Windstrom speichern – woran wird geforscht?

04. April 2017 - 09:19 Uhr
von Dr. Stefan Dietrich
zu  Wissenswertes zur Windenergie

  • Projekt StEnSea Strom speichern unter Wasser

Ein bei Experten und Laien gleichermaßen beliebtes Thema sind Speichermöglichkeiten für Strom. Für Experten ist es interessant, weil technische Herausforderungen angegangen werden wollen, und weil die über kurz oder lang kommende Vollversorgung aus erneuerbaren Energien ohne den Einsatz von Speichern undenkbar ist. Den Experten ist aber auch klar, dass wir nicht jetzt und sofort den flächendeckenden Einsatz von Speichern benötigen, damit die Energiewende voranschreiten kann. Das ist aber leider häufig genau das, was den Laien von interessierter politischer Seite wahrgemacht werden soll. Für Gegner der Windenergie oder einzelner Projekte gehört es mittlerweile zum guten Ton zu behaupten, dass neue Windenergieanlagen ohne Speicher keinen Sinn machen, oder dass sie nur noch zugelassen werden sollten, wenn eine Speicherlösung integriert ist. Dass diese Behauptungen und Forderungen nicht auf Sachkenntnis beruhen, habe ich bereits vor einiger Zeit Öffnet den Link in einem neuen Fensterhier im Blog dargelegt . Auch wenn sich daran nichts geändert hat, sind Speicherlösungen für Strom ein zentrales Zukunftsthema, wenn wir ein nachhaltiges System der Energieversorgung wollen, das auf der Nutzung erneuerbarer Energien beruht. Anlässlich einiger interessanter Veröffentlichungen zum Thema in letzter Zeit werfen wir daher einen Blick auf aktuelle Forschungsaktivitäten. Das kann keine erschöpfende Aufzählung sein, aber der Artikel wirft einige Schlaglichter darauf, wie Erfindergeist und Ingenieurskunst uns voranbringen können. Wer einen umfassenden Überblick über die laufenden Forschungsvorhaben möchte, kann sich Öffnet den Link in einem neuen Fensterauf den Internetseiten der Forschungsinitiative "Energiespeicher" der Bundesregierung umschauen.

Kugeln am Meeresgrund und Windräder im Wasserbecken

Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten, Strom zu speichern. Man unterscheidet mechanische, elektrochemische (Batterien), chemische (zum Beispiel Power-to-Gas), elektrische und thermische Speicherung (in Form von Wärme). In all diesen Bereichen gibt es interessante Ansätze, ich konzentriere mich in diesem Beitrag auf mechanische und thermische Speicherung sowie aktuelle Entwicklungen beim Einsatz von Batterien im größeren Maßstab.

Eine relativ spektakuläre Umsetzung eines bekannten Prinzips hat es in letzter Zeit in die breitere Öffentlichkeit geschafft. Das vom Fraunhofer Institut für Windenergietechnik und Energiesystemtechnik (IWES) durchgeführte Projekt mit dem profanen Namen "StEnSea" (Stored Energy in the Sea) Öffnet den Link in einem neuen Fensterist aber auch ziemlich spannend. Bei StEnSea geht es darum, das bewährte Prinzip von Pumpspeicherkraftwerken nicht wie sonst in gebirgigen Landschaften zu nutzen, sondern am Meeresboden. Das sieht dann so aus, dass große, hohle Kugeln aus Beton auf den Grund des Meeres herabgelassen werden. Soll Energie gespeichert werden, dann wird über eine Elektropumpe Wasser aus der Kugel herausgepumpt. Wird Strom gebraucht, dann strömt Wasser über eine Turbine in die leere Kugel hinein, und durch einen Generator wird Strom erzeugt. Die Erfindung zweier Physik-Professoren konnte bereits Ende 2016 in einem vierwöchigen Modellversuch im verkleinerten Maßstab im Bodensee getestet werden. Anfang März haben die Forscher die Kugel aus 100 Metern Tiefe wieder an die Oberfläche geholt, zurzeit werden die Ergebnisse ausgewertet.

