Lade Inhalt...

Alternative Lösungsansätze zur Speicherung elektrischer Energie

Management regenerativer Energienetze

Seminararbeit 2019 38 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Energietechnik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Der Vortrag von Prof. Dr.Dr. Sinn
2.1 Die Thesen im Allgemeinen
2.2 Die Thesen im Bezug auf Speichertechnologien
2.2.1 Problem der volatilen Stromproduktion
2.2.2 Problem des volatilen Stromverbrauchs
2.2.3 Pumpspeicherkraftwer
2.2.4 Vehicle-to-Grid
2.2.5 Power-to-Gas
2.3 Kritische Auseinandersetzung

3 Übersicht alternativer Speicherverfahren
3.1 Druckluftspeicherkraftwerke
3.2 Schwungradspeicher
3.3 Thermoelektrische Speicher
3.4 Pumspeicherkraftwerke
3.5 Elektrochemische Batterie
3.6 Batterie aus Natursteinen
3.7 Power-to-Gas
3.8 Vehicle-to-Grid

4 Konzeptvorschlag
4.1 Grundlagen der Betrachtung
4.2 Pumspeicherkraftwerke
4.3 Vehicle-to-Grid
4.4 Dezentrale Speicherung in Einfamilienhäusern
4.5 Power-to-Gas

5 Ergebnisse

6 Fazit

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

2.1 Regenerative Energien im Vergleich zum Bruttostromverbrauch

2.2 Stündliche tatsächliche und geplante Stromproduktion

2.3 Entwicklung Endenergieverbrauch in Deutschland

3.1 Anlagenschema PSKW

3.2 Reaktionsgleichung alkalische Elektrolyse

3.3 Reaktionsgleichung saure Elektrolyse

5.1 Speicherkapazitäten verschiedener Technologien

Tabellenverzeichnis

2.1 Leistungen aus Wind- und Sonnenenergie

2.2 Neuberechnung der Leistungen aus Wind- und Sonnenenergie

4.1 Speicherbare Energie V2G

4.2 Speicherbare Energie EFH/Batterie

4.3 Speicherbare Energie EFH/WSS

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Die Herausforderungen des 21. Jahrhunderts bestehen in der Versorgung einer stetig wach- senden Weltbevölkerung mit Nahrungsmitteln, Trinkwasser und Energie in ausreichender Menge und Qualität. Nach Aussagen des führenden amerikanischen Systemanalytikers und Ökonomen Dennis L. Meadows ist die Tragfähigkeit unseres Planeten seit den 80er Jah- ren des vergangenen Jahrhunderts erschöpft.[21] Demnach übersteigen die gegenwärtigen Kosumbedürfnisse der Menschheit die verfügbaren natürlichen Ressourcen der Erde um etwa 30 %. Der in den Industrieländern erreichte Wohlstand war und ist mit einer bei- spiellosen Inanspruchnahme und Zerstörung der natürlichen Umwelt sowie Ausbeutung von Rohstoffen verknüpft. Aufgrund der dynamischen wirtschaftlichen Entwicklung in den Schwellenländern steigt der Bedarf an immer knapperen Ressourcen in den kommenden Jahren enorm an.

Bis in die 90er Jahre des letzten Jahrhunderts dominierten fossile Energien alle Sektoren - die Erzeugung von Strom, Wärme und die Bereitstellung von Mobilität. Pioniere der erneuerbaren Energien, die sich mit Photovoltaik, Windenergie, Biomasse und anderen erneuerbaren Energien beschäftigten, wurden belächelt.

