Energiebevorratung

als unverzichtbarer und gleichzeitig bisher vernachlässigter Bestandteil der Energiewende

Übersicht

• Die Bedeutung der Zeitebenen in der Energieversorgung
• Energiebevorratung und Energiewälzung: Lösungen für unterschiedliche Zeitebenen
• Fortschritte in der Batterieentwicklung und die Herausforderungen der Dimensionen
• Globale Herausforderung

Die Bedeutung der Zeitebenen in der Energieversorgung

Die Echtzeit-Ebene: Netzschutz und Stabilität

In der Echtzeit-Ebene, die sich auf Vorgänge im Millisekunden- bis Sekundenbereich konzentriert, liegt der Fokus auf dem Netzschutz und der Netzstabilität:

• Netzschutz: Der Schutz von Menschen und Geräten hat oberste Priorität. Automatische wirkende Schutzsysteme müssen gefährliche Zustände blitzschnell erkennen und darauf möglichst selektiv reagieren können. Dafür ist eine ausreichende Kurzschlussleistung notwendig, damit Fehlerstellen schnell isoliert werden können.
• Netzstabilität: Im Stromnetz muss jederzeit ein dynamisches Gleichgewicht zwischen zugeführter und entnommener Energie sichergestellt sein. Die Frequenz des Wechselstroms (50 Hz) dient dabei als Indikator für das Leistungsgleichgewicht. Abweichungen müssen durch die Momentanreserve sowie Primär- und Sekundärregelung ausgeglichen werden.

Die Nutzungszeitebene: Effizienz und Bevorratung

In der Nutzungszeitebene geht es um den alltäglichen Gebrauch des Energiesystems. Hier spielen Aspekte wie die effiziente Energienutzung, Energiebevorratung und Speicherbewirtschaftung eine zentrale Rolle. Um Schwankungen auszugleichen, sind Speicherlösungen unverzichtbar, die sowohl kurzfristige als auch saisonale Anforderungen abdecken können.

Die Vorsorgezeitebene: Langfristige Planung

Langfristige Investitionen in Infrastruktur wie Energienetze, Einrichtungen für Energiewandlungen (besonders auch Speichertechnologien) und Recyclingprozesse sind essenziell für eine nachhaltige Energieversorgung. 

Ganzheitliches Denken als Schlüssel

Eine zentrale Herausforderung besteht darin, das Energiesystem als Ganzes zu betrachten. Zentralen sollte nicht zentralistisch steuern, sondern Informationen aus dezentralen Einheiten sammeln, um eine Gesamtsicht zu erzeugen. Diese Gesamtsicht ermöglicht es den dezentralen Einheiten wiederum, gemeinschaftsdienlich zu handeln. Nur durch ein solches vernetztes Denken kann die Versorgungssicherheit auch bei steigender Komplexität gewährleistet werden. Die Energiewende erfordert daher nicht nur technologische Lösungen, sondern auch einen Paradigmenwechsel hin zu einem ganzheitlichen Ansatz, der alle Zeitebenen berücksichtigt – von der Echtzeitebene bis zur langfristigen Planung.

Energiebevorratung und Energiewälzung: Lösungen für unterschiedliche Zeitebenen

Jede dieser Zeitebenen stellt spezifische Anforderungen an die Energiebevorratung und Energiewälzung. Im Folgenden werden die wichtigsten Zeitbereiche und die dazugehörigen Lösungsmöglichkeiten dargestellt.

Echtzeit-Ebene (Millisekunden bis Sekunden)

Diese Ebene umfasst die unmittelbare Stabilität des Stromnetzes, einschließlich Netzschutz und Frequenzregelung.

Anforderungen:

• Sofortige Reaktion auf Störungen und Schwankungen im Netz.
• Sicherstellung der Netzfrequenz (50 Hz in Europa) und Schutz vor Überlastungen.

