Speicher für sicheren Strom allein aus Wind und Sonne

06.04.2011

Analyse des Speicherbedarfs einer sicheren und bedarfsgerechten erneuerbaren Stromversorgung Europas auf der Basis langjähriger Wind- und Globalstrahlungsdaten

Erstmals wurde im Zuge der Dissertation des Autors "Speicherbedarf bei einer Stromversorgung mit erneuerbaren Energien" systematisch analysiert wie viel Speicher eine sichere und jederzeit bedarfsgerecht lieferfähige Stromversorgung auf der Basis von Wind und Sonne erfordert. Die Forschungen zeigen die große Bandbreite von Lösungsmöglichkeiten für diese Herausforderung, die heute als Umbauziel für die nächsten Jahrzehnte angesehen wird. Dabei werden weder Einsparungen noch Eingriffe in Verbrauchsgewohnheiten (Lastmanagement) vorausgesetzt.

Die Arbeit liefert Grundlagen für einen ganzheitlichen und gesamtwirtschaftlich optimierten Ansatz beim Aufbau einer regenerativen Stromversorgung, der es erlaubt, konventionelle Kraftwerke nicht nur zu ergänzen, sondern zu ersetzen. Sie macht Vorschläge zur Errichtung großer Energiespeicher hohen Wirkungsgrads in Form von Ringwallspeichern, die es ermöglichen, die längsten zu erwartenden Defizitphasen von Strom aus Wind und Sonne zu überbrücken.

Die derzeitige energiepolitische Diskussion zum Ausbau der erneuerbaren Stromerzeugung vernachlässigt in hohem Maße, dass elektrische Energie präzise, zeitgenau auf die Nachfrage abgestimmt, verfügbar sein muss. Wetterlaunig, temporär über dem Bedarf verfügbare Energie kann aber nur genutzt werden, wenn sie gespeichert und zeitversetzt abgegeben werden kann. Die Anforderungen an diese Speicher wurden erstmals systematisch analysiert.

Technisch stellt die Arbeit Lösungsvorschläge zur Diskussion, wie eine bedarfsgerechte und robuste Stromversorgung auf der Basis von Wind und Sonne errichtet werden kann. Ökologisch zeigt sie einen Weg, wie dies mit möglichst geringem Landverbrauch durchgeführt werden kann. Ökonomisch liefert sie maßgebliche Auslegungsparameter zu einer Minimierung der Gesamtkosten einer erneuerbaren Stromversorgung.

Die gewonnen Erkenntnisse lassen sich kommerziell nutzen durch den Bau der vorgeschlagenen Speicher zum Langzeitausgleich von Strom aus Wind und Sonne und durch geschickte Kombination des Aufbaus von Wind- und Solarenergieanlagen. Diese Frage erlangt hohe Brisanz, wenn mit dem Ausstieg aus der Kernenergie und der Begrenzung von CO2-Emissionen in Zukunft ernst gemacht werden soll. Die Vorschläge sind zudem für eine energiewirtschaftliche Nachfolgenutzung von Tagebaugebieten geeignet, wenn dies in der Abbauphase berücksichtigt wird.

Der Ausgleichs- und Speicherbedarf einer bedarfsgerechten Stromversorgung allein aus Wind und Sonne, hängt von zahlreichen Parametern ab. Er variiert zwischen einigen Tagesladungen1 und mehreren Monatsladungen der durchschnittlich nachgefragten elektrischen Leistung. Diese Einflussparameter wurden in der Dissertation2 systematisch untersucht. Mit Ringwallspeichern werden Pumpspeichersysteme zur Diskussion gestellt, die in allen Ländern, unabhängig von Gebirgen, errichtet werden könnten, um die Speicherlücke zu schließen.

Die Einbindung von Wind- und Solarenergieanlagen in das Stromversorgungsnetz in der in Zukunft geplanten Größenordnung, als Ersatz für Kohle und Kernkraftwerke, erfordert Speicher in erheblichem Umfang. Die Frage, welchen Ausgleichs- und Speicherbedarf eine so aufgebaute Energieversorgung erfordert, wurde in der Vergangenheit, bemerkenswerter Weise, kaum erforscht. Das betrifft auch die Frage, von welchen Einflussparametern dieser Bedarf abhängt. Öffentliche und in Medien ausgetragene Diskussionen bei der Errichtung von Speicherbauwerken sind häufig von Unkenntnis darüber geprägt, welch wichtige Rolle Stromspeichersysteme für eine nachhaltige regenerative Stromversorgung spielen.

