenerativen Energien dank Erneuerbarem Energien Gesetz (EEG) müssen dann nicht nur konventionelle und nukleare Kraftwerke zurückgefahren werden, sondern sogar der überschüssige Strom im Netz aufgenommen werden. Da kurzfristiges Zurückfahren sehr ineffiziente Regelvorgänge erfordert, dies ist z.B. zu Zeiten deutlicher Windfehlprognose der Fall, fällt der Spotmarktpreis für Strom an der Börse auf Werte unter null, wie die Abb. 1 für die Monate September 2009 bis März 2010 zeigt. Bei Spotmarktpreisen unter null erhält der Käufer des Stroms eine Vergütung. Negative Rekordpreise lagen am 04. 10. 09 bei 1499 Wh.

1

Speichersysteme können überschüssigen Strom aufnehmen und bei Bedarf abgeben, Angebot auf Verbrauch abstimmen, Netzzusammenbrüche vermeiden und beheben, Windenergie plan-und regelbar gestalten und sind somit zunehmend Teil einer effizienten, sicheren und umweltverträglichen Stromversorgung. Im Folgenden werden technische Lösungen und Perspektiven der Stromspeicherung im Großenergiebereich vorgestellt. Um das Themengebiet einzugrenzen wird in dieser Arbeit bewusst darauf verzichtet, auf kleinere dezentrale Speichermöglichkeiten und in dieser Hinsicht auch auf Elektromobilität näher einzugehen, ebenso wird Wärmespeicherung nur in Zusammenhang mit dem geplanten Großprojekt des adiabaten Druckluftkraftwerks erwähnt. Großenergiespeicher sind sicherlich auch zur Speicherung von Strom aus konventionellen Quellen interessant, da sich durch die großen Preisunterschiede zu Stark-und Schwachlastzeiten durch eine Zwischenspeicherung trotz Energieverlusten wirtschaftliche Vorteile ergeben können. Gefördert und vorangetrieben durch die Notwendigkeit, die sich bei einem höheren Anteil Regenerativer Energien ergibt, wird sich zeigen, welche Aufgaben große Speichermöglichkeiten in Zukunft übernehmen werden. Auch diese Frage wird im Umfang dieser Arbeit nicht thematisiert. Ziel dieser Arbeit ist es, einen Überblick über technische Lösungsmöglichkeiten und Perspektiven zur Speicherung von großen Energiemengen zu geben.

2. Grundlagen

2.1 Warum Speichersysteme

Grundsätzliche Lösungsmöglichkeiten zum Ausgleich von Verbrauch und Bereitstellung sind Lastmanagement (Absenken und Verteilen der Spitzenlasten von Verbraucherseite aus), bessere internationale und nationale Vernetzung (z. B. durch

Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ)) und Speichersysteme. Alle drei Ansätze sollten in ergänzender Form nebeneinander bestehen.

2