Lösungen:

• Automatisierte Netzschutzsysteme: Digitale Schutzgeräte erkennen Fehler wie Kurzschlüsse und isolieren betroffene Netzsegmente selektiv.
• Momentanreserve: Synchrongeneratoren in konventionellen Kraftwerken speichern mechanische Energie, die bei plötzlichem Bedarf sofort ins Netz eingespeist wird.
• Schwungmassenspeicher: Diese mechanischen Speicher stabilisieren das Netz durch ihre Fähigkeit, kinetische Energie schnell bereitzustellen und aufzunehmen.
• Batteriespeicher: Hochleistungsbatterien können zusammen mit Wechselrichtern innerhalb von Sekunden reagieren und eignen sich besonders für die Primärregelung.

Nutzungszeitebene (Minuten bis Tage)

Diese Ebene betrifft den täglichen Betrieb des Energiesystems, einschließlich des Ausgleichs zwischen Energiebereitstellung und Energienutzung.

Anforderungen:

• Pufferung von Überschüssen aus erneuerbaren Energien (z. B. Solarstrom tagsüber) für den späteren Gebrauch.
• Effiziente Nutzung der Energie innerhalb eines Tages oder einer Woche.

Lösungen:

• Tageswälzung mit Batteriespeichern: Batteriespeicher sind ideal für die Speicherung von Solarstrom am Tag, der nachts genutzt werden kann.
• Pumpspeicherkraftwerke: Diese bewährte Technologie pumpt Wasser in höher gelegene Becken, wenn überschüssiger Strom vorhanden ist, und erzeugt bei Bedarf Strom durch Turbinen.
• Power-to-Heat-Systeme: Überschüssiger Strom wird in Wärme umgewandelt und in thermischen Speichern bevorratet.
• Sand-/Salzspeicher: Diese thermischen Speicher nutzen überschüssige Energie, um Sand oder Salz auf hohe Temperaturen zu erhitzen. Die gespeicherte Wärme kann später für Heizprozesse oder zur Stromerzeugung verwendet werden.
• Energiemanagement: Optimierung der Energieflüsse zwischen Erzeugern, Speichern und Verbrauchern. 

• Jahreswälzung mit Pumpspeicherkraftwerken: Große Speicher können Wasser aus der Schneeschmelze im Frühjahr nutzen und über den Winter hinweg Strom erzeugen. Diese Möglichkeit ist jedoch auf Länder mit entsprechenden geographischen Möglichkeiten beschränkt.
• Power-to-Gas-Technologien: Überschüssiger Strom wird in Wasserstoff oder Methan umgewandelt, das langfristig gespeichert und bei Bedarf rückverstromt werden kann. Bisher gibt es jedoch nur Pilotanlagen, und die Umwandlungsverluste sind enorm.
• Thermische Speicher: Erdbeckenspeicher oder Latentwärmespeicher speichern Wärmeenergie für mehrere Monate. Diese Energie kann aber nicht rückverstromt werden.

Energiewälzung als Schlüssel zur Flexibilität

Energiewälzung beschreibt den zeitlichen oder räumlichen Ausgleich von Energieüberschüssen:

1. Zeitliches Wälzen: Überschüssige Energie wird gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt genutzt (z. B. Tageswälzung mit Batterien oder Wochenwälzung mit Pumpspeichern).
2. Räumliches Wälzen: Energie wird regional verschoben, z. B. von windreichen Gebieten im Norden zu verbrauchsstarken Regionen im Süden Deutschlands. Diese Wälzung erfordert einen umfangreichen Infrastrukturausbau und reduziert die Robustheit des Gesamtsystems. 
3. Sektorales Wälzen: Überschüsse aus dem Stromsektor werden in andere Sektoren wie Wärme oder Mobilität übertragen (Sektorenkopplung).

Die Energiewende erfordert maßgeschneiderte Lösungen für jede Zeitebene der Energieversorgung. Während Batteriespeicher schnelle Reaktionen ermöglichen, sind Pumpspeicherkraftwerke und Power-to-Gas-Technologien entscheidend für langfristige Herausforderungen. Nur durch ein ganzheitliches Energiemanagement, das alle Zeitbereiche integriert, kann eine stabile, nachhaltige und resiliente Energieversorgung gewährleistet werden.