Der so launig wie das Wetter verfügbare Strom aus Wind und Sonne orientiert sich, im Gegensatz zu dem Strom, der mit konventionellen Kraftwerken produziert wird, nicht an der Nachfrage. Eine Stromversorgung funktioniert allerdings nur, wenn der ins Netz eingespeiste Strom exakt der Nachfrage folgt. Solange Wind und Sonne nur in geringem Umfang zur Stromversorgung beitragen, können andere, bedarfsgerecht arbeitende Kraftwerke in dem Maß, wie dieser Strom anfällt, ihre Leistung zurücknehmen und dafür sorgen, dass die Bilanz aus Erzeugung und Verbrauch ausgeglichen ist. Die Windenergie erreicht in einigen Regionen bereits heute eine Größenordnung, die bei Starkwind zu einem Überangebot führt. Mit der vorher beschriebenen Methode und den Möglichkeiten des konventionellen Kraftwerksparks lässt sich dieses nicht mehr ausgleichen.

Mögliche Ventile, um die Stabilität der Stromversorgung zu erhalten, sind dann noch der Export, wenn entsprechende Leitungskapazitäten vorhanden sind, oder die Abschaltung von Windenergieanlagen. Wenn die technischen Voraussetzungen dafür vorhanden sind, kann auch die abgenommene Windleistung reduziert werden. Wären Speicher verfügbar, dann könnten diese mit der ansonsten abzuregelnden Leistung aufgeladen werden.

Leistungsdargebot der Windenergie und Stromnachfrage

Wind und Sonne können, im Gegensatz zu anderen regenerativen Energien, auch in Deutschland ein Vielfaches von der Energie liefern, welche im Land benötigt und verbraucht wird. Die Einspeisung von Windenergie ins deutsche Stromnetz ist in Abbildung 1 beispielhaft für das Jahr 2005 dargestellt.

Abb. 1. Tatsächliche Windstromeinspeisung in der Bundesrepublik Deutschland im Jahr 2005 bezogen auf die installierte Leistung (blau). Im Durchschnitt abgegebene Leistung (rosa). 100% entspricht der zum jeweiligen Zeitpunkt installierten Nennleistung der Windenergieanlagen. Mit der Durchschnittsleistung vergleichender Verlauf der durchschnittlichen monatlichen Stromnachfrage (lila). Grafik: Matthias Popp. Daten: eigene Berechnung, Datenbasis: ISET

Aufgetragen ist die tatsächlich eingespeiste Leistung in Prozent, bezogen auf die Nennleistung der vorhandenen Windenergieanlagen. Die Nennleistung (100%) würde erreicht, wenn im gesamten Land der Wind so stark bliese, dass alle Windenergieanlagen ihre volle Leistung abgeben würden. Es zeigt sich, dass dies praktisch zu keinem Zeitpunkt eintritt, weil in einigen Regionen der Wind doch schwächer ist. Allerdings lassen sich immer wieder Flauten feststellen, die das gesamte Land erfassen.

Im Langzeitdurchschnitt kann man feststellen, dass die vom Kollektiv der deutschen Windenergieanlagen abgegebene Leistung etwa 20% der installierten Leistung (Nennleistung) erreicht. Der Benutzungsgrad der Anlagen liegt somit bei ca. 20%. Diese Leistungsentfaltung unterscheidet sich erheblich von der Stromnachfrage. Sie ist in Abbildung 1 mit ihren Monatsdurchschnittswerten im Vergleich zur Durchschnittswindleistung aufgetragen.

Die Stromnachfrage in Europa liegt gemäß Abbildung 2 im Winter etwas über ihrem Jahresdurchschnitt und im Sommer etwas darunter. Zudem weist sie einen typischen Tages- und Wochenverlauf auf, der in Abbildung 3 beispielhaft für eine Sommerwoche in Deutschland dargestellt ist.

Abb. 2. Zeitlicher Verlauf der Netzlast Wochen-Mittelwerte europäischer Länder mit mehr als 15 GW im Durchschnitt. Grafik: M. Popp. Daten: entsoe.net, transparency platform of ENTSO-E
Abb. 3. Zeitlicher Verlauf der Netzlast in Deutschland während der 26. Kalenderwoche der Jahre 2006 bis 2009. Grafik: M. Popp. Daten: entsoe.net, transparency platform of ENTSO-E)

Sie unterscheidet sich allerdings deutlich von der volatil3 verfügbaren Windleistung. Würde im Jahresverlauf mit Windenergieanlagen genau so viel Energie gewonnen, wie auch verbraucht wird, dann müsste damit immer dann, wenn ein Überangebot vorliegt, ein idealisiert angenommener verlustfreier Speicher gefüllt werden, um damit die Defizite in Flautenzeiten ausgleichen zu können.

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