Alternativen zum Edersee

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Kürzlich gab der Stromkonzern Eon beträchtliche Investitionen in sein Pumpspeicherkraftwerk am Edersee bekannt. Der Energieversorger geht davon aus, künftig mehr Wind- und Solarstrom im eigenen Stromnetz unterbringen zu müssen. „Pumpspeicherkraftwerke können überschüssigen Strom effizient speichern und sind somit hervorragende Partner bei der Integration intermittierender erneuerbarer Energie“, sagt Ingo Luge, Vorstandsvorsitzender von Eon Energie. „Diese Kraftwerke sind ein wichtiger Baustein der Energieversorgung der Zukunft.“ Auch Vattenfall und Enel, die Konkurrenten von Eon, haben kürzlich ihren Aktionären mitgeteilt, dass Investitionen in Speichertechnologien Teil der jeweiligen Unternehmensstrategie im Bereich erneuerbare Energien sind. Für die Photovoltaik sind die Investitionen der führenden europäischen Energiekonzerne gute Neuigkeiten, weil es Synergieeffekte zwischen der Stromspeicherung und dem Wachstum der Wind- und Solarenergie gibt. „Die Produktionsspitzen der Solar- und Windenergie fallen zeitlich nicht immer mit den Bedarfsspitzen zusammen“, so Alessio Beverina, Partner beim Risikokapitalunternehmen Sofinnova Partners. „Bei der Solarenergie wird der meiste Strom zur Mittagszeit produziert. Bei der Windenergie können die Produktionsspitzen mitunter auch mitten in einer kalten Winternacht auftreten.“ 

Die Stromspeicherung in einem Akku gilt als besonders tauglich für die Photovoltaik. Eine Anwendung bei großen Anlagen ist zum Beispiel die sogenannte Cloud Mitigation. Dabei werden Stromschwankungen, die in Photovoltaikanlagen durch wechselnde Bewölkung entstehen, mittels einer Batterie ausgeglichen.

Das wird umso wichtiger, weil die stufenweise Abschaffung der Einspeisevergütung in mehreren europäischen Ländern die Betreiber von Solaranlagen zwingt, am freien Markt mit anderen Stromerzeugern zu konkurrieren. Um den selbst erzeugten Strom direkt an einen Kunden verkaufen zu können, müssen Anlagenbetreiber, insbesondere wenn es sich um große Anlagen handelt, Erzeugungspläne ausarbeiten und entsprechende Verträge abschließen. Dies kann beispielsweise zwischen dem Anlagenbetreiber und einem Versorgungsunternehmen, einer Gemeinde oder auch einem weiter entfernten Bergbaubetrieb geschehen. Beim Abschluss solcher Verträge ist allerdings auch Vorsicht geboten. Wenn der Anlagenbetreiber den Strom nicht pünktlich in der vertraglich vereinbarten Menge liefert, kann dies, je nach Vertragsvereinbarung, zu Problemen führen. 

Die richtige Planung

Das Problem liegt in den Planungsdetails. „Die kumulierte Stromerzeugung von Solarparks ist mit modernen Werkzeugen für die kommenden 24 Stunden präzise vorhersagbar“, sagt Matthias Vetter, Ansprechpartner für autarke Stromversorgung, Inselnetze und elektrische Speichersysteme beim Fraunhofer ISE. „Die Stromverträge zwischen den Versorgungsunternehmen und den Erzeugern sehen für die Planung von Nachfrage und Produktion in der Regel 15-Minuten-Intervalle vor. Der Stromerzeuger mag wissen, dass am nächsten Tag Wolken aufziehen, jedoch nicht genau, wann sie vorüberziehen werden.“ Das Timing kann hier zwischen einigen Minuten und einer halben Stunde abweichen. Um dieses Problem anzugehen, arbeitet Vetters Team an einer Akku-Speicherlösung, die in diesem Fall Strom entweder speichert oder ihn kurzfristig zur Verfügung stellt. „Die Speicherung wird zum ausschlaggebenden Faktor“, so Vetter.

Die Analysen aus Vetters Team zeigen, dass für eine Ein-Megawatt-Anlage in der Praxis in diesem Fall eine verfügbare Speicherkapazität von 250 Kilowattstunden ausreicht, um die vertraglichen Anforderungen erfüllen zu können und die kurzfristigen wetterbedingten Schwankungen abzufangen. Auch die optimale chemische Zusammensetzung des Akkus ist von Bedeutung. „Man braucht Akkus mit einem schnellen Entladeverhalten und einer gewissen Speicherkapazität, um die kurzfristigen Schwankungen bei der Stromerzeugung abzufangen“, erklärt Vetter. Sein Team kam auf der Suche nach der besten Akku-Lösung zu dem Ergebnis, dass Lithium-Ionen-Technologien gut geeignet sind, insbesondere Varianten mit hoher Lebensdauer und geringeren Energiedichten. Die Eigenschaften, die die Lithium-Ionen-Variante mit niedriger Energiedichte für die Speicherung von Photovoltaikstrom so interessant machen, machen sie leider für Elektrofahrzeuge uninteressant, was bedeutet, dass man hier nicht unbedingt von großen Produktionsvolumen und sinkenden Preisen profitieren wird.

