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4 | 2014

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Energiespeicher

Energiespeicher Speicherseen des Pumpspeicherkraftwerks Nant de Drance in der Schweiz. Bild: Michel Martinez Energiespeicher Die Energiewende in Deutschland führt zu einer Vielzahl von Herausforderungen bei der konkreten Umgestaltung des Energieversorgungssystems. Insbesondere durch den dynamischen Zubau fluktuierender erneuerbarer Energien ergibt sich bereits jetzt ein zunehmender Flexibilisierungsbedarf im Bereich der Stromversorgung, der mit fortschreitendem Ausbau der erneuerbaren Energien weiter steigen wird. In diesem Zusammenhang können Energiespeicher einen wichtigen Beitrag zur Umsetzung der Energiewende leisten. Der zusätzliche Flexibilisierungsbedarf führt dabei prinzipiell zu einem steigenden Bedarf an Kurz- und Langzeitspeichern. Grundsätzlich ist allerdings zu beachten, dass Speicher immer in einem Wettbewerb mit alternativen Flexibilisierungsoptionen wie zum Beispiel dem Netzausbau oder der Flexibilisierung der Nachfrageseite (Demand Side Management) stehen. Ein wesentlicher Vorteil von Energiespeichern besteht darin, dass sie mehrere Versorgungsaufgaben erfüllen können. Ein wichtiger Aspekt ist hierbei die Bereitstellung von Systemdienstleistungen zur Sicherstellung der Netzstabilität. Dieser Bereich umfasst neben der Bereitstellung von Regel- und Blindleistung auch die Entlastung von Netzbetriebsmitteln und die Sicherstellung der Spannungsqualität sowie die Schwarzstartfähigkeit. Eine Übersicht Autoren Dr.-Ing. Peter Stenzel, Dipl.-Ing. Richard Bongartz,Dipl.-Ing. Johannes Fleer, Dipl.-Ing. Wilfried Hennings, Dipl.-Ing. Jochen Linssen, Dr.-Ing. Peter Markewitz, Institut für Energie- und Klimaforschung – Systemforschung und Technologische Entwicklung (IEK-STE) am Forschungszentrum Jülich. über die verschiedenen Einsatzgebiete von Energiespeichern gibt [1]. Der mit steigendem Anteil erneuerbarer Energien zunehmende Bedarf an Systemdienstleistungen und die veränderten energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen haben zueiner veränderten Rolle von Energiespeichern geführt. Dies betrifft insbesondere die vorhandenen Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland, die neben dem klassischen Einsatz im Energiehandel zunehmend für die Bereitstellung von Systemdienstleistungen eingesetzt werden. Die Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicherkraftwerken wird aufgrund sinkender Erlöse in den Märkten und steigender Belastungen (zum Beispiel durch steigende Netzentgelte) derzeit vielfach kritisch bewertet. Dies wirkt sich nicht nur auf die Bestandsanlagen, sondern auch auf Neubauprojekte aus. Hier konnten zwar in den letzten Jahren erhebliche Ausbaupotenziale identifiziert und an verschiedenen Standorten Neubauprojekte initialisiert werden, die Planungen werden derzeit allerdings nicht forciert vorangetrieben. Teilweise wurden endgültige Investitionsentscheidungen verschoben und erste Projekte wieder verworfen. Zur Bereitstellung von Systemdienstleistungen werden auch erste stationäre Batteriespeichersysteme eingesetzt. Neben zahlreichen Forschungsprojekten [1] befindet sich auch ein erstes kommerzielles Batteriesystem in der Realisierung mit einer geplanten Inbetriebnahme Ende 2014 [2]. Die