Projekt StEnSea Eine der Speicher-Kugeln wird aus dem Bodensee geborgen, © Fraunhofer IWES | Energiesystemtechnik

Auf Basis dieser Auswertungen soll im nächsten Schritt ein Standort für einen größeren Modellversuch am Meeresboden gefunden werden, sodass in drei bis fünf Jahren der neue Test durchgeführt werden kann. Denn gedacht ist die Speicherlösung in erster Linie für die Offshore-Windenergie, aber der Einsatz kann in Küstennähe sicherlich auch für die Speicherung von auf dem Festland erzeugten Strom sinnvoll sein. Der Naturschutz ist übrigens auch berücksichtigt: Die Wissenschaftler haben eine spezielle Technik entwickelt, um beim Ein- und Auslassen des Wassers keine Fische oder andere Tiere anzusaugen.

Eine weitere Variation des klassischen Pumpspeichers entsteht zurzeit im nordwürttembergischen Gaildorf. Dort errichtet das bayerische Bauunternehmen Max Bögl, das bereits seit Längerem auch Türme für Windenergieanlagen errichtet, vier sogenannte "Naturspeicher", das sind Öffnet den Link in einem neuen FensterWindenergieanlagen mit einem eingebauten Pumpspeicher. Oben auf der Höhe, wo in einem herkömmlichen Pumpspeicherkraftwerk das Oberwasserbecken liegt, stehen die Windenergieanlagen auf integrierten, 40 Meter hohen Wasserspeichern. Diese wiederum sind eingelassen in den Passivspeicher, ein großes Wasserbecken. In diese Speicher unterhalb der Windenergieanlagen kann über ein Rohrsystem Wasser aus dem Unterbecken im Tal hochgepumpt werden, um Strom zu nutzen, der nicht ins Netz eingespeist wird. Dieses Unterbecken wird landschaftsverträglich im Tal des Flusses Kocher angelegt. Um die so gespeicherte Energie wieder als Strom nutzen zu können, kann das Wasser aus den Speichern ins Tal abgelassen werden, wo es eine Turbine antreibt. Das ist in der Tat genau das Prinzip eines Pumpspeicherkraftwerks, das damit in den Windpark integriert wird. Ob die immer wieder geforderte Integration von Speichern die Kritiker allerdings beruhigt, wird sich zeigen, denn die Windenergieanlagen werden durch den zusätzlichen Speichersockel fast 250 Meter hoch sein. Bereits im Jahr 2018 soll die bereits im Bau befindliche Kombination aus Windpark und Pumpspeicherkraftwerk in Betrieb gehen.

Gesalzene Speichermöglichkeit

Neben Wasser kann für eine mechanische Speicherung von Energie auch Luft verwendet werden, um genau zu sein: Druckluft. Auch dafür Öffnet den Link in einem neuen Fenstergibt es ein Forschungsprojekt, dieses heißt "InSpEE" (das auszuschreiben, würde den Rahmen des Artikels sprengen). Die allesamt in Hannover ansässigen Forscher suchen unter der norddeutschen Tiefebene nach geeigneten Salzlagerstätten, aus denen durch das Auswaschen des Salzes sogenannte Salzkavernen entstehen können. In diese Hohlräume kann dann unter Nutzung des zu speichernden Stroms Druckluft gepresst werden, die dann, genau wie das Wasser in den oben beschriebenen Methoden, bei Bedarf wieder zur Stromerzeugung genutzt wird. Solche Druckluftkraftwerke sind beileibe keine neue Erfindung, das älteste Kraftwerk dieser Art in der Nähe von Wilhelmshaven ist bereits seit fast 40 Jahren in Betrieb. Neben Druckluft kann in solchen Salzkavernen auch Wasserstoff gespeichert werden, der mit Stromüberschüssen über Elektrolyse erzeugt werden kann. Dieser kann dann rückverstromt oder in das Gasnetz eingespeist werden. Die Lagerung von Wasserstoff in Salzkavernen gilt als äußerst sicher, da sie nach außen undurchlässig und weit von der Erdoberfläche entfernt sind. Das Potenzial für diese Art der Speicherung ist in Norddeutschland enorm, nun müssen die geeigneten Salzlagerstätten identifiziert werden.

