Speicher für sicheren Strom allein aus Wind und Sonne
Matthias Popp 06.04.2011
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Ringwallspeicher

Da weitere gut geeignete und konfliktarm genehmigungsfähige Standorte für konventionelle Pumpspeicherkraftwerke in Gebirgslandschaften der meisten Länder kaum aufzufinden sind, wird vorgeschlagen, diese als Ringwallspeicher gemäß Abbildung 12 auf dem flachen Land oder im Meer zu errichten.

Der Aushub des äußeren Wasserrings für das Unterbecken würde dafür verwendet um den Ringwall für das innen liegende Oberbecken aufzubauen.

Abb. 12. Ringwallspeicher-Hybridkraftwerk mit 3,2 GW Spitzen- und 2 GW Durchschnittsleistung bei einer Reichweite von 14 Tagen. Illustration: Stefan Schiessl, Dachau

Bei der Bemessung einer derartigen Anlage gilt der Zusammenhang, dass eine Verdoppelung der geometrischen Abmessungen von Durchmesser, Höhe und vorgesehenen Pegelschwankungen in Ober- und Unterbecken zu einer Versechzehnfachung des Energieinhalts führt.

Ein Ringwallspeicher ermöglicht bei einer ausreichenden Größe damit größte Speicherkapazitäten. Die in Abbildung 12 dargestellte Anlage hätte einen Durchmesser von 11,4 Kilometer und eine Ringwallhöhe von 215 Meter.

Die maximale Pegeldifferenz im Oberbecken läge bei 50 Meter, im Unterbecken bei 20 Meter, der mittlere Höhenunterschied der Wasserflächen betrüge 200 Meter. Das Oberbecken und der südliche Wall könnten mit Solarenergieanlagen bestückt werden. In Kombination mit ca. 2.000 Windenergieanlagen (Nabenhöhe z.B. 160 Meter, Rotordurchmesser 120 Meter) würde die dargestellte Anlage die Leistung zweier Kernkraftwerke ersetzen und besser als diese eine bedarfsgerechte Stromversorgung sicher stellen.

Weil die Gesamtanlage damit die Funktionen Energiegewinnung und -speicherung vereinigt, wird sie als Hybridkraftwerk bezeichnet. Mit ca. 30 der in Abbildung 12 dargestellten Anlagen wäre Deutschland allein in der Lage, eine regenerative sichere Stromversorgung Deutschlands allein aus Wind und Sonne darzustellen. Ein Rückgriff auf fossile und nukleare Energieträger wäre nicht erforderlich. Primärenergiekosten würden dauerhaft nicht mehr anfallen.

Bei einer Verdoppelung der geometrischen Abmessungen (Durchmesser ca. 20 Kilometer, Ringwallhöhe ca. 440 Meter) würden bei halbiertem Erdbauvolumen und Viertelung des insgesamt notwendigen Flächenbedarfs, zwei Ringwallspeicher ausreichen, um den Ausgleich zwischen Erzeugung und Verbrauch in Deutschland für eine sichere Stromversorgung allein aus Wind und Sonne zu ermöglichen.

Anlagengröße und gesamtwirtschaftliche Optimierung

Ringwallspeicher in der angegebenen Größenordnung können mit einem spezifischen Erdbauaufwand pro Kilowattstunde Speicherkapazität errichtet werden, der dem von Mittelgebirgspumpspeicherkraftwerken entspricht. Die Größe der Maßnahme und die bessere Zugänglichkeit der gesamten Baustelle berechtigt zu der Erwartung, dass die spezifischen Kosten niedriger ausfallen werden als bei Gebirgsspeichern. Sind in einer Region natürliche Höhenunterschiede vorhanden, dann lassen sich mit dem gleichen Erdbauaufwand pro Speicherkapazitätseinheit auch kleinere Systeme realisieren als auf dem flachen Land.

Die Minimierung des Speicherbedarfs führt sicher nicht zur kostenoptimalen Lösung einer erneuerbaren Stromversorgung. Solange der Preisunterschied zwischen Solar- und Windstrom so hoch wie im Jahr 2011 ist, kann erwartet werden, dass es gesamtwirtschaftlich kostengünstiger wäre, etwas größere Speicher aufzubauen, als durch massiven Ausbau der Fotovoltaik den Speicherbedarf zu minimieren.

