Stromspeicherung

Einleitung

Solarstrom könnte theoretisch den weltweiten Elektrizitätsbedarf decken. Eine wichtige Einschränkung besteht aber darin, dass das Angebot der Solarenergie von Witterung und Tageszeit abhängt. Erzeugung und Verbrauch des Stroms sind somit nicht immer deckungsgleich. Es besteht der Bedarf, die Überschüsse zu Zeiten geringen Verbrauchs zu speichern und zu Zeiten hoher Stromnachfrage wieder in das Stromnetz einzuspeisen. Netzregelung bedeutet, dass im Stromnetz zu jeder Zeit Erzeugung und Verbrauch gleich gross sein müssen. Da das Netz selber keinen Strom speichern kann. Strom an sich lässt sich leider nicht in grossem Massstab speichern. Er muss zur Speicherung in eine andere Energieform umgewandelt werden. Dazu gibt es mehrere Möglichkeiten. Die älteste Methode, die des Pumpspeicherkraftwerkes, ist bis heute die beste Möglichkeit der Stromspeicherung. Volkswirtschaftlich relevante Strommengen sind nach heutigem Stand der Technik nur in Pumpspeichern, Druckluftspeichern und Wasserstoffanlagen speicherbar.

Pumpspeicherkraftwerk

Ein Pumpspeicherkraftwerk ist eine besondere Form eines Speicherkraftwerkes. Es dient der Speicherung von elektrischer Energie durch Umwandlung in potentielle Energie von Wasser. Zu Zeiten, in denen ein Überschuss an elektrischer Energie vorhanden ist, wird Wasser über Pumpen durch Rohrleitungen in ein hochgelegenes Speicherbecken gepumpt. Die Höhe der Speicherkapazität ist abhängig von der speicherbaren Wassermenge und dem nutzbaren Höhenunterschied zwischen Oberbecken und der Turbine. Pumpspeicherwerke können  4 bis 8 Stunden unter Volllast Strom produzieren. Bei Strombedarf arbeitet der Motorgenerator als Generator und liefert, von der Turbine angetrieben, elektrischen Strom. Das Wasser fließt dabei vom Ober- ins Unterbecken und liefert die Antriebsleistung. Bei Überschuss an elektrischer Leistung im Stromnetz arbeitet der Motorgenerator als Elektromotor. Dieser treibt die Pumpe an, welche das Wasser wieder in das Oberbecken pumpt.

Druckluftspeicherkraftwerk

Ein Druckluftspeicherkraftwerk ist ein Gasturbinenkraftwerk, das Spitzenlastenergie für kurzzeitig auftretende hohe Leistungsnachfrage im Stromnetz, bereitstellt. Das Druckluftspeicherkraftwerk, Gasturbinenkraftwerk wird mit Erdölprodukten oder mit brennbaren Gasen wie Erdgas betrieben. Diese Gase sind der Brennstoff für eine Gasturbine, die ihrerseits einen angekuppelten Generator antreibt. Das Druckluftspeicherkraftwerk nutzt Energie, die in komprimierter Luft steckt. In Schwachlastzeiten wird mit einem elektrisch angetriebenen Verdichter Druckluft in einer unterirdischen Kaverne gespeichert. In Zeiten einer hohen Energienachfrage bei Spitzenlast wird die Druckluft in eine Gasturbine geleitet, die wegen des fehlenden Verdichters ihre volle Leistung an den angekuppelten Generator abgeben kann. Da bei Expansion der Luft wieder Wärme zugeführt werden muss, um eine Vereisung der Turbinen zu vermeiden, wird immer eine Kombination aus Druckluftspeicher und Gasturbinenkraftwerk verwendet. Gaskraftwerke zeichnen sich durch relativ niedrige Investitionen aus. Sie haben aber durch ihren geringen Wirkungsgrad vergleichsweise hohe Betriebskosten. Auch haben diese einen deutlich geringerer Wirkungsgrad als Pumpspeicherkraftwerke.

Wasserstoffanlagen

Wasserstoffanlagen, bedeutet elektrolytische Wasserstoffgewinnung mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen. Das derzeit gängigste grosstechnische Verfahren der Wasserstoffgewinnung ist die Elektrolyse von Wasser. Bei der Wasserelektrolyse werden Kathoden- und Anodenraum durch ein ionendurchlässiges Diaphragma getrennt. In dem alkalisch, wässrigen Elektrolyten entsteht an der Anode Sauerstoff und an der Kathode Wasserstoff. Das Diaphragma verhindert ein Vermischen.

Bei Optimierung in grosstechnischen Elektrolyse-Anlagen kann ein Wirkungsgrad zwischen 60 % und 80 % erreicht werden. Aufgrund des hohen Energiebedarfs des Elektrolyseverfahrens wäre jedoch nur dann eine unter Umweltaspekten betrachtet nachhaltige Möglichkeit der Wasserstoffbereitstellung zu sehen, wenn die dafür benötigte Energie durch regenerativ erzeugten Strom aus Wasser-, Solar-, oder Windkraftwerken gedeckt würde.

Für grosse Mengen sind derzeit Flüssiggasspeicher in Verwendung. Für kleine Mengen werden zunehmend Metallhydridspeicher eingesetzt. Der mittlere Nutzungsbereich für PKW und Gebäudetechnik ist derzeit technisch und wirtschaftlich noch problematisch.

Netzstabilität bei Produktionsengpässen

Die Solarenergiegewinnung erreicht am Mittag ihren Peak. Das heisst durch die direkte Sonneneinstrahlung wird um die Mittagszeit am meisten Strom produziert. Da von den Konsumenten am Mittag ebenfalls am meisten Strom nachgefragt wird, kann der Bedarf mit Solarstrom gedeckt werden. Heute wird dieser zusätzliche Strombedarf am Mittag mit Strom aus Wasserkraftwerken abgedeckt. Dies, da Atomkraftwerke zu jeder Tageszeit gleich viel Strom produzieren und somit einen zusätzlich anfallenden Bedarf nicht abdecken können.

In den Wintermonaten Januar und Februar besteht, in der Regel, ein Srommangel in der Schweiz. Das Wasser für die Stauseen ist dann als Schnee gebunden. In dieser Jahreszeit ist der Einsatz von Gaskraftwerken sinvoll. Eine CO₂-Kompensation könnte über Solarkraftwerke stattfinden.