Zur Gewährleistung der Existenzgrundlagen nachfolgender Generationen müssen die an- thropologischen Einflüsse auf das Klima drastisch begrenzt werden. Die klima- und um- weltverträgliche Energieversorgung der Zukunft erfordert daher nachhaltige, innovative Konzepte auf Grundlage kohlenstoffarmer Technologien. Im Jahr 2000 wurde in Deutsch- land das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) 1 verabschiedet. Große Energiekonzerne sahen dieses Gesetz zunächst nicht als Gefahr für ihre Geschäftsmodelle an. Im Jahr 2015 betrug der Anteil der erneuerbaren Energien in Deutschland jedoch bereits mehr als 32 Pro- zent des Bruttostromverbrauchs. Die Erfahrungskurven der Technologien wurde rascher, auch aufgrund mehrerer unerwarteter Technologiesprünge, durchlaufen als erwartet. Die Transformation von fossilen zum erneuerbar dominierten Energiesystem schreitet seit dem Jahr 2000 nicht nur in Deutschland, sondern weltweit immer rascher voran. Das EEG hat einen wesentlichen Beitrag dazu geleistet, dass heute die technologischen Voraussetzun- gen für das 2-Grad-Ziel vorhanden sind. In vielen Anwendungsfällen, abhängig von den geografischen Gegebenheiten, sind erneuerbare Technologien bereits heute günstiger als fossil basierte Technologien. Mittlerweile wird für 2023 der endgültige break even point der Herstellungskosten erneuerbarer und fossiler Energien prognostiziert.

Der globale Zubau erneuerbarer Energien und der einhergehende Preisverfall öffnen ein neuen Zeitalter der Versorgung mit Energie. Wurde die Versorgung mit elektrischem Strom bisher vor allem über zentrale Netzstrukturen gesichert, wird nun die dezentrale Vollver- sorgung mit Strom möglich.

In seinem Working Paper Buffering Volatility: A Study on the Limits of Germanys Energy Revolution [27] zweifelt Prof. Dr.Dr.h.c. Hans-Werner Sinn genau diese tech- nische Umsetzbarkeit der Energiewende an. Daher wird in der vorliegenden Seminararbeit, mit dem Titel Alternative Lösungsansätze zur Speicherung elektrischer Energie, un- tersucht, inwiefern diese Aussagen im Bezug auf Speichertechnologien validierbar sind oder ob diese eventuell fehlerhaft sind.

2 Der Vortrag von Prof. Dr.Dr. Sinn

2.1 Die Thesen im Allgemeinen

In dem im vorgenannten Kapitel genannten Working Paper[27] und dem daraus resultieren- den Vortrag während der Münchner Seminare, verweist Prof. Dr.Dr.h.c. Hans-Werner Sinn zum Einstieg auf den Klimawandel hin. Es bestehe keinerlei Zweifel daran, dass der Klimawandel stattfindet, jedoch daran, dass die derzeitige deutsche oder europäische Politik effektiv gegen den Klimawandel vorgeht.

Dies begründet Prof. Dr.Dr.h.c. Hans-Werner Sinn mit den folgenden 13 Thesen, die auf seine Sicht der Mängel und die daraus resultierende Undurchführbarkeit der Energiewende in der derzeitigen Form hinweisen.

Verbrennung fossiler Brennstoffe Die Verbrennung fossiler Brennstoffe führt zu einem dramatischen Anstieg von Kohlendioxid in der Atmosphäre und daraus resultierend eine Verschiebung der Klimazonen.

Bioenergie ist in den OECD-Ländern die wichtigste grüne Energiequelle Die Hunger- krisen 2007 und 2008 sind u. a. das Resultat extrem gestiegener Lebensmittelpreise, folgend aus der Herstellung von Bioethanol. Von daher ist es unethisch, Lebensmittel zu einer Energiequelle zu machen.

Einsparung fossiler Energie durch einzelne Länder Aufgrund des globalisierten Welthan- dels und den daraus resultierenden sinkenden Weltmarktpreisen, wird es keine Ein- sparung von Kohlendioxid-Emissionen geben. Die Brennstoffe werden durch andere Länder gekauft und verbrannt.

Die europäischen Anstrengungen werden keine positiven Reaktionen erzeugen Wenn der Temperaturanstieg des Klimawandels von Europa niedrig gehalten wird, müssen andere Länder selbst keine Kosten auf sich nehmen, um diesen zu begrenzen.

Die Ankündigung der Energiewende führt zu unerwünschten Reaktionen Die Ankün- digung kommt für die Ressourcenanbieter einer Enteignung gleich. Diese reagieren mit einer Beschleunigung der Extraktion der Brennstoffe, bevor die Märkte vernich- tet sind.