Die passenden Eigenschaften

Es gibt aber auch noch andere Anwendungen für die Akkuspeicherung. Vetter meint, dass sowohl Redox-Flow-Akkus als auch Hochtemperatur-Akkus großes Potenzial haben, zum Beispiel wenn größere Speichermengen und längere Speicherzeiträume in isolierten Inselnetzen gefragt sind oder wenn längere Notstromzeiten erforderlich sind. (Die Tabelle „Parameter der verschiedenen Akku-Technologien“ zeigt weitere Details der verschiedenen Akku-Typen im Vergleich.)

Hauptfaktoren für die Wahl des Akkus sind unter anderem Zyklenzahl, Lebensdauer, Wirkungsgrad, Selbstentladung und Zuverlässigkeit. Einige dieser Parameter, wie etwa die Lebensdauer, sind dabei wichtiger als andere. „Die Versorgungsunternehmen sind vorsichtig und extrem konservativ“, sagt Beverina von Sofinnova Partners. „Sie denken in Zeiträumen von 20 Jahren mit Investitionsplänen von bis zu 40 Jahren. Daher wollen sie keinen Akku, der alle drei Jahre ausgetauscht werden muss.“

Für die Bestimmung der Stromspeicherkosten müssen alle Parameter bezüglich einer konkreten Anwendung bedacht werden. „Bei privaten, netzgekoppelten Photovoltaikanlagen und besonders bei Parks, die hauptsächlich kurzfristige Speicherung benötigen, bietet die Lithium-Ionen-Variante die attraktivste Chemie“, sagt Vetter. Die Kosten für Lithium-Ionen-Akkus sind für den Markt und die passenden Nischen jedoch noch zu hoch. Beverina erklärt: „Die Investitions- und Betriebskosten eingeschlossen sind wir noch weit von der Netzparität entfernt.“ Vetter ist allerdings optimistisch, dass die Akkupreise fallen werden. „Die Kosten bewegen sich in die richtige Richtung. Sie sinken“, so Vetter. 

Energieanbieter suchen Lösungen

Neben Akkus gibt es auch andere neue Technologien als Antwort auf die Netzkopplung von Photovoltaikstrom. So hat Eon im November 2011 den Testlauf einer auf Wasserstoffkatalyse basierenden Speicherlösung angekündigt. Der Konzern investiert fünf Millionen Euro in den Bau einer Elektrolyse-Anlage zur Gewinnung von Wasserstoff, der ins bestehende Gasnetz eingespeist werden soll. Die Anlage dient dem Ziel, Energie aus den Windfarmen von Eon zu speichern, sie könnte aber genauso für große Solaranlagen eingesetzt werden.

Zu den weiteren Wegbereitern der Wasserstoffspeicherung zählt das französische Start-up-Unternehmen McPhy Energy. Mit der Unterstützung von Sofinnova Partners entwickelt das Unternehmen eine Lösung zur Vor-Ort-Gewinnung von Wasserstoff mit Solarstrom oder anderen Energieformen. Wasserstoff ist mit Akkus wettbewerbsfähig und kann unter bestimmten Bedingungen auch mit Druckluft und Pumpspeicherkraftwerken konkurrieren, wie Untersuchungen des National Renewable Energy Laboratory (NREL) zeigen (siehe Grafik „Bandbreite der mittleren Gestehungskosten von gespeichertem Strom“).

Wasserstoff für die Nische

Versorgungsunternehmen und auch andere Kunden könnten den mithilfe von Solarstrom gewonnenen Wasserstoff in Gaskraftwerken direkt verbrennen oder ihn über Brennstoffzellen mit Leistungen zwischen 100 Kilowatt und einem Megawatt wieder in Strom umwandeln. „Zurzeit ist Solarstrom aufgrund der Einspeisevergütung profitabler als der mögliche Erlös durch den Verkauf von Wasserstoff“, so McPhy-CEO Pascal Mauberger. Durch den Marktbedarf und das baldige Ende der Einspeisevergütung werde es aber bestimmte Nischen geben. Zudem könnte es einen neuen Markt für Wasserstoff geben, wenn die Automobilindustrie auf umweltfreundlichere Motoren umstellt. Der Wert von Wasserstoff in dieser Anwendung ist attraktiv, da eine Kilowattstunde ungefähr 200 Euro wert ist, meint Mauberger.

Der Mix machts

Am zukünftigen Speichermix werden nach Ansicht von Mauberger viele verschiedene Speicherarten beteiligt sein. Dazu gehören Akkus, Wasserstoff¬speicher und Schwungräder, aber auch etablierte Lösungen, wie zum Beispiel Pumpspeicher. Mit dieser Einschätzung ist Mauberger nicht allein. Das Energieministerium der Vereinigten Staaten fördert daher die heterogene Zukunft der Stromspeicherung und finanziert eine Vielzahl an Speichertechnologien von Schwungrädern über Wasserstoff bis hin zur Lithium-Ionen-Chemie.