Einsatzgebiete für Batteriespeicher umfassen aktuell in erster Linie die Bereitstellung von Primärregelleistung und einen Einsatz in Verteilnetzen zur Vermeidung von Netzausbaumaßnahmen. Die Errichtung dezentraler Batteriespeicher in Kombination mit Photovoltaikanlagen wird seit Mai 2013 durch die KfW gefördert. Derartige Anlagen verfügen prinzipiell ebenfalls über das Potenzial zur Entlastung von Verteilnetzen bei entsprechender Betriebsführung. Aktuell werden die Batteriesysteme allerdings lediglich zur Erhöhung des Eigenverbrauchs aus Pho- 42 BWK Bd. 66 (2014) Nr. 4

Energiespeicher Natürlicher Zufluss Kategorie Einheit mit ohne 2) Gesamt Anzahl [–] 11 1) 19 30 1) Installierte Leistung [MW] ca. 1 130 ca. 5 270 ca. 6 400 Bandbreite Leistung [MW/Anlage] 3 bis 360 0,5 bis 1 060 0,5 bis 1 060 Durchschnittliche Leistung [MW] 102 277 213 Bandbreite Wasservolumen 3) [Mio. m 3 ] 0,1 bis 5,6 0,04 bis 12 0,04 bis 12 Bandbreite Fallhöhe [m] 50 bis 410 50 bis 630 50 bis 630 Durchschnittliche Fallhöhe [m] 185 245 220 Durchschnittliches Alter 4) [Jahre] 65 50 55 Durchschnittlicher Wirkungsgrad 5) [%] 68 72 70 Kapazität 3) [GWh] 7 bis 17 33 40 bis 50 1) : Zusätzlich gibt es noch acht Kraftwerke (ca. 29 MW), in denen – hauptsächlich aus wirtschaftlichen Gründen – zurzeit kein Pumpbetrieb mehr durchgeführt wird 2) : Inklusive Pumpspeicherkraftwerk Happurg (160 MW), das aufgrund umfangreicher Sanierungsarbeiten derzeit außer Betrieb ist 3) : Aufgrund anderer Anforderungen (z.B. wasserwirtschaftliche Zwecke, Hochwasserschutz oder Niedrigwasseraufhöhung), ist das Wasservolumen von Talsperren nur zu einem Teil für den Pumpspeicherbetrieb nutzbar. Zur nutzbaren Wassermenge liegen für einige Anlagen keine Daten vor 4) : Modernisierungen sind nicht berücksichtigt 5) :Moderne Anlagen und Neubauprojekte erreichen Wirkungsgrade von ca. 80 % tovoltaikanlagen eingesetzt.Ziel des Förderprogramms ist es,die Marktintegration von Batteriespeichern zufördern und die aktuell noch hohen Kosten durch eine Vergrößerung des Marktvolumens zu senken. Die Nutzung von Elektrofahrzeugbatterien zur Integration von erneuerbaren Energien und zur Bereitstellung von Systemdienstleistungen befindet sich ebenfalls in der Diskussion. Problematisch sind hier insbesondere der hohe Aufwand an Kommunikationsund Steuerungstechnik, negative Auswirkungen auf die Batterielebensdauer durch zusätzliche Nutzungen sowie die insgesamt (auch zeitlich) begrenzte verfügbare Speicherkapazität [3; 4]. Eine Möglichkeit, die hohen Kosten der Speicherung von Elektrizität zu umgehen, besteht inder alternativen Nutzung von Wärmespeichern. Das Powerto-heat genannte Konzept basiert auf der Umwandlung von Überschussstrommengen in Wärme, deren Speicherung und (zeitversetzte) Nutzung in Wärmeversorgungssystemen. Hauptvorteil des Konzeptes ist, dass Wärmespeichersysteme einfach und kostengünstig realisierbar sind. Die Möglichkeit der Rückverstromung ist allerdings inder Regel nicht gegeben. Die Flexibilität beschränkt sich daher auf die Funktionalität als steuerbarer Verbraucher, insbesondere zur Integration von Überschussstrommengen und zur Bereitstellung negativer Regelleistung. Einige kommerzielle Projekte wurden bereits realisiert, insbesondere im Bereich der Nah- und Fernwärmeversorgung [5]. Wesentliche Motivation für den heutigen