Der Bedarf an Speichersystemen ließe sich durch europaweite leistungsstarke Vernetzung, höhere Erzeugungsreserven und bevorzugten Einsatz der Biomasse zum Ausgleich der Volatiltität von Wind und Sonne weiter reduzieren. Bei Offshore errichteten Speichern würde der Flächenbedarf des Unterbeckens wegfallen, weil das dann das Meer wäre.

Vergleich zur Biomasseverstromung

Der in Abbildung 12 skizzierte Ringwallspeicher beansprucht eine Bodenfläche von 100 Quadratkilometer. Als Aufstell- und Zufahrtsflächen für die ca. 2.000 Windenergieanlagen entsteht ein weiterer Flächenbedarf von ca. 10 Quadratkilometer. Solarenergieanlagen können ohne eigenen Flächenverbrauch auf dem Ringwallspeicher und/oder auf den Dächern des Versorgungsgebiets angebracht werden.

Würde auf der für das Gesamtsystem beanspruchten Bodenfläche Biomasse zur Stromerzeugung angebaut, dann würde das eine durchschnittliche Leistungsabgabe von ca. 40 Megawatt ermöglichen. Das System aus Ringwallspeicher, Wind- und Solarenergieanlagen ermöglicht bei entsprechender Auslegung, den ca. 50-fachen Energieertrag pro Flächeneinheit gegenüber einer Stromversorgung mit Biogasanlagen.

Vergleich zu Desertec (Solarstrom für Europa aus der Sahara)

Die am Boden ankommende Globalstrahlung in Nordafrika liegt knapp beim Doppelten wie in der Mitte Deutschlands. Der Wirkungsgrad liegt, wegen des hohen Anteils direkter Strahlung und der thermodynamischen Prozesse, die damit zur Energieumwandlung möglich werden, höher als bei Fotovoltaik. Die Solarkraftwerke an sich könnten damit Strom erzeugen, der preislich mit dem aus Windenergie konkurrieren kann.

Der so gewonnene Strom müsste durch das Mittelmeer und über tausende Kilometer lange Leitungen in die europäischen Verbrauchszentren transportiert werden. Speicher müssten auf alle Fälle zur Überbrückung der Nachtstunden geschaffen werden. Durch Aufbau von Überkapazität bei den Solaranlagen in der Wüste, ließe sich auch für die verbrauchsstarken Jahreszeiten im Winter genügend Strom bereitstellen. Zum Null-Tarif wäre das alles eben so wenig zu haben wie jede andere Art der Stromversorgung. Neben der Abhängigkeit von Öl und Gas würde sich Europa in eine weitere externe Abhängigkeit von Strom begeben. Im Gegensatz dazu würde mit gut auf die Regionen verteilten Speichersystemen, Wind- und Solarenergieanlagen eine robuste Stromversorgung entstehen, die nicht auf die Sicherung so langer Übertragungswege angewiesen wäre.

Vergleich zur Nutzung skandinavischer Wasserspeicher

Sollten Norwegen und Schweden dazu bereit sein, dann wäre es möglich, die dort vorhandenen und technisch in Frage kommenden Seen zu Pumpspeicheranlagen auszubauen. Bei Aufbau entsprechend leistungsstarker Stromleitungen könnte der Ausgleich der volatilen erneuerbaren Energien der Nord- und Ostseeanrainerstaaten über Stromtransporte von und nach Skandinavien erfolgen. Im Gegensatz zu den zur Diskussion gestellten Ringwallspeichern, würde man in Skandinavien vergleichbare Pegelschwankungen in natürlich vorhandenen Seen auslösen, um die Speicherfunktion auf analoge Weise zu erreichen. Damit würde man massiv in existierende Wasserökosysteme eingreifen.

Im Gegensatz zu erzeugungs- bzw. verbrauchsnah errichteten Ringwallspeichern fielen beim Stromtransport nach Skandinavien zusätzliche Wirkungsgradverluste für den Hin- und den Rückweg an. Statt einem Speicherwirkungsgrad von ca. 80% käme man inklusive der erforderlichen Hin- und Rückübertragung nur noch auf einen Gesamtwirkungsgrad von 60% bis 70%. Diese erhöhten Speicherverluste müssten wiederum durch die Errichtung zusätzlicher Wind- und Solarenergieanlagen ausgeglichen werden. Je größer der Abstand zu den skandinavischen Speichermöglichkeiten, desto weniger dürfte diese Option in Erwägung gezogen werden.