Speicherlösungen in Kombination mit einem intelligenten Energiemanagementsystem sind Wegbereiter einer großflächigen Netzintegration von Photovoltaikstrom. Speichertechnologien, die in verschiedenen Anwendungen von Lastausgleich bis Cloud Mitigation zum Einsatz kommen, werden ohne Zweifel in dem wachsenden Markt eine wichtige Rolle spielen.

Parameter der verschiedenen Akku-Technologien

Bleisäure NiMH Li NMC/ Graphit LiFePO4/ Graphit LiFePO4/ Graphit LMO/ Titanat Vanadium-Redox-Flow NaNiCl NaS

Energiedichte (Wh/kg) 40 75 160 110 130 75 45 100 110

Leistungsdichte (W/kg) 350 600 1.300 4.000 1.500 4.000 120 120 100

Zyklenzahl 600 900 2.500 5.000 3.000 8.000 12.000 2.500 4.500

Lebensdauer (Jahre) 7 5 7 14 8 12 15 12 11

Wirkungsgrad (%) 85 75 93 94 94 94 80 85 80

Selbstentladung (%/Monat) 8 20 3 3 2 2 5 10 pro Tag 10 pro Tag

Quelle: Fraunhofer ISE

Abkürzungen: NiMH = Nickel-Metallhydrid; Li NMC = Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt; LiFePO4 = Lithium-Eisenphosphat; 

LMO = Lithium-Manganoxid; NaNiCl = flüssiges Natrium; NaS = Natrium-Schwefel

Schwungräder und Natrium-Schwefel-Akkus: Zwei Schritte nach vorn, ein Schritt zurück

Die Sicherheit von Akkus ist entscheidend, wenn sie weitere Verbreitung finden sollen. Natrium-Schwefel-Akkus sind auf Platz drei der beliebtesten stationären Speicher in Stromnetzen weltweit. Ende 2011 erlitt das Unternehmen NGK Insulators, führender Hersteller von Natrium-Schwefel-Akkus, einen Rückschlag, als ein Feuer am Akku-Installationsort eines seiner Kunden ausbrach (in der Tsukuba-Produktionsstätte der Mitsubishi Materials Corporation). Das Unternehmen hielt daraufhin alle Kunden dazu an, den Einsatz der Akkus bis auf Weiteres auszusetzen und stoppte die Produktion. Derartige Akkusysteme finden Anwendung in der Photovoltaik-Integration zur Glättung von Spannungs- und Frequenzschwankungen. Natrium-Schwefel-Akkus stellen mit 316 installierten Megawatt bereits eine etablierte Speicherlösung für mehrere andere Anwendungen im Versorgungsnetz dar, erklärt das Electric Power Research Institute. Damit machen diese Akkus einen großen Teil der installierten Speicher aus, sehen jedoch im Vergleich zu Pumpspeichern, der Technologie auf Platz eins mit weltweit installierten 127 Gigawatt, noch klein aus.

Auf dem Energiespeichermarkt erlitt auch Beacon Power, der Entwickler der Schwungradspeicherung, einen Rückschlag. Das Unternehmen beantragte im November 2011 Insolvenzschutz. Die Schwungrad-Produkte des Unternehmens können für die Cloud Mitigation von Photovoltaikanlagen eingesetzt werden. Schwungräder bieten den Vorteil der schnellen Entladung, jedoch nicht das Speicherpotenzial von Akkus. Sie haben eine Marktnische, müssen jedoch das richtige Geschäftsmodell und den geeigneten Kunden finden.

Neue Rubrik | Speicher & Netze

Wie viele Solarstromanlagen sind für Deutschland sinnvoll? 0, 110 oder 200 Gigawatt Leistung? Die Antwort hängt in erster Linie von der Frage ab, wie der Solarstrom verteilt und gespeichert werden kann – wie übrigens das Gelingen der Energiewende überhaupt.

Auch für den Erfolg von Unternehmen wird über kurz oder lang entscheidend sein, ob sie ihren Kunden Systeme anbieten können, die im richtigen Moment Solarstrom liefern. Denn die Zeiten, in denen Solaranlagen ein einfach planbares Renditeprodukt waren, werden in absehbarer Zukunft vorbei sein. Schon jetzt bringen viele Firmen entsprechende Produkte auf den Markt. Speichertechnologien und Netzintegration müssen damit ein Kernthema für die Solarindustrie werden. Deshalb richten wir die neue Rubrik Speicher & Netze ein, in der wir Sie regelmäßig über die neuen Entwicklungen informieren.

Die Artikel, die wir zu dazu bereits in der Vergangenheit hatten, finden Sie übrigens im Überblick auf unserer Website unter dem Menüpunkt Spezial/Speicher und Netze:www.photovoltaik.eu Dort finden Sie auch einen Überblick über die verschiedenen Technologien (Webcode 0071) und die verschiedenen Systeme auf dem Mar