Bau von Wärmespeichern ist die Möglichkeit, KWK-Anlagen flexibler betreiben zukönnen. Im Bereich des Langzeitausgleichs erneuerbarer Energien konzentrieren sich die Entwicklungsarbeiten aktuell auf die Power-to-gas-Technologie und deren praktische ErprobunginzahlreichenForschungs- und Pilotprojekten [6]. Hauptnachteile des Konzeptes sind die aktuell noch sehr hohen Kosten und die niedrigen Gesamtwirkungsgrade. Eine Alternative imBereich der Langzeitspeicherung besteht in der Realisierung von Stromverbünden mit Nachbarländern unter Einbeziehung der dortigen Erzeugungs- und Speicherkapazitäten. Aus deutscher Sicht könnte hier insbesondere ein Stromverbund mit Norwegen und den dort vorhandenen großen Kapazitäten von Speicherwasserkraftwerken interessant sein. Stand der Energiespeicherung in Deutschland Tabelle 1 Mit einemAnteil von mehr als 99 %an der installierten weltweiten Speicherkapazität für elektrische Energie stellen Pumpspeicherkraftwerke die mit Abstand wichtigste Speichertechnologie dar [7].Auch inDeutschland entfällt auf Pumpspeicher der mit Abstand größte Anteil inBezug auf die installierte Leistung und Kapazität. Insgesamt befinden sich zurzeit 30 Pumpspeicher mit einer Leistung von etwa 6400 MW in Betrieb. Hinzu kommt das Druckluftspeicher- [1]. Deren Beitrag zur installierten Speicherkapazität ist allerdings noch gering. Pumpspeicher- und Speicherwasserkraftwerke Kenndaten des deutschen Pumpspeicherkraftwerksparks (Quelle: IEK-STE-Datenbank). kraftwerk Huntorf mit einer installierten Leistung von 321 MW. In den letzten Jahren wurden auch einige stationäre netzintegrierte Batteriespeicher realisiert In Tabelle 1 sind die wesentlichen Kenndaten des deutschen Pumpspeicherkraftwerksparks aufgeführt. Die in Deutschland installierten Speicherwasserkraftwerke verfügen insgesamt über eine Leistung von rund 300 MW. Aufgrund unzureichender Datenlage sind diese in Tabelle 1nicht berücksichtigt. Zusätzlich zuden in Tabelle 1berücksichtigen Anlagen befinden sich große Speicherkapazitäten deutscher Betreiber außerhalb Deutschlands, zum Beispiel das Pumpspeicherkraftwerk Vianden in Luxemburg und Speicherwasserkraftwerke inÖsterreich.Das Kraftwerk Vianden wurde vor kurzem um eine zusätzliche elfte Maschine erweitert (Leistungserhöhung um 200 MW auf insgesamt 1296 MW und Erhöhung des Regel-Arbeitsvermögens von 4,625 GWh auf rund 5,0 GWh). Seit dem 1. Dezember 2013 läuft der Probebetrieb, die kommerzielle Inbetriebnahme ist für den 1. August 2014 vorgesehen [8]. In Tabelle 2 sind statistische Daten zur Stromerzeugung und zum Strombezug (Pumparbeit) der deutschen Pumpspeicher- und Speicherwasserkraftwerke aufgeführt. Für den Zeitraum 2009 bis 2012 ergibt sich eine durchschnittliche Netto- Stromerzeugung der Pumpspeicherkraftwerke vonetwa6300 GWh/a, wobei Netto-Stromerzeugung nach Kraftwerkstyp und Netto-Pumparbeit Jahr 2009 2010 2011 2012 Speicherwasser [GWh] 741 692 533 800 Pumpspeicher [GWh] 5 925 6 799 6 099 6 485 davon mit natürlichem Zufluss [GWh] 391 509 387 544 davon ohne natürlichen Zufluss [GWh] 5 535 6 291 5 712 5 941 Pumparbeit [GWh] 7 607 8 619 7 792 8 121 Tabelle 2 Netto-Stromerzeugung nach Kraftwerkstyp und Netto-Pumparbeit für den Zeitraum 2009 bis 2012 in Deutschland [9]. BWK Bd. 66 (2014) Nr. 4 43

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