Nachfrageorientierte Klimapolitik durch weltweite Kooperation Das Emissionshandels- system muss auf alle Länder ausgedehnt werden.

Besteuerung der Kapitaleinkommen Die Besteuerung muss konsequent vom Wohnsitz- prinzip auf das Quellenlandprinzip umgestellt werden. Dadurch würden die Nettofi- nanzerträge der Ressourcenanbieter fallen, mit der Folge, dass diese Interesse daran hätten, eine Wertsteigerung ihrer Bodenschätze durch eine natürliche allgemeine Ver- knappung zu erzielen, also die Ressourcen langsamer zu extrahieren.

Regenerativer Strom ist teuer Deutschlands Energiewende ist extrem teuer. Die Strom- kosten der deutschen Verbraucher sind schon jetzt mehr als doppelt so hoch wie die Kosten für Verbraucher anderer Länder. Durch das EEG mussten deutsche Verbrau- cher im Jahre 2013 13 Mrd. e mehr bezahlen, als konventioneller Strom gekostet hätte. Laut Aussage des Bundesumweltministeriums wird die Energiewende mehr als 1.000 Mrd. e kosten. Energieintensive Unternehmen wandern ab oder bestehen auf Lohnverzichte seitens der Arbeitnehmer.

Die Kosten werden weiter progressiv steigen Der Aufwand um regenerativen, flattern- den Strom zu glätten, ist sehr hoch. Die Netze der Nachbarländer als Puffer zu ver- wenden, wird immer schwieriger. Die Instabilität durch Pumpspeicherkraftwerke (PSKW) 2 zu federn, ist möglich, aber durch die Schwankungen im Jahresablauf extrem aufwändig.

Das EEG ist vollkommen wirkungslos Der in Deutschland produzierte Strom aus rege- nerativen Technologien verdrängt die entsprechenden Emissisionzertifikate. Diese Zertifikate wandern über die Börse zu den Kohlekraftwerken in anderen Ländern, sodass es dort zu einer Erhöhung des Kohlendioxidausstoßes kommt, welcher exakt genau so groß ist, wie die Einsparung in Deutschland.

Das EEG ist ineffizient Das EEG setzt einen einheitlichen Kohlendioxidpreis, welcher die Grenzvermeidungskosten überall in Europa angleicht. Das EEG verzerrt dadurch die Vermeidungsanstrengungen.

Das EEG verzerrt die Anreize, grüne Technologien zu errichten Die Nachfrage nach Emis- sionszertifikaten und somit auch der Preis für diese wird gesenkt. Dies verbilligt die Produktion fossilen Stroms in Resteuropa. Dies nimmt dem regenerativen Strom die wirtschaftliche Basis.

Das Vorgehen der EU gegen Deutschland ist richtig Das EEG diskriminiert den Im- port von Strom aus regenerativen Technologien aus dem Ausland, da dieser nicht bezuschusst wird. Zudem diskriminiert es aber auch den Import von Strom aus fos- silen Brennstoffen, da es diesen mit der EEG-Umlage belastet. Dies wirkt wie ein verbotener Importzoll.

2.2 Die Thesen im Bezug auf Speichertechnologien

In diesem Kapitel werden die Thesen im Bezug auf die drei Speichertechnologien PSKW, Vehicle-to-Grid (V2G) 3 und Power-to-Gas (P2G) 4 im Kontext der volatilen regenera- tiven Stromproduktion sowie des volatilen Stromverbrauchs erläutert.

2.2.1 Problem der volatilen Stromproduktion

Tabelle 2.1: Leistungen aus Wind- und Sonnenenergie in Deutschland 2014[27]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das größte Problem, welches sich aus der Erzeugung von Strom aus regenerativen Ener- giequellen ergibt, ist aus Sicht von Prof. Dr.Dr.h.c. Hans-Werner Sinn die volatile Versorgung. Die Produktion von Wind- oder Sonnenstrom lässt sich weder konkret planen noch beeinflussen. Dies bedeutet, dass der Strom nicht zuverlässig zu jeder Zeit zur Verfü- gung steht. Im Speziellen bei Solarstrom ergibt sich die Schwierigkeit, dass dieser nachts nicht zur Verfügung steht. Dies bedeutet, dass Strom in Zeiten des Überschusses gespei- chert und bei Bedarf in das Netz abgegeben werden muss. Die Tabelle 2.1 verdeutlicht das Problem.