Schwungrad Auf der Messe Energy Storage Europe 2017 in Düsseldorf ging es auch um Schwungräder, Foto: Constanze Tillmann / Messe Düsseldorf

Noch viel länger als Druckluftkraftwerke ist das Prinzip des Schwungrads bekannt, das nun auch zu neuen Ehren in der Suche nach Speichermöglichkeiten für Strom kommt. Dass kinetische Energie mittels Schwungrädern gespeichert werden kann, ist bereits seit dem Mittelalter bekannt. Heute können Schwungräder als Stromspeicher genutzt werden, indem sie elektrisch in Gang gesetzt werden. Wichtig ist, die Reibungsverluste so gering wie möglich zu halten. Da es dennoch nicht ohne Selbstentladung durch Luftreibung und andere Faktoren geht, sind Schwungräder eher für Kurzzeitspeicherung interessant. Eingesetzt werden solche Speicher unter anderem in Straßenbahnnetzen, um die Bremsenergie nutzen zu können. Es gibt aber bereits heute auch Schwungrad-Speicherkraftwerke für den "normalen" Ausgleichs- und Regelbetrieb im Stromnetz. Öffnet den Link in einem neuen FensterIm größeren Maßstab voranbringen möchte diese altbekannte Technologie die Firma Stornetic aus Jülich. Die Schwungräder sollen es auf 45.000 Umdrehungen pro Minute bringen, was dadurch ermöglicht wird, dass sich die Rotoren in einem Vakuum drehen, was natürlich auch die Verluste minimiert. Wieder verstromt wird die Energie dann durch einen Generator, der die beim Abbremsen der Rotoren frei werdende Energie nutzt. Diese Schwungradspeicher sind auf eine Lebensdauer von bis zu 20 Jahren angelegt und können beispielsweise in Windparks integriert werden.

Auch ein Steinhaufen kann Strom speichern

Die beschriebenen Technologien setzen auf bewährte und seit Langem bekannte Verfahren und nutzen diese in einer High-Tech-Variante. Genauso gehen die Forscher der Technischen Universität Hamburg-Harburg vor, die derzeit an einem großformatigen thermischen Speicher arbeiten. Öffnet den Link in einem neuen FensterÖffnet den Link in einem neuen FensterDie Lösung: Steine. Das klingt erstmal merkwürdig, aber wer sich schon einmal an einem Sommerabend auf einen Stein gesetzt hat, der den Tag über der Sonne ausgesetzt war, weiß, wie gut die Wärme dort gespeichert wird.

Thermischer Speicher Steine So funktioniert der Hochtemperatur-Speicher aus Stein, Grafik: Siemens AG

Das wollen sich die Forscher zunutze machen, indem eine von einem Isoliermantel umgebene Steinschüttung elektrisch auf mehr als 600°C erhitzt wird. Soll die Energie ausgespeichert werden, erhitzen die heißen Steine einen Luftstrom, der einen Dampfkessel beheizt, über den dann eine Turbine mit Generator betrieben wird. Bislang haben die Forscher der TUHH gemeinsam mit Siemens und Hamburg Energie auf dem Testgelände in Hamburg-Bergedorf nur die thermischen Voraussetzungen des Verfahrens erprobt. Ab diesem Frühjahr soll auf dem Gelände der Aluminiumhütte Trimet in Hamburg ein vollständiger Speicher inklusive Rückverstromung getestet werden.

Den Akku mal richtig aufladen

Strom gespeichert wird ja mittlerweile allerorten. Die Steckdosen in Konferenzräumen und ICE-Waggons sind ebenso begehrt wie die in Hörsälen und Klassenräumen, und zwar für die Ladegeräte der Smartphones, mit denen die Akkus der allgegenwärtigen Geräte aufgeladen werden. Das Prinzip funktioniert natürlich auch im größeren Maßstab, was auch in Windparks verstärkt eingesetzt wird. Dabei können die gleichen Speichermedien eingesetzt werden, also z.B. Lithium-Ionen-Akkus, man braucht eben deutlich mehr davon. Der Energieversorger Vattenfall etwa Öffnet den Link in einem neuen Fensterbenutzt in Windparks in den Niederlanden und Wales Batterien von BMW, und zwar von dem Typ, der auch im Elektroauto i3 eingesetzt wird. Der erste Speicher dieser Art wird in der Nähe von Amsterdam mit einer Kapazität von 3,2 MW gebaut. Im friesischen Varel am Jadebusen wird gerade in einem deutsch-japanischen Gemeinschaftsprojekt Öffnet den Link in einem neuen Fenstereine der größten Batterien Norddeutschlands errichtet, die Lithium-Ionen-Batterien mit einem Natrium-Schwefel-Speicher kombiniert. Auch für große Photovoltaikanlagen Öffnet den Link in einem neuen Fensterwerden Batteriespeicher bereits eingesetzt oder gerade gebaut. Mit solchen Speichern können die Wind- und Solarparks am Regelenergiemarkt teilnehmen und so zur Versorgungssicherheit beitragen. Durch solche Regelleistung werden kurzfristig auftretende Ungleichgewichte zwischen dem physikalischen Angebot an Strom und der Nachfrage im Netz ausgeglichen. Auch die allermeisten Stromspeicher für zuhause, die den Strom aus der PV-Anlage auf dem eigenen Dach speichern, basieren auf dieser Technologie.

