Woher kommt nachts oder bei Dunkelflaute der erneuerbare Strom?

Eine Frage, die wir bei Infoständen öfters gehört haben und die ich hier gerne beantworten:

Eines ist klar: beim Umstieg auf 100% erneuerbare Energien brauchen wir Speicher, um auch Nachts oder in der bei Skeptikern so oft thematisierten Dunkelflaute unseren Strombedarf decken zu können.

Aber nicht nur Speicher, sondern auch die Sektorenkopplung (Verbindung von Mobilitäts-, mit dem Strom- und dem Wärmesektor) und Flexibilisierung bei Verbrauchern und Erzeugern können wichtige Beiträge leisten.

Dies hier ist nur ein Anriss des Themengebiets, da hier sehr viele Möglichkeiten, Konzepte und Technologien eingesetzt werden können und müssen. Es gibt nicht die eine Technologie, die alles abdeckt, bzw. wäre es wohl unbezahlbar und unsinnig.

Fangen wir mal mit der Flexibilisierung an:

Das bedeutet z. B., dass Biogasanlagen, anders als heute meist üblich, nicht durchgehend Strom in das Netz einspeisen, sondern eben nur, dann wenn Wind und Sonne nicht ausreichen. Hierfür muss es aber entsprechende Regeln am Strommarkt und passende Vergütungen geben. Somit kann Biogas dann genutzt werden, wenn es dringend gebraucht wird und nicht als Grundlaststrom wie heute oftmal. Soweit das Beispiel zur Erzeugung.

Beim Verbrauch geht auch einiges: sei es im großen bei Kühlhäusern, die Mittags – wenn viel Solarstrom da ist – stärker herunter kühlen und Nachts dafür die Temperatur etwas steigen lassen.

In der Industrie und Gewerbe geht noch viel mehr, wie man hier im Flyer der dena gut sehen kann.

https://www.dena.de/fileadmin/dena/Dokumente/Pdf/9097_Flyer_Lastmanagement_in_der_Industrie.pdf

Auch Wärmepumpen kann man regeln und sie nicht dann anspringen lassen, wenn wir gerade einen Engpass an erneuerbarem Strom haben. Da sie normalerweise an Flächenheizungen angeschlossen sind, wird es dem Hausbewohner kaum auffallen, wenn sie erst etwas später anläuft.

Soweit die Beispiele für die Verbrauchsseite.

Auch variable Stromtarife wie Awattar können dazu beitragen, dass Verbraucher, zeitlich flexibel laufen können (Waschmischen, Spülmaschine,…), nur dann angehen, wenn der Strom günstig ist. Das gilt auch für das Laden von batteriebetriebenen Elektro-Autos. Sie müssen in der Regel, nicht täglich geladen werden. Hier könnte z. B. über ein günstigeren bzw. teureren Preis Anreize gesetzt werden, um eben nicht dann zu laden, wenn zu wenig erneuerbarer Strom vorhanden ist. https://www.awattar.de 

Dann muss man natürlich Speicher zubauen.

Hier gibt es eben nicht nur die Lithium-Ionen-Akkus, an die alle zuerst denken, sondern es gibt verschiedenen Batterietechnologien und auch Speicher, die rein physikalisch funktionieren z. B. Druckluft-Speicher, Flüssigluft-Speicher oder thermische Speicher (zu denen ich erst im übernächsten Abschnitt komme).

1. Lithium-Ionen-Speicher:

Sie haben eine hohe Energiedichte und können schnell Be- und Entladen werden. Jedoch sind sie recht teuer und verbrauchen wertvolle Rohstoffe. Es können aber (nach und nach immer mehr anfallend) Akkus aus alten E-Automobilen verwendet werden, die zwar nicht mehr die Leistung für schnelle Beschleunigung im Auto bringen, aber noch Jahre als stationärer Speicher dienen können („Second-Life-Anwendung“; im übrigen eine Strategie, die auch VW verfolgt)

https://www.mobilityhouse.com/de_de/magazin/unternehmen/second-life-speicherprojekte.html

https://www.pv-magazine.de/2021/03/12/elektroauto-boom-2020-neuzulassungen-mit-9-gigawattstunden-batteriekapazitaet/

https://www.pv-magazine.de/2021/05/07/wann-und-wie-nutzen-wir-die-gigawattstunden-in-elektroautobatterien/

2. Natrium-Ionen-Batterie

Vor kurzem hat CATL, der zweitgrößte Batteriehersteller weltweit, Natrium-Ionen-Batterien für 2023 angekündigt. Diese sind günstiger und verbrauchen deutlich weniger kritische Rohstoffe als Lithium-Ionen-Akkus. Gerade für einen großflächigen Einsatz im Stromnetz ist dies fast eine perfekte Eignung. Auch tiefe und hohe Temperaturen gegenüber ist dieser Akku-Typ deutlich unempfindlicher:

https://www.electrive.net/2021/07/29/catl-will-natrium-ionen-batterie-bis-2023-bringen/ 