2.2.2 Problem des volatilen Stromverbrauchs

Wie die Abbildung 2.1 zeigt, liegt auch beim Stromverbrauch eine hohe Volatilität vor. Dies bedeutet laut Prof. Dr.Dr.h.c. Hans-Werner Sinn, dass nicht nur die Stromproduktion aus regenerativen Energien ein Problem darstellt, sondern ebenfalls der Stromverbrauch. Die Spitzenausschläge der beiden Kurven sind so gravierend, dass als Resultat hieraus enorme Speicherkapazitäten benötigt werden, um den Strom jederzeit gesichert in das Netz einspeisen zu können. Basierend auf den statistischen Zahlen von 2014, von denen er ausschließlich den Anteil der regenerativen Wind- und Stromenergieerzeugungvon 3,5 % des Endenergieverbrauchs betrachtet, geht er davon aus, dass eine Speicherkapazität von 11,3 TW h benötigt wird, was einer Anzahl von 10 478 PSKW entspricht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Wind- und Sonnenenergie (unter Linie) im Vergleich zum gesamten Brut- tostromverbrauch (obere Linie) (deutsche Stundendaten 2014)[27]

2.2.3 Pumpspeicherkraftwerke

Grundsätzlich stehen einer Nutzung von PSKW keine unüberwindbaren technischen Hür- den im Weg. Besonders interessant ist hierbei das Potenzial, welches sich in Norwegen bietet. Allerdings existieren in Norwegen derzeit fast ausschließlich Wasserkraftwerke (WKW), in Deutschland ist der Bestand und das Potenzial mit zur Zeit 35 PSKW sehr gering. In Westeuropa bietet sich ein Gesamtpotenzial von 2,618 TW h. Da insgesamt, nur für Deutschland, mehr als 10 TW h Speicherpotenzial benötigt werden, sind PSKW keine ausreichende Option.

2.2.4 Vehicle-to-Grid

Prof. Dr.Dr.h.c. Hans-Werner Sinn hält die Methode V2G für nicht zielführend. Auto- batterien könnten zwar zum Ausgleich kurzzeitiger Schwankungen genutzt werden, nicht aber für den Ausgleich der ungleich größeren saisonalen Schwankungen. Zudem ist der Be- stand an E-Autos viel zu gering, um eine nennenswerte Speicherkapazität zur Verfügung stellen zu können. Selbst das von der Bundesregierung anvisierte Ziel von 1 000 000 KFZ mit Elektroantrieb ist als Speicherkapazität völlig unzureichend.

2.2.5 Power-to-Gas

Im Bereich P2G betrachtet Prof. Dr.Dr.h.c. Hans-Werner Sinn zwei mögliche Techno- logien. Die eine ist die Elektrolyse von Wasserstoff zur Speicherung und Glättung der erneuerbaren Energieträger, die andere eine Weiterverwendung des so erzeugten Wasser- stoffs zur Methanisierung und einer Speicherung des Methans zum selben Zweck. Bei der Methanisierung sieht Prof. Dr.Dr.h.c. Hans-Werner Sinn keine Probleme was die Speichermöglichkeiten angeht. Das deutsche Gasnetz verfüge über Speicherkapazitäten im Bereich von 267 TW h, was die zur Glättung erneuerbarer Stromproduktion benö- tigte Kapazität bei Weitem überschreitet. Jedoch sei diese Methode durch ihren gerin- gen Wirkungsgrad von ca. 25 % für die Methanisierung und anschließende Rückverstro- mung und den hierdurch sehr hohen Gestehungskosten von ungefähr 0,25 e/kW h unwirt- schaftlich. Einer reinen Elektrolyse, ohne anschließende Methanisierung, bescheinigt Prof. Dr.Dr.h.c. Hans-Werner Sinn zwar einen deutlich höheren Wirkungsgrad von ca. 50 % und damit einhergehend eine Halbierung der Gestehungskosten auf ungefähr 0,12 e/kW h. Diese seien aber immer noch etwa fünfmal so hoch die Kosten für russisches Erdgas von ca. 0,024 e/kW h. Ein weiteres Problem der ausschließlichen Nutzung von Wasserstoff sei die Speicherung. Zum einen penetriere Wasserstoff sämtliche Materialien, was eine Anwen- dung als saisonaler Speicher ausschließe. Zum anderen führe dies zu einer Versprödung der Speicherwände, welche eine Herausforderung an die Lebensdauer von Wasserstoffspeichern darstelle. Des Weiteren sei für die Elektrolyse eine stetige Stromversorgung notwendig, was einem Einsatz zum Abfangen von Spitzenlasten weiter entgegensteht.