PV Speicher Lithium So sehen Batteriespeicher für große PV-Anlagen aus, Foto: Belectric

Die Lithium-Ionen-Technologie hat aber auch ihre Schwächen, so müssen die Kosten sicherlich noch weiter deutlich reduziert werden. Eine interessante Alternative sind die sogenannten Redox-Flow-Batterien, auch als Flussbatterien bekannt. Akkus, die auf diesem Prinzip basieren, speichern elektrische Energie in chemischen Verbindungen, die in gelöster Form vorliegen. Diese Flüssigkeiten zirkulieren in getrennten Kreisläufen, der Ionenaustausch findet in einer galvanischen Zelle mittels einer Membran statt. Dabei werden die gelösten Stoffe chemisch reduziert, wobei die Energie wieder freigesetzt wird (aus reduzieren und fließen ergibt sich der Name Redox-Flow). Ein Vorteil dieser Technologie ist, dass die Batterien beliebig groß angelegt werden können, sofern genügend Platz für die Tanks da ist, in denen die Flüssigkeit aufbewahrt wird. Für Smartphones wären Flussbatterien eher unpraktisch, aber in Windparks ist ihr Einsatz durchaus denkbar. Wie eine solche große Redox-Flow-Batterie für die Speicherung von Windenergie aufgebaut sein muss, erforscht das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (ICT) in Pfinztal bei Karlsruhe gerade im Öffnet den Link in einem neuen FensterProjekt "RedoxWind". Die Forscher errichten einen Verbund aus einer 2 MW-Windenergieanlage und einer entsprechenden Großbatterie, deren Tanks 45.000 Liter Flüssigkeit fassen können. IÖffnet den Link in einem neuen Fenstern dem Projekt geht es darum, die Redox-Flow-Technologie auf einen industriellen Maßstab hochzuskalieren und die Windenergieanlage an den Betrieb der Batterie anzupassen.

RedoxWind Eine Windenergieanlage mit angeschlossener Redox-Flow-Batterie, © Foto Fraunhofer ICT

Neben der Größe der notwendigen Batterien besteht eine weitere Herausforderung darin, die Kosten über den Einsatz neuer Materialien zu senken. Ein Unternehmen im thüringischen Jena Öffnet den Link in einem neuen Fenstersetzt dabei auf synthetische Polymere, also auf Kunststoff. Die speziellen Polymere wurden von Jenabatteries entwickelt, wie Geschäftsführer Olaf Conrad erläutert, ist es "[…]erst einmal im Grunde genommen Plastik, wie wir das kennen." Das Unternehmen betont, die Batterien seien dadurch umweltfreundlich, da auf Schwermetalle und kritische Rohstoffe verzichtet werde und die Batterien nicht nur über eine lange Lebensdauer verfügten, sondern auch noch recycelbar seien. Darüber hinaus seien die Batterien durch den Einsatz der Polymere kostengünstig – und das kann am Ende entscheidend sein für den Durchbruch.