Quelle: Bericht Wasserkraft als Energiespeicher

Fortschritte in der Batterieentwicklung und die Herausforderungen der Dimensionen

• 40 GWh Pumpspeicherkapazität (bewährte Technologie mit begrenztem Ausbaupotenzial),
• 18 GWh Batteriespeicherkapazität (bis Ende 2024), großteils jedoch Heimspeicher, mit ihren eigenen Problemen,
• 150 GWh theoretische Speicherkapazität aus 2 Millionen Elektrofahrzeugen, die jedoch für das Stromnetz nicht verfügbar sind.

Obwohl diese Zahlen vielversprechend erscheinen, handelt es sich größtenteils um theoretische Werte. Elektrofahrzeuge beispielsweise stehen, sollte das bidirektionale Laden auch umgesetzt werden, nur eingeschränkt zur Verfügung, da sie primär für die Mobilität genutzt werden. Auch beeindruckende Meldungen wie die Anfrage von 161 GW Batterieanschlussleistung bei deutschen Übertragungsnetzbetreibern im Jahr 2024 zeigen zwar das Potenzial, aber zwischen einer Anfrage und der tatsächlichen Umsetzung liegt oft ein weiter Weg voller Herausforderungen. Eine kurz- bis mittelfristige Umsetzung ist schon aus wirtschaftlichen Gründen nicht zu erwarten, da auch hier ein rascher Kannibalisierungseffekt, ähnlich wie beim PV-Strom, zu erwarten ist.

Warum jede kWh zählt

Trotz aller Hürden ist es essenziell, jede verfügbare Kilowattstunde an Speicherkapazität auszubauen. Denn jede zusätzliche Speichermöglichkeit trägt dazu bei, die Lücke zwischen Erzeugung und Verbrauch zu verringern. Allerdings reicht der reine Ausbau von Speichern nicht aus – entscheidend ist ein systemisches Energiemanagement, das sicherstellt, dass diese Speicher auch netzdienlich genutzt werden können. Nur so kann eine optimale Wirkung im Gesamtsystem erzielt werden. Und es braucht dezentrale Funktionseinheiten mit einem sektorübergreifenden Energiemanagement („Energiezellensystem“). Anders wird die zunehmende Komplexität nicht beherrschbar bleiben, es sei denn, wir hebeln die Naturgesetze und Erkenntnisse der Evolution aus.

Die ultimative Herausforderung: Der Worst-Case

Die größte Herausforderung bleibt dennoch der sogenannte Worst-Case: Szenarien, in denen über einen längeren Zeitraum kaum Wind- oder Solarstrom produziert wird – beispielsweise während einer mehrtägigen Dunkelflaute. In solchen Fällen stellt sich die kritische Frage: Wie können Speicher nachgeladen werden, wenn keine oder kaum wetterabhängige Energiequellen zur Verfügung stehen? Hier zeigt sich, dass kurzfristige Lösungen allein nicht ausreichen.

Die Fortschritte in der Speichertechnologie sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Energiewende. Doch um den enormen Herausforderungen gerecht zu werden, braucht es mehr als nur technische Innovationen – es bedarf eines ganzheitlichen Ansatzes. Neben dem Ausbau von Speicherkapazitäten muss ein intelligentes Energiemanagement entwickelt werden, das alle Ressourcen optimal integriert und Worst-Case-Szenarien berücksichtigt. Nur durch ein Zusammenspiel von Technologie, Planung und Kooperation kann eine stabile und nachhaltige Energieversorgung gewährleistet werden. 