2.3 Kritische Auseinandersetzung

Tabelle 2.2: Neuberechnung der Leistungen aus Wind- und Sonnenenergie in Deutschland 2014

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Es lässt sich feststellen, dass die von Prof. Dr.Dr.h.c. Hans-Werner Sinn verwendeten statistischen Grundlagendaten valide sind. In der Tabelle 2.2 sind überarbeitete Daten für die Anzahl der in Deutschland installierten Windkrafträder[8][9], der installierten Leistung von Wind- und Sonnenenergie[30][2] und der daraus resultierenden durchschnittlichen Leis- tung[1] aufgeführt, diese decken sich aber im Wesentlichen mit denen im Working Paper genannten. Allerdings lässt sich feststellen, das dort etwas niedrigere Werte angenommen wurden. Auffallend ist zudem, dass die Offshorewindanlagen in der Berechnung keinerlei Betrachtung fanden. Diese tragen mit einer Leistung von 2,35 GW[10] im Jahre 2014 zwar einen verhältnismäßig kleinen Beitrag, jedoch ist davon auszugehen, dass der Anteil der gesicherten Leistung bei diesen Anlagen signifikant höher ist. Diese wurden in der genann- ten Neuberechnung nun mit aufgenommen. Die gesicherte Leistung für Sonnenenergie kann mit 0 GW angenommen werden, für die Windenergie finden sich keine validen sta- tistischen Zahlen. In der von der Bundesnetzagentur veröffentlichten Stellungnahme zum zweiten Monitoring-Bericht der Bundesregierung für das Berichtsjahr 2012 [20, S. 122] finden sich verschiedene Studien zur gesicherten Leistung. In der Neuberechnung der Leistungen aus Wind- und Sonnenenergie (siehe Tabelle 2.2) wurde die von der Kom- mission getroffene Annahme von 5 % gesicherter Leistung verwendet. Hieraus resultieren deutliche höhere gesicherte Leistungen, als die von Prof. Dr.Dr.h.c. Hans-Werner Sinn verwendeten.

Die Aussage, dass in Deutschland lediglich 355 sowie in Norwegen lediglich drei PSKW vorhanden sind, ist validierbar. Norwegen verfügt zwar über etwa 1 250 WKW [7], die überwiegende Mehrzahl sind aber als Speicherkraftwerke ohne Pumpfunktion ausgeführt. Lediglich drei Stück, wie von Prof. Dr.Dr.h.c. Hans-Werner Sinn genannt, sind als PSKW ausgeführt. Allerdings haben die meisten der aufgeführten 1 250 WKW aber sowohl einen Ober- als auch einen Untersee, so dass diese mit relativ geringem Aufwand in ein PSKW umgebaut werden könnten.

Des Weiteren wird in dem Working Paper auf die Speichermethode V2G eingegangen. Hier lässt sich feststellen, dass diese Methode aktuell tatsächlich noch nicht als zuverlässi- ge Speichertechnologie zur Verfügung steht, da es im Jahr 2018 in Deutschland nur 53 861 zugelassene PKW mit Elektroantrieb gab.[17] Dabei lässt sich aber bemerken, dass die gewählte Speicherkapazität in seiner Berechnung sehr klein ist. Auch heute schon gibt es Elektrofahrzeuge mit einer signifikant höheren Speicherkapazität, ein Blick auf technolo- gische Fortschritte entfällt völlig.

