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Optionen zur Speicherung elektrischer Energie in Energieversorgungssystemen mit regenerativer Stromerzeugung

von Dirk Uwe Sauer

Die Speicherung von elektrischer Energie ist eine Aufgabe so alt wie die Existenz von Stromnetzen. Zur Aufrechterhaltung von Spannungs- und Frequenzstabilität in engen Grenzen im Netz sind zum Ausgleich zwischen Angebot und Nachfrage schnell reagierende Speicher notwendig.

Klassisch wird diese Aufgabe von Pumpspeicherkraftwerken erfüllt. Durch die bereits heute im deutschen Netz signifikante Einspeisung von Strom aus fluktuierenden, regenerativen Energiequellen steigt der Bedarf an schnell regelbarenKraftwerken oder entsprechenden Speichersystemen. Einem Spitzenbedarf im deutschen Netz von etwa 75 GW und einem Leitungsbedarf von knapp 50 GW in den Nachtstunden steht bereits eine installierte Leistung von 15 GW aus Windkraftwerken gegenüber, die rund 5 % des jährlichen Strombedarfs liefern. Während derzeit eine Speicherung noch durch optimale Verteilung durch Stromnetze vermieden werden kann, ist dies bei einer höheren installierten Leistung nicht mehr möglich. Neben der schnellen Regelreserve kann aber auch der Stromhandel an der Strombörse mit einer Ausnutzung der Preisdifferenz zwischen Schwachlastzeiten und Hochlastzeiten ein betriebswirtschaftlich interessantes Einsatzgebiet von Speichern bilden. Daneben werden auch Speichertechnologien für autonome Stromversorgungssysteme benötigt, die in technischen Bereichen z.B.für Sensoren oder Mobilfunkstationen oder im Bereich der ländlichen Elektrifizierung für die Basiselektrifizierung mit „Solar Home“-Systemen oder Dorfstromversorgungen eingesetzt werden. In diesem Beitrag sollen das Potential und der technische Stand verschiedener Speichertechnologien für den Einsatz in Stromnetzen diskutiert werden. Es wird deutlich, dass für einen weiten Bereich von Leistungsanforderungen und Energiespeicherkapazitäten Technologien vorhanden sind. Allerdings muss je nach spezifischen Anforderungen die geeignete Technologie gewählt werden; eine Universaltechnologie, die alle Anforderungen erfüllt, gibt es nicht. Dabei können auch thermische Energiespeicher dazu beitragen, Energie effizient zu nutzen und dabei auf eine Speicherung elektrischer Energie zu verzichten. Stromgeführte Kraft-Wärme-Kopplung mit thermischen Speichern können Strom genau dann liefern, wenn der entsprechende Bedarf besteht.

Motivation des Einsatzes von Speichern in Netzen
Speicher in elektrischen Netzen sind im Prinzip nahezu so alt wie die großen Stromnetze selber. Da Strom als solcher nicht gespeichert werden kann, müssen Angebot und Nachfrage zu jedem Zeitpunkt exakt ausgeglichen sein. Um dies zu gewährleisten, wird eine aufwändige Einsatzplanung für den Kraftwerkspark vorgenommen, der sich dafür aus einer geeigneten Mischung von Grundlast-, Mittellast- und Spitzenlastkraftwerken zusammensetzen muss. Da aber alle Kraftwerke abgesehen von der Sekundenreserve, die aus vorhandenem Gasüberschuss oder der Rotationsenergie von Turbinen und Generatoren genommen wird, relativ lange Zeiträume bis zum Erreichen der Nennleistung benötigen, sind zusätzliche schnell einsetzbare Speicher notwendig. Diese müssen immer dann aktiviert werden, wenn der reale Verbrauch von der Prognose abweicht oder wenn ungeplant ein Kraftwerk vom Netz geht. Neben diesem Einsatz von Speichern zur Netzstützung auf oberster Ebene, gibt es auch die Speicher, die eine Versorgungsqualität direkt beim Verbrauch sicherstellen. Diese Speicher sind in unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlagen eingebaut und müssen innerhalb von etwa 10 ms auf Abweichungen von den Sollwerten für Spannung und Frequenz im Netz reagieren können. Dadurch wird der Ausfall oder eine Beeinträchtigung der Verbraucher verhindert. Insbesondere die immer höhere Abhängigkeit von Computeranlagen in allen Bereichen des privaten und des öffentlichen Lebens macht deren Absicherung gegen Stromausfälle oder Schwankungen in der Power Quality notwendig.
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Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer ist Juniorprofessor für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik am Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) der RWTH Aachen.

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