Der Ausbau von erneuerbaren Energiequellen geht so schnell voran, dass Speicher- und Übertragungstechnologien kaum mithalten können. Um Produktionsspitzen zu glätten, braucht es Fortschritte in der Energietechnik.

Als die Gesellschaft noch aus Jägern und Sammlern bestand, verbrauchte der Mensch seine Energie lokal dort, wo er sie benötigte. Er lebte von der Hand in den Mund. Im Zuge der aufkommenden Landwirtschaft musste er Methoden entwickeln, um Nahrung haltbar zu machen und sie zu transportieren. Vor demselben Problem steht heute die Energiewirtschaft: Ort und Zeit der erneuerbaren Energieerzeugung korrelieren je länger je weniger mit dem Verbrauch. Die Herausforderung der Energiewende ist deshalb nicht nur die Produktion selbst, sondern auch die Übertragung, die Speicherung und das lokale Verbrauchslast- Management.

"Saisonale Speicherung problematisch"

Mit dem Ausstieg aus der Kernenergie müssen in der Schweiz etwa 40 Prozent der produzierten elektrischen Energie ersetzt werden, also rund 23 Terawattstunden (TWh) pro Jahr. Im Gegensatz zur Kernenergie haben die neuen erneuerbaren Energien den Nachteil, dass ihre Produktion nicht steuerbar ist und unregelmässig anfällt. Der Kapazitätsfaktor, also das Verhältnis von durchschnittlicher zu maximaler Leistung, beträgt bei konventionellen Kraftwerken bis zu 100 Prozent, bei Fotovoltaikanlagen dagegen nur etwa 10 Prozent. Hinzu kommen die starken saisonalen Schwankungen dieser stochastisch erzeugenden Energiequellen. Im Winter liegt die Stromverbrauchsspitze mit circa 10 Gigawatt (GW) rund ein Drittel höher als im Sommer, gleichzeitig liefern Fotovoltaikanlagen aufgrund des flacheren Einstrahlungswinkels und der kürzeren Sonnenscheindauer wesentlich weniger Strom als im Sommer. Anhand eines Gedankenexperiments lässt sich veranschaulichen, dass das Potenzial der neuen erneuerbaren Energien ohne zusätzliche Speicher oder steuerbare Lasten nicht vollständig genutzt werden kann. In der Energiestrategie des Bundes ist gemäss einem Szenario bis 2050 ein Zubau auf knapp 12 TWh pro Jahr Stromproduktion aus Fotovoltaik angedacht. Dies bedingt den Bau von Fotovoltaikanlagen mit einer installierten Spitzenleistung von etwa 12 Gigawattpeak (GWp) und einem Flächenbedarf von rund 84 000 000 Quadratmetern. Dieser Flächenbedarf ist auf den bestehenden Dächern in der Schweiz verfügbar. An einem schönen Sommertag können diese Anlagen dann also etwa 12 GW erzeugen, die maximale Verbrauchslast liegt im Sommer aber nur bei rund 8 GW. Es entsteht ein Überschuss von 4 GW; die Speicherleistung der Schweizer Pumpspeicheranlagen beträgt heute aber nur 1,5 GW. 2,5 GW Leistung können in diesem Szenario also gar nicht genutzt werden. An einem Wintertag mit Hochnebel erzeugen diese Anlagen überhaupt keinen Strom, die Verbrauchslast liegt aber mit 10 GW noch höher als im Sommer. Hier entsteht eine Lücke, die mit anderen Energieformen oder Importen gedeckt werden muss.

„Speichern, übertragen oder einsparen“

Um diesem Problem zu begegnen, gibt es verschiedene Lösungsansätze. Ein Ansatz ist, die Energie lokal dort zu speichern, wo sie erzeugt, aber nicht sofort verbraucht werden kann. In diesem Fall werden in erster Linie viele kleine Speichermodule benötigt, die sowohl für kurz- als auch langfristigen Ausgleich sorgen müssen. Eine andere Möglichkeit ist es, die Energie an Orte zu übertragen, wo sie sofort verbraucht wird; dann muss in erster Linie das Netz ausgebaut werden. Schliesslich könnte Energie auch zentral zu grossen Speichern transportiert werden, was sowohl einen Netzausbau als auch neue Speichertechnologien bedingen würde.