3. (organische) Redox-Flow-Batterien:

Sie können eine viel größere Menge an Energie speichern, die Menge ist nur von der Menge an Lösung (Elektrolyt) begrenzt. Jedoch können diese Speicher nicht so schnell be- und entladen werden. Dies macht sie aber sehr gut geeignet, um in einer „Dunkelflaute“ als Grundlast zu dienen. Hier gibt es auch Ansätze die auf organische Lösungen zu setzen, so wie bei CMBlu AG aus Alzenau. („Lignin-Batterie“)

https://www.umsicht.fraunhofer.de/de/presse-medien/interviews/redox-flow.html

https://www.cmblu.com/de/home/

4. Flüssigluft-Speicher:

Sie können befüllt werden (Luft wird verflüssigt), wenn viel erneuerbarer Strom vorhanden ist und über Wochen so gespeichert werden. Wenn dann Strom gebraucht wird, wird die Luft wieder zu Gas werden lassen und kann hierbei eine Turbine antreiben. Dieser Speichertyp hat eine lange Lebensdauer von über 40 Jahren.

https://www.pv-magazine.de/2019/10/22/highview-power-baut-50-megawatt-fluessigluftspeicher-in-grossbritannien/

Die verschiedenen Speichertechnologien haben jeweils spezifische Vor- und Nachteile. Es wird also nicht eine Art von Speichern zum Zuge kommen, sondern ein Mix aus verschiedenen Speichern.

Ein weiterer sehr wichtiger Bereich ist die Sektorenkopplung.

Fangen wir mal mit Mobilitäts- und Stromsektor an: Im Jahre 2020 wurden 9 GWh-Stromspeicher in Form von E-Autoakkus in Deutschland ausgeliefert. Zum Vergleich: alle bisher in Deutschland installieren Heimspeicher und Großspeicher haben weniger als 5 GWh Speicherkapazität. Das wird zwar in Zukunft mehr, zeigt jedoch, wie riesig die Kapazitäten der E-Autos jetzt schon sind.
Wie kann man dies nun nutzen? Es müssen bidirektionale Ladestationen aufgebaut werden, damit sowohl Strom eingespeichert als auch entnommen werden kann. Man könnte beispielsweise dem System vorgeben, es darf den Auto-Akku bis zu 40 % leeren, weil es dem Fahrzeugnutzer so reicht für die normale Mobilität. Dann könnten die restlichen 60 % verbraucht werden und man bekäme dafür natürlich auch Geld vom Netzbetreiber: Die eigene Auto-Batterie wird als Speicher für das Stromnetz verwendet.

Ab 2022 wird sowohl VW, als auch Renault bidirektionale Lademöglichkeiten anbieten, Sono-Motors ab 2023 und Fahrzeuge mit CHAdeMO-Stecker können es heute schon.

https://www.electrive.net/2021/09/02/sono-motors-kreiert-bidirektionale-ac-wallbox/

https://www.electrive.net/2021/09/06/vorhang-auf-fuer-den-vollelektrischen-renault-megane/

https://www.electrive.net/2021/03/15/power-day-volkswagen-plant-einheits-batteriezelle-ab-2023/

https://www.electrive.net/2021/08/02/edf-v2g-ladedienst-fuer-britische-nissan-flottenkunden/

https://www.automobil-produktion.de/technik-produktion/forschung-entwicklung/v2g-technik-nissan-leaf-als-kraftwerk-vorqualifiziert-102.html

Da die wenigsten Kunden jeden Tag ihre Batterie leer fahren, ergeben sich hier gute Möglichkeiten der Speicherung. Für was wir Grünen aber noch sorgen müssen, ist die passende gesetzliche Regelung: hier hinkt Deutschland dem technisch machbaren mal wieder hinterher.

Auch beim Wärme- und dem Stromsektor ergeben sich Möglichkeiten der Kopplung/Speicherung.

Solarthermie bringt auch an sehr kalten aber sonnigen Wintertagen gute Erträge und senkt somit den Spitzenstrombedarf. Auch kann das warme Wasser dann, je nach Warmwasserspeicher und Bedarf des Haushalts, für ein bis mehrere Tage gespeichert werden.

Ich frage mich immer, warum die CSU stets betont „Bayern sei Sonnenland“ und dann die Solarthermie nicht intensiv fördert, so wie es bei unserem Nachbarn Österreich geschieht? Das ist verschenktes Potenzial bei der Energiewende und wirtschaftlich schlecht für uns Bürger.