Vergleich mit anderen Speichertechnologien

Wasserspeichersysteme wie Pumpspeicher-, Ringwallspeicher- und Speicherwasserkraftwerke erreichen hohe Wirkungsgrade und weisen kaum Selbstentladungsverluste auf. Ihre Lebensdauer liegt bei vielen Jahrzehnten und hätte bei entsprechender Pflege und Bewirtschaftung kaum Grenzen. Sie gelten als die am kostengünstigsten realisierbaren Stromspeicher in der Energiewirtschaft. Lade- und Endladeleistung kann in Form von Pumpen- und Turbinensystemen, nach Bedarf bereitgestellt werden.

Batteriesysteme

Einige Batteriesysteme, z.B. Lithium-Ionen-Akkus, erreichen ähnlich gute Wirkungsgrade und Leistungseigenschaften. Die Selbstentladung über der Zeit ist systemabhängig und kann höher sein als bei Wasserspeichersystemen. Die Lebensdauer ist bei vielen Systemen deutlich kürzer. Die Herstellungskosten liegen um Größenordnungen über denen von Wasserspeichersystemen. Sie bieten sich für spezielle Anwendungen, wie z.B. Elektroautos an, weil ihre vergleichsweise hohe Energiedichte kleine Baugrößen ermöglicht.

Die derzeit bekannten Kosten zur Schaffung der Speicherkapazität liegen um das ein bis mehrere Hundertfache über denen von Wasserspeichersystemen. Für Langzeitspeicheraufgaben im großen Umfang kommen sie deshalb aus der Perspektive des Jahres 2011 kaum in Frage.

Druckluftspeicher

Druckluftkavernenspeicher die mit Turboverdichtern aufgeladen und über Turbogeneratoren entladen werden, erreichen in Kombination mit Wärmespeichern Wirkungsgrade bis zu 70%.

Die Selbstentladung ist in der Regel höher als bei Wasserspeichersystemen. Die Lebensdauer in der Regel kürzer, die Herstellungskosten, insbesondere mit Wärmespeichereinheit als Voraussetzung für den hohen Wirkungsgrad, liegen in der gleichen Größenordnung tendenziell höher, als bei Wasserspeichersystemen. Sie haben keinen nennenswerten oberirdischen Flächenbedarf und bilden eine zusätzliche Speicheroption.

Wasserstoff- und Methanspeicher

Speichersysteme, die auf Wasserstoff oder das weiter zu Methan (Erdgas) aufbereitete Medium zur Zwischenspeicherung zurückgreifen, sind nach heutigem Stand deutlich teurer als Wasserspeichersysteme und sie erreichen wesentlich niedrigere Wirkungsgrade von 20% bis maximal ca. 40%.

Der Vorteil von Wasserstoff und Methan sind die hohe Energiedichte und die vorhandene Erdgas Infrastruktur. Insbesondere Methan als Speichermediem kommt deshalb zukünftig als Ersatz für fossile Energieträger bei mobilen Anwendungen wie Fahrzeugen, Schiffen oder Flugzeugen in Frage, bei denen die Speicherdichte von Batterien nicht ausreicht. Wegen der hohen Speicherverluste erscheinen sie für den großtechnischen Ausgleich einer erneuerbaren Stromversorgung jedoch fragwürdig, weil die über den Speicher verbrauchte Energie vorher in zweieinhalb- bis fünffacher Höhe erzeugt werden muss. Der Ausgleich dieser Verluste würde im Vergleich zu Wasserspeichersystemen einen erheblichen Zubau von Wind- und Solarenergieanlagen erfordern.

Vergleich zur Braunkohleverstromung

Der Braunkohle Tagebau Hambach wird im Endausbau eine Fläche von 85 Quadratkilometern umfassen. Er reicht über 400 Meter in die Tiefe und mit der Sophienhöhe entsteht der größte künstliche Berg Deutschlands mit einem Volumen von 10 Kubikkilometern und einer Höhe von ca. 200 Metern. Die geförderte Kohle reicht aus, um damit noch für ca. 45 Jahre Braunkohlekraftwerke mit einer Leistung von ca. vier Gigawatt zu versorgen. Die Erdbewegungen sind ein Vielfaches dessen, was für den Bau des abgebildeten Ringwallspeichers erforderlich wäre. Der Flächenverbrauch erreicht die gleiche Größenordnung.