Entgegen der Aussagen von Prof. Dr.Dr.h.c. Hans-Werner Sinn ist die Erzeugung von Solar- und Windstrom heute dank verlässlicher nationaler Wettervoraussagen sehr gut planbar, wie man auch in Abbildung 2.2 am Beispiel der Solarenergie erkennen kann. Wie die Solarenergie unterliegt auch die Windenergie saisonalen Schwankungen. Da die Ver- läufe der Leistungskurven aber kohärent zueinander sind, lässt sich jederzeit eine präzise Vorhersage über die Gesamtstromproduktion treffen. Aufgrund der dezentralen Erzeugung können regionale Änderungen in der Bewölkung oder der Windgeschwindigkeiten nicht zu gravierenden Schwankungen der deutschlandweiten Stromproduktion führen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2: Stündliche tatsächliche und geplante Stromproduktion im Jahr 2014 in Deutschland[31]

Prof. Dr.Dr.h.c. Hans-Werner Sinn nennt die Methode der alkalischen Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff. Er nimmt einen Gesamtwirkungsgrad von der Elektrolyse des überschüssigen Stroms zur Rückverstromung von ungefähr 50 % an. Dieser Wert lässt sich verifizieren.[11] Als Kosten für den Wasserstoff werden 0,12 e/kW h angenommen. Setzt man für die Verstromung einen Wirkungsgrad von 60 % an, ergeben sich somit Geste- hungskosten von 0,20 e/kW h Strom. Auch dieser Wert lässt ich grundsätzlich verifizieren, wobei nicht näher erläutert wird, ob hier die eigentliche Speicherung des Wasserstoffes schon beinhaltet ist.[23] Eine gleichmäßige Stromversorgung für diesen Prozess ist aber bereits heute nicht mehr zwangsläufig notwendig. Die elektrochemischen Prozesse rea- gieren verzögerungsfrei auf Laständerungen, sodass die Dynamik der Anlagen nur von peripheren Komponenten, wie Pumpen und Druckreglern, abhängt.[11][33] Bei der Me- thanisierung beschränkt Prof. Dr.Dr.h.c. Hans-Werner Sinn sich, aufgrund der hohen benötigten Dynamik, alleinig auf die Betrachtung biologischer Prozesse. Zudem verweist er in seinem Vortrag auf die Unwirtschaftlichkeit von P2G. Er berechnet Gestehungskosten, die deutlich über den Einkaufskosten von importiertem Erdgas liegen. Gleichzeitig wird seinerseits aber angemerkt, dass das importierte Erdgas zu günstig ist und zudem durch eine künstliche Verknappung (siehe Kapitel 2.1) noch weiter verteuert werden müsste. In seinen Wirtschaftlichkeitsberechnungen geht er aber von dem aktuellen, laut ihm viel zu günstigen, Einkaufspreis aus und rechnet damit das Verfahren P2G künstlich unrenta- bel.

[...]


1 Im weiteren Dokument wird nur noch die in der Klammer genannte Abkürzung verwendet.

2 Im weiteren Dokument wird nur noch die in der Klammer genannte Abkürzung verwendet.

3 Im weiteren Dokument wird nur noch die in der Klammer genannte Abkürzung verwendet.

4 Im weiteren Dokument wird nur noch die in der Klammer genannte Abkürzung verwendet.

5 Mittlerweile sind 36 PSKW errichtet.

Details

Seiten
38
Jahr
2019
ISBN (eBook)
9783668952393
ISBN (Buch)
9783668952409
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v470770
Institution / Hochschule
Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel – Fakultät Versorgungstechnik
Note
1,3
Schlagworte
Energietechnik Energiewende Stromspeicherung Energienetze Windkraft Solarenergie Power-to-Gas Vehicle-to-Grid Pumpspeicherkraftwerke Batterie

Autor

Teilen

Zurück

Titel: Alternative Lösungsansätze zur Speicherung elektrischer Energie