Es gibt auch PVT-Module, z. B. von PA-ID aus Kleinostheim, die sowohl Solarthermie als auch Photovoltaik in einem Modul vereinen. Solche Module können als Quellenergie für Wärmepumpen genommen werden, der Solarthermie-Teil, und gleichzeitig Strom herstellen. Auch dieser kann ja wieder in einem Heimspeicher oder wie oben geschrieben in einem E-Auto zwischengespeichert werden. So geht das im Kleinen: https://2power.de/

Im Großen bieten sich Saisonal-Speicher an, die Wärme aus dem Sommer in den Winter bringt. https://www.ikz.de/detail/news/detail/saisonale-waermespeicher/ 

Zum einen kann erneuerbare Energie im Sommer direkt als Warmwasser oder als Wärme in Gesteinsschichten/Aquiferen gespeichert werden und im Winter dann verwendet werden. Dies verringert den Wärmebedarf, wenn mehr Wärme, zukünftig oft in Form von Strom, benötigt wird.

Aber auch wenn das im Sommer erhitzte Wasser als Quellenergie für Wärmepumpen eingesetzt wird, können diese dann deutlich effizienter Wärmeenergie aus einer kWh-Strom herstellen, als es bei kalten Außentemperaturen bei Luftwärmepumpen der Fall ist. Dies kommt daher, dass die Wärmepumpen in ihrem optimalen Temperaturbereich laufen können und hierdurch die Arbeitszahl (eigentlich der COP) steigt. https://www.haustec.de/heizung/waermeerzeugung/was-jaz-und-cop-bedeuten-und-was-sie-dem-fachmann-sagen 

Speicherung von Strom als Wärme

Dies geht in Steinspeichern https://www.hamburgenergie.de/ueber-uns/magazin/der-groesste-stromwaermespeicher-der-welt/  oder in Salzschmelzen wie bei TESIS https://www.erneuerbareenergien.de/energiewende-20/speicher/rheinisches-revier-genial-aus-kohlekraftwerken-werden-waermespeicher 

Bei TESIS ist besonders Interessant, dass auch alte (Kohle-)Kraftwerksstandorte mitgenutzt werden sollen, um die Infrastruktur, wie Turbine und Netzanbindung zu nutzen.

Man kann aber auch einfach wieder Wasser per Strom erhitzen und in gedämmten Tanks speichern. Das wird schon heute bei Stromüberschüssen genutzt. 
https://www.stadtwerke-muenster.de/blog/energie/ein-tauchsieder-im-hafen-fuer-die-energiewende/ 

Nutzung von Abwärme in der Nah/Fernwärme

Auch die Abwärme aus der Industrie oder auch Rechenzentren kann genutzt werden. Diese Wärmequellen können, je nach Art und Menge, entweder direkt in ein Nah-/Fernwärmenetz eingespeist werden oder aber wieder dazu genommen werden, um Wärmepumpen einen bessere Arbeitszahl zu ermöglichen und so den Strombedarf zu senken.

Aktuell wird z. B. in Hanau ein Rechenzentrum gebaut, dessen Energiebedarf 180 MWh sein soll und die entstehende Abwärme dann in die Fernwärmeversorgung geht. Zu Beginn werden 80% erneuerbare Energie hierfür verwendet, nach fünf Jahren 100%.

In Frankfurt gibt es auch ein Projekt https://www.hessenschau.de/wirtschaft/frankfurt-abwaerme-von-rechenzentrum-soll-1300-wohnungen-heizen,heizung-rechenzentrum-100.html 

Und zu guter letzt werden wir einige Biogas/Wasserstoff/synthetisches Methan-Kraftwerke benötigen. Aber eben nicht, wie manche Skeptiker behaupten, 1:1 zu unserem Spitzenverbrauch.

Da dies meist im Winter der Fall sein wird, kann die Abwärme dieser Kraftwerke, die bei der Verstromung entsteht, dann wiederum in Nah/Fernwärme-Systeme eingespeist werden und geht nicht verloren.

Um ehrlich zu sein, in der Übergangszeit, bis unser Energiesystem vollständig umgebaut ist, wird es STUNDENWEISE vorkommen, dass wir Atom- oder Kohlestrom aus dem Ausland beziehen müssen. Darüber bin ich nicht glücklich, aber es ist kein Argument dafür, so weiter zu machen wie bisher. Zum einen ist das jetzt schon der Fall, dass wir Kohle- oder Atomstrom aus dem Ausland beziehen (im Saldo verkaufen wir aber deutlich mehr Strom an diese Länder) und immer noch besser als DURCHGEHEND Kohlekraftwerke hier in Deutschland laufen zu lassen, für kurze Zeiten der Nutzung.

Wichtig bei all dem ist, dass man ein klares und dem Pariser Klimaschutzabkommen kompatibles Ziel aufstellt. Und sich dann an ein Gesamtkonzept macht und nicht nur gute Einzelprojekte realisiert, wie die jetzige Bundesregierung. Auch muss der Regelungsrahmen angepasst werden. Daran arbeiten wir Grünen schon lange und sind bereit hierfür Verantwortung zu übernehmen. Jetzt müssen sie uns nur noch wählen 😉