An den Forschern liegt es nicht

Angesichts der Dichte gerade an anwendungsnahen Forschungsinstituten (der Name Fraunhofer fiel im Artikel ja nicht zufällig mehrmals) und der weltbekannten Ingenieurstradition hierzulande kann es eigentlich nicht verwundern, dass intensiv an der Speicherung von Strom aus Windenergie und anderen Quellen geforscht wird. Daher bin ich optimistisch, dass die technischen Lösungen bereitstehen werden, wenn sie denn wirklich im großen Umfang gebraucht werden. Dazu kommt, dass die genannten Beispiele alle aus Deutschland stammen. In anderen Ländern der Erde wird ebenfalls intensiv an der Speicherthematik geforscht.

Der technische Fortschritt ist aber nur eine Seite der Medaille. Der politische und rechtliche Rahmen muss den neuen Erfordernissen ebenfalls angepasst werden. Die Gesetzeslage für Speicher ist gegenwärtig noch ziemlich unklar. So spielt es eine Rolle für die Belastung mit Abgaben und Umlagen, ob Speicher als Stromerzeuger oder als Verbraucher eingestuft werden. Das wird zurzeit noch unterschiedlich gehandhabt. In einem Öffnet den Link in einem neuen FensterArbeitspapier zu Stromspeichern der EnergieAgentur.NRW schreiben die Autorinnen: "Aufgrund der fehlenden Definition für Speicher werden diese in die vorhandenen Struktur der Regulierung "hineingepresst" und teils als Erzeugungsanlage, teils als Letztverbraucher behandelt." Dass der Vorteil der Speicher gerade darin liegt, dass sie sowohl Strom liefern als auch Netzdienstleistungen durch das Aufnehmen von Strom erbringen können, werde im aktuellen regulatorischen Rahmen nicht abgebildet, Öffnet den Link in einem neuen Fensterwie Dr. Dirk Uwe Sauer bemängelt, Professor für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik an der RWTH Aachen. Darüber hinaus gebe es auch noch keine Mechanismen, um den Wert zu vergüten, den der Einsatz von Speichern bietet, etwa durch den vermiedenen Netzausbau.

Die Frage ist also nicht nur, ob die Technologien bereitstehen werden, sondern auch, ob politisch die richtigen Anreize gesetzt werden, um einen Markt für Stromspeicher zu schaffen, damit diese wirtschaftlich betrieben werden können.

 

Foto oben: Eine Speicherkugel aus dem Projekt StEnSea, © Fraunhofer IWES | Energiesystemtechnik

 


Autor Dr. Stefan Dietrich

Dr. Stefan Dietrich

Als Windwärts Pressesprecher bin ich dafür zuständig, dass die Medien und Menschen vor Ort immer gut über unsere Projekte informiert sind. Das heißt, ich informiere die Lokalpresse über Genehmigungen, Baufortschritte, Inbetriebnahmen u.ä. und empfange Besichtigungsgruppen in unseren Wind- und Solarparks. Darüber hinaus habe ich die aktuellen Entwicklungen der Branche im Blick (den Dr. habe ich schließlich in Politikwissenschaft gemacht).

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Kommentare

von Dr. Stefan Dietrich am 01. August 2017 - 08:52 Uhr www.windwaerts.de

Google (bzw. Alphabet) forscht auch an einer Speichertechnologie für Windstrom. Dabei sollen offenbar Salz und Frostschutzmittel zum Einsatz kommen:
https://www.engadget.com/2017/07/31/google-alphabet-salt-antifreeze-power-storage/

von Lisa am 24. Mai 2017 - 11:03 Uhr http://www.infrarotheizung-vitramo.de/

Spannendes Thema und danke für den Überblick über die aktuelle Forschung zu dem Thema. Ich denke die Redox-Flow-Batterien könnten in Zukunft sehr erfolgreich werden. Da ich plane in unserem Neubau ein System aus Infrarotheizung und PV-Anlage zu installieren, bin ich momentan sehr an verschiedenen Speichermethoden interessiert. Es wäre nämlich meines Erachtens sinnvoll möglichst viel von der erzeugten Energie selber zu nutzen, einiges zu speichern und nur einen geringen Teil ins Netz einzuspeisen. Hierfür suche ich natürlich einen möglichst effektiven, kleinen und vor allem kostengünstigen Speicher. Ich bin gespannt wie sich der Markt in Zukunft entwickelt.

von Michael am 25. April 2017 - 21:26 Uhr http://www.intellimow.com

Interessanter Artikel, mir gefällt die Idee Druckluft zu speichern.

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