Auf der Verbraucherseite lässt sich die Nutzlast durch geeignetes Last-Management anpassen. Diese Steuerung schaltet verbrauchsintensive Anlagen in Unternehmen, gewerblichen Betrieben und Haushalten gezielt dann ein, wenn die Stromtarife günstig sind. Es dürfte aber schwierig sein, der Bevölkerung vorzuschreiben, wann sie zum Beispiel fernsehen oder kochen darf. Eine intelligente Regelung von grossen Kühlhäusern stört dagegen niemanden. Trotz solchen Bestrebungen geht die International Energy Agency (IEA) davon aus, dass der Stromverbrauch weltweit jährlich um rund 1 Prozent zunimmt. Diese Tendenz verstärkt sich voraussichtlich noch, falls sich der Bereich Mobilität von fossilen Energieträgern hin zur Elektromobilität verschieben wird. Die Geschichte hat gezeigt, dass der Energieverbrauch eigentlich nur in Krisenzeiten zurückgeht.

Klar ist jedenfalls, dass der Ausbau von Speichern und Netzen Hand in Hand mit der zunehmenden Integration von erneuerbaren Energiequellen erfolgen muss. Auf unterschiedlichen Netzebenen kommen unterschiedliche Speichertechnologien zum Einsatz. Während für Haushalte mit kleinen Fotovoltaikanlagen und im Niederspannungsnetz bereits Batteriespeicher vorhanden sind, stossen diese bei mehr als einer Windturbine oder grösseren Solarparks schnell an Ihre Grenzen. Das grösste Batterieenergiespeichersystem der Schweiz betreiben die Elektrizitätswerke des Kantons Zürich in Dietikon. Es hat 1 Magawatt (MW) maximale Speicherleistung und kann diese während ungefär 15 Minuten abgeben respektive speichern. Die Spitzenlast im Schweizer Hochspannungsnetz liegt aber bei 8 GW im Sommer und 10 GW im Winter.     

"Die Schweizer Pumpspeicherkraftwerke können unseren Strombedarf nur etwa einen Monat lang decken"

Das europäische Hochspannungsnetz verfügt über eine Spitzenlast von circa 500 GW. Um die Leistung von Grosskraftwerken wie Offshore-Windparks langfristig zu speichern, braucht es neue Technologien.

Raffinierte Energiespeicherung

Dafür forscht die ZHAW School of Engineering gemeinsam mit der ETH Zürich, der EPF Lausanne und dem Paul Scherrer Institut an der Power2Gas-Technologie. Dabei wird Kohlendioxid mit Strom aus erneuerbaren Quellen durch Elektrolyse zu Wasserstoff oder weiter zu Methan verarbeitet. Ähnlich wie bei der Nahrungsmittelproduktion, wo Stärke schliesslich als raffinierter Zucker gespeichert wird, gibt es auch bei der Stromspeicherung immer raffiniertere Formen. Bei jeder Umwandlung geht aber Energie verloren. Man muss sich also gut überlegen, ob man überhaupt speichern will, und wenn ja, über welchen Zeitraum.

Mit der wachsenden Integration von erneuerbaren Energien steigen auch die Anforderungen an die Energietechnik. Unser künftiges Energiesystem wird stärker automatisiert und intelligenter sein. Um erneuerbare Energiequellen zu integrieren, werden Informations- und Kommunikationstechnologien, Automatisierungs- und Regelungstechnik, Signalverarbeitung oder Wettervorhersagen immer wichtiger. In den intelligenten Stromnetzen der Zukunft werden alle beteiligten Komponenten Daten wie den aktuellen Verbrauch, verfügbare Strommengen oder lokale Ausfälle melden und gleichzeitig solche Daten aus anderen Netzkomponenten empfangen. Das daraus resultierende Smart Grid ist ein Gefüge, das selbstständig auf diese Einflüsse reagiert und seine eigene Effizienz optimiert. Es gilt, Energie effizienter zu übertragen, um räumliche Distanzen zu überwinden, und neue Speichertechnologien zu entwickeln, um zeitliche Engpässe zu überbrücken. Elektrische Energie kann auf verschiedene Arten erzeugt, gespeichert und übertragen werden. Jede Art hat ihre Vor- und Nachteile und ihren Preis. Anreize aus der Politik werden schliesslich entscheiden, welche Formen dies in der Zukunft sein werden.

Zum Autor:
Prof. Dr. Petr Korba ist Dozent und Fachgruppenleiter für elektrische Energietechnik und Smart Grids an der ZHAW School of Engineering. Zuvor forschte er über zehn Jahre bei ABB Schweiz in den Bereichen Automation, Energie- und Regelungstechnik.

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