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Was wenn morgen keine Sonne scheint? Speichern!
Stromengpässe durch Erneuerbare Energien stoppen
Ziel der deutschen Bundesregierung ist die CO2-Neutralität bis 2045 zu erreichen. Das bedeutet u.a., dass Strom ausschließlich aus Erneuerbaren Energien erzeugt werden darf.
Dabei stellt sich die Frage, ob sich die Energieversorgung durch Erneuerbare Energien gewährleisten lässt. Wenn kein Wind weht oder die Sonne mal nicht scheint (passiert in Deutschland ja häufiger), reicht der Strom dann ohne Ausfälle für die gesamte Bevölkerung aus?
Durch eine vielseitige Energieversorgung mit Erneuerbaren Energiequellen, können die Versorgungsengpässe von volatilen (unberechenbaren) Kraftwerken durch steuerbare und flexible Kraftwerke gefüllt werden. Windkraft und Solarenergie gehören zu den Energiequellen, die von der Wetterlage abhängig sind und somit als volatil bezeichnet werden. Wasserkraftwerke (Speicherkraftwerke) und Biogasanlagen wiederum können nach Bedarf betrieben werden und daher die Produktionslücken der volatileren Kraftwerke ergänzen, wenn das Wetter nicht mit spielt.
Anschließend beschreiben wir, wie die Versorgungsengpässe langfristig außerdem gelöst werden könnten.
Strom fließt
Wie wir im Blogartikel “Warum fließt hier Strom” erklärt haben, kann man den Stromfluss mit dem des Wassers vergleichen. Bei elektrischer Energie (Strom) “fließen” die Elektronen nämlich in eine bestimmte Richtung. In Deutschland existiert ein breites Stromnetzwerk von über 1,8 Millionen Kilometern. Das Ziel ist es, die gleiche Menge an Strom zu produzieren, die auch im selben Moment verbraucht wird. Um den entstehenden Schwankungen entgegenzuwirken, werden seit mehreren Jahren Speicherungstechnologien entwickelt und ausgebaut. Die Funktionsweise und der Anwendungszweck dieser Speicher geht dabei deutlich über den klassischen Lithium-Ionen-Akku hinaus, den man aus seinem Smartphone oder Laptop kennt.
Im Anschluss erläutern wir Beispiele wichtiger Speichertechnologien und ihre jeweiligen Anwendungsformen.
Stauseen
In bestimmten Wasserkraftwerken kann Energie nach Bedarf erzeugt werden. Es handelt sich dabei um die sogenannten (Pump)Speicherkraftwerke. An Stauseen sammelt sich Wasser. Kleine Wassermengen können gezielt über die Wasserschleusen auf eine niedrigere Ebene mit Turbinen fließen, wodurch diese in Bewegung gesetzt werden und den angeschlossenen Generator antreiben. Da sich die Wassermenge steuern lässt, kann der nötige Strombedarf gedeckt werden.
Dasselbe Prinzip findet sich in Druckluftspeichern: bei einem Überangebot wird Luft unter hohem Druck in einer Kaverne gespeichert und im Moment des Bedarfs wieder frei gelassen — dabei treibt die sich wieder entfaltende Luft Turbinen an. Eine weitere Variante des Prinzips findet sich in Unterwasserspeichern, bei denen Wasser aus einem Kugelreservoir ausgepumpt wird und im Moment des Bedarfs wieder einfließen kann und dabei Turbinen antreibt.
Akkus
Das Prinzip von Akkumulatoren kennt wie eingangs erwähnt jeder aus seinem Alltag mit Handy-Akkus, am Laptop oder im Elektroauto: beim Aufladen wird Elektrizität in chemische Energie umgewandelt. Später beim Verbrauch wird diese wieder zu Strom zurückverwandelt. Bei den vorgenannten Beispielen handelt es sich im Regelfall um einen Lithium-Ionen-Akku. Als Alternative zum Lithium bieten sich auch alternative Materialien an, wie Magnesium-, Aluminium- oder Natrium-Ionen-Batterien. Darüber hinaus bieten sich für andere Anwendungen z. B. Vanadium-Redox-Akkus an, die als sogenannter Flussakkumulator bzw. Redox-Flow-Akku, sowohl für stationäre Speicherung in der Nähe von Windkraftanlagen oder als Notstromaggregat angewendet werden können. Hierbei reagieren zwei Flüssigkeiten, die durch eine Membran verbunden sind, miteinander und erzeugen Elektrizität.
Wärme
Durch die Umwandlung in Wärme kann Energie ebenfalls gespeichert werden, z. B. über Power-to-Heat-Anlagen. Wärme ist, z. B. auf eine Flüssigkeit übertragen, eher träge und kann bei starker Dämmung über lange Zeit aufrechterhalten werden. Anwendungsfälle finden sich vom Tank einer Solarthermie-Anlage im Haushalt bis zu industriellen Großspeichern. Die normalerweise trotzdem nach und nach stattfindende Abgabe der Wärme an die Umgebung kann durch Anwendung thermochemischer Wärmespeicher vermieden werden. Hierbei wird eine chemische Reaktion angewendet, die eine Speicherung und spätere Freisetzung nahezu der gesamten Wärme möglich macht.
Was noch?
In einer weitgehend vollständigen Aufzählung kommerziell angewendeter Energiespeicherformen dürfen ein paar Ergänzungen nicht fehlen: Schwungräder sind genau das, was der Name andeutet. Maschinen mit Schwungmasse, deren Antrieb initial Energie erfordert, deren Schwung allerdings wieder Energie zur Verfügung stellen kann. Durch einen möglichst geringen Reibungsverlust können so über kurze Zeiträume hinweg sehr diffizile Ausgleiche im Stromnetz vorgenommen werden. Anwendungen der Schwungmasse finden sich unter anderem in großen Turbinen, Straßenbahnen und expliziten Schwungradspeichern.
Absolut minimale Mengen Strom lassen sich unmittelbar in Kondensatoren und Spulen speichern. Die Mengen sind aber so minimal, dass eine kommerzielle Anwendung praktisch ausgeschlossen ist.
Das sicherlich größte (Wachstums-)Potenzial findet sich in der kompletten Umwandlung und späteren Rückverstromung in Power-to-X-Prozessen. Hier wird mithilfe von Strom z. B. durch die Wasserelektrolyse Wasserstoff gewonnen, welcher unmittelbar in Brennstoffzellen wieder zu Strom umgewandelt werden kann. Ebenso ist aber eine Weiterverarbeitung zu Kohlenwasserstoffen und damit die Herstellung von künstlichem Methan und Kraftstoffen möglich. Diese lassen sich in der klassischen fossilen Infrastruktur, wie z. B. dem Erdgasnetz speichern und transportieren.
Abschließend lässt sich feststellen, dass eine ganze Menge bereits erprobter und zukunftsfähiger Speichermöglichkeiten zur Verfügung stehen. Diese Technologien sind ein zentraler Bestandteil der fortschreitenden Energiewende, insbesondere in einem Konzept zur CO2-Neutralität durch die ausschließliche Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien.
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Quelle:
https://en-einf.de/2019/05/13/was-wenn-keine-sonne-scheint-und-kein-wind-weht-speichern/