Der derzeit vor allem in Deutschland eingeschlagene Weg, den zweiten Schritt vor dem ersten zu tun, also bestehende und funktionierende Kraftwerke abzuschalten und zurückzubauen, bevor Ersatzlösungen zur Verfügung stehen, ist fahrlässig und gefährlich. Denn wir werden auf absehbare Zeit ein voll funktionsfähiges Backup-System brauchen, auch wenn es vielleicht nur wenige Stunden im Jahr oder gar nur alle paar Jahre benötigt wird. Denn Strom, der nicht zur Verfügung steht, ist durch nichts zu ersetzen.

Globale Herausforderung

• Unterschätzte Blackout-Risiken: Die technischen und systemischen Änderungen werden oft unterschätzt, was das Risiko von großflächigen Stromausfällen (Blackouts) erhöht.
• Notwendigkeit eines ganzheitlichen Ansatzes: Die Energiewende erfordert einen integrativen Ansatz, der physikalische, technische, wirtschaftliche und gesellschaftliche Aspekte berücksichtigt.

Technologische und systemische Problemstellungen

1. Fehlende Rotationsenergie 

• Große Synchrongeneratoren bieten durch ihre physikalische Trägheit Stabilität im Netz. Diese Fähigkeit fehlt jedoch bei erneuerbaren Energien wie Wind- und Solarenergie, die über Wechselrichter betrieben werden. Zwar kann „synthetische Trägheit“ emuliert werden, dies ist jedoch mit Leistungseinbußen verbunden.
• Batteriespeicher können zwar schnell auf Frequenzschwankungen reagieren, bieten jedoch keine Schwarzstartfähigkeit, die für den Wiederaufbau des Netzes nach einem Blackout essenziell ist.

2. Kaskadenausfälle und Netzinstabilität

• Stromnetze sind anfällig für Kaskadenausfälle, bei denen der Ausfall einer Komponente zu einer Überlastung anderer führt. Dies kann sich schnell zu einem vollständigen Systemausfall ausweiten.
• Konventionelle Generatoren mit hoher Trägheit sind besser in der Lage, solche Störungen abzufangen als nicht-synchrone erneuerbare Energiequellen.

3. Speicherkapazitäten und Überbauung

• Um eine vollständig erneuerbare Stromversorgung zu gewährleisten, wären Speicherkapazitäten von 2 bis 7 Wochen sowie ein massiver Ausbau von Wind- und Solaranlagen erforderlich. Derzeit decken Speicherlösungen wie Pumpspeicherkraftwerke nur einen Bruchteil des Bedarfs ab.
• Überschüssige Energie aus Wind und Sonne muss häufig abgeregelt werden, was zu Ineffizienzen führt.

Wirtschaftliche und gesellschaftliche Herausforderungen

1. Kosten der Energiespeicherung

• Die Umstellung auf eine „Wasserstoffwirtschaft“ oder andere Speicherlösungen wird deutlich teurer sein als das derzeitige fossile Energiesystem. Dies erfordert eine Neubewertung von Effizienz und Resilienz in Wirtschaftssystemen.
• Märkte allein können oft keine ausreichenden Anreize für Investitionen in großflächige Speicherlösungen schaffen.

2. Versorgungssicherheit

• Wetterabhängige, erneuerbare Energien benötigen zusätzliche Backup-Systeme oder Speicherlösungen, um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten. Dies erhöht die Komplexität des Netzmanagements erheblich.
• Planbare Erzeugung (z.B. durch fossile oder nukleare Kraftwerke) bleibt essenziell, um Schwankungen auszugleichen.

Lösungsansätze und Perspektiven

1. Systemische Resilienz stärken: Der Übergang zu erneuerbaren Energien erfordert robuste Netze mit ausreichender Redundanz und Flexibilität.
2. Integration von Speichern: Technologien wie Pumpspeicherkraftwerke oder Batteriesysteme müssen massiv ausgebaut werden, um Schwankungen auszugleichen.
3. Ganzheitliche Planung: Politische Entscheidungsträger müssen physikalische Realitäten stärker berücksichtigen und langfristige Strategien entwickeln.
4. Kultureller Wandel: Eine Reduktion des Energieverbrauchs auf gesellschaftlicher Ebene ist unverzichtbar.