Während die Braunkohle am Ende unwiederbringlich verbraucht und zu Kohlendioxid verbrannt sein wird, kann das Ringwallspeicher-Hybridkraftwerk, bei einmaligem und geringerem Erdbauaufwand von beispielsweise 1,4 Kubikkilometern für eine Anlage wie in Abbildung 12 skizziert, nachhaltig und ohne zeitliche Begrenzung betrieben werden.

Würden die abzutragenden Deckschichten von Braunkohletagebauen nicht einfach auf Halde gelegt, sondern von Anfang an so verbaut, dass ein standsicherer Ringwall entsteht, dann ließe sich damit eine nachhaltige energetische Folgenutzung erreichen. Bestehende Tagebaue lassen sich dagegen nicht einfach in nachfolgende Ringwallspeicher überführen, weil der Abraum dort ohne entsprechend strukturierten Einbau und Verdichtung im Nachgang erhebliche Setzungen aufweisen wird.

Sollte der Ausstieg aus der Kernenergienutzung tatsächlich so beschleunigt werden, dass neue Braunkohletagebaue zur Überbrückung in das Zeitalter der erneuerbaren Energie erschlossen werden müssten, dann könnten sie damit für die Zukunft einen entscheidenden Beitrag zur Schaffung der notwendigen großen Speicherkapazitäten leisten.

Vergleich zur Kernenergie

Der Flächenbedarf des in Abbildung 12 gezeigten Ringwallspeichers ist kleiner, als die Zone um das zur Erweiterung anstehende Kernkraftwerk im tschechischen Temelin mit 16 Kilometern Durchmesser, in der Schutzräume zur Unterbringung der Bevölkerung bei Störfällen vorgesehen sind.

Kernenergie kämpft, wie die erneuerbaren Energien, mit der gesellschaftlichen Akzeptanz. Probleme der Kernenergie sind beispielsweise die ungelöste Endlagerung oder das nicht versicherbare Störfallrisiko.

Probleme der erneuerbaren Energien sind der immense Flächenbedarf für den Anbau von Biomasse, der landschaftsprägende Einfluss von Windenergieanlagen, die hohen Kosten von Solarenergie und die bisher ungelöste Speicherfrage. Sie ist ein Schlüssel dafür, dass sich überhaupt eine sichere regenerative Stromversorgung darstellen lässt.

Beim Übergang von der konventionellen fossil- und nuklear betriebenen Elektrizitätsversorgung zu einer regenerativen geht es um eine technische, ökonomische und ökologische Optimierung des Gesamtsystems. Dazu werden auch die anderen regenerativen Energien, wie Laufwasser, Biomasse, Abfallverwertung, Geothermie, usw. ihre Beiträge leisten. Für einen volkswirtschaftlich vorteilhaften Übergang gilt es Verständnis und einen tragfähigen gesellschaftlichen Konsens zu finden, die es ermöglichen, die benötigten Potentiale zu erschließen.

Die aufgezeigten Grundlagen sollen dazu beitragen, eine gute Zukunft zu gestalten.

Matthias Popp betreibt ein Ingenieurbüro in Wunsiedel. Studium des Maschinenbaus an der FH Coburg und der TU München, während des Studiums, im März 1983, Gründung des Ingenieurbüros. Von 2002 bis 2008 ehrenamtlicher Zweiter Bürgermeister der Festspielstadt Wunsiedel im Fichtelgebirge, dabei stellvertretender Aufsichtsratsvorsitzender des regionalen Energieversorgungsunternehmens. Im Zuge eines Projektvorschlages für ein Pumpspeicherkraftwerk im Fichtelgebirge erfolgte die Suche nach Antworten auf die Frage, wie Energiespeicher einen Beitrag zu einer nachhaltigen regenerativen Stromversorgung leisten können. Diese Untersuchungen mündeten im Herbst 2009 in die Aufnahme eines Promotionsverfahren an der Technischen Universität Braunschweig. Im Jahr 2010 erfolgte die Dissertation mit dem Thema "Speicherbedarf bei einer Stromversorgung mit erneuerbaren Energien" an der Fakultät Maschinenbau der TU-Braunschweig.

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