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Hybride Stadtspeicher

Intelligent, effizient und kostengünstig

von Dr. Christian Dötsch

Zukünftig wird neben der Stromnachfrage auch das Energieangebot deutlichen zeitlichen Schwankungen unterliegen. Dabei stellt sich die Frage, wie unter diesen Randbedingungen eine sichere, wirtschaftliche und ökologische Stromversorgung erzielt werden kann. Dr. Christian Dötsch verfolgt das Ziel, kostenoptimale, intelligente Speicherung der Energie in hybriden Stadtspeichern zu verwirklichen.

Durch den hohen Anteil fluktuierender Energien (Wind-, Solar energie) an der Stromversorgung werden große Kraftwerkskapazitäten erforderlich sein, die kurzfristig sehr dynamisch auftretende Versorgungslücken ausgleichen können und die Versorgung sicherstellen (Abb. 1). Damit werden sich nicht nur die Struktur der Stromversorgung, sondern auch die Einsatzplanung und die Bewertung der Wirtschaftlichkeit ändern. Eine weitere Anforderung an die Stromversorgung der Zukunft stellt die räumliche Distanz zwischen Energieangebot und -nachfrage dar. Während in der Vergangenheit große Kraftwerke in der Nähe von Ballungsge bieten Strom produzierten, stehen Windkraftanlagen, insbesondere Offshore-Anlagen, weit entfernt von Regionen mit großem Strombedarf. Die Herausforderung an das Energiesystem der Zukunft ist der permanente zeitlich-räumliche Ausgleich zwischen Energie angebot und -nachfrage. Die anstehende Umstrukturierung der Energieversorgung muss dabei den Kriterien Versorgungssicherheit, Wirtschaftlichkeit sowie Primärenergieverbrauch und CO2-Emissionen Rechnung tragen. Dabei können im Wesentlichen zwei Entwicklungspfade verfolgt werden:

- Ausbau der Erzeugungs- und Netzkapazitäten

- Energiespeicherung sowie intelligente Regelung von Verbrauchern und Erzeugern

Der Netzausbau ist vor allem für den räumlichen Ausgleich notwendig, der durch eine ganzjährige Differenz zwischen Erzeugung und Verbrauch vorliegt. Ein zeitliches Ungleichgewicht kann in einem gewissen Umfang auch durch Netzausbau, in vollem Umfang aber nur durch Energiespeicherung sowie durch intelligente Regelung von Verbrauchern und Erzeugern ausgeglichen werden. Vorteil der zweiten Lösung ist, dass diese unter Akzeptanzge sichtspunkten einfacher umzusetzen ist, da sie weniger in das Erscheinungsbild der Landschaft eingreift. Sie kann aber den Netzausbau nicht völlig ersetzen, da er für einen räumlichen Ausgleich notwendig bleibt.

Der hybride Stadtspeicher

Städte verfügen über ein enormes – indirektes – Potenzial zur Speicherung von Energie sowie zum direkten Ausgleich zwischen Energieangebot und -nachfrage im lokalen Netz. Ein Großteil der Technologien wird in naher Zukunft dezentral – zumeist in Gebäuden – eingesetzt. Hier setzt die Idee des hybriden Stadtspeichers an: Die lokalen, realen Speicher sowie das lokale Last- und Erzeugungsmanagement werden auf Stadt- oder Quartiersebene aggregiert und als hybrider, virtueller Speicher dem vorgelagerten Netzbetreiber zur Verfügung gestellt. Der hybride Stadtspeicher kann so flexibel und dynamisch zum Ausgleich zwischen Stromerzeugung und -nachfrage eingesetzt werden und erleichtert daher in Ergänzung zu den Ausgleichsmöglichkeiten der Kraftwerke die Integration fluktuierender, erneuerbarer Energien. Da der Lastausgleich bereits im lokalen Netz erfolgt, kann der erforderliche Ausbau der übergeordneten Kraftwerks- und Netzkapazitäten verringert werden.

Warum Hybridisierung?

Der Ausgleich zwischen Erzeugung und Verbrauch im Stromnetz erfordert – sofern die Kraftwerke dies nicht mehr alleine ausregeln können – die Möglichkeit, kurzfristig Strom zu- oder abzuführen. Diese positive bzw. negative Regelmöglichkeit ist jedoch weder in der Leistung noch bezogen auf die Energiemenge gleich, ganz im Gegenteil. Dies soll ein einfaches Beispiel erklären: Wenn aus einer fluktuierenden 5 MW-Windkraftanlage ein Stromband generiert werden soll, so ergibt sich – je nach Vollbenutzungsstunden – ein Band von ca. 1,5 MW. Wenn nun ein Speicher dies ausgleichen soll, so muss er bis zu 3,5 MW negative Speicherleistung bieten, jedoch nur 1,5 MW positive. In der Realität sind diese Abweichungen aufgrund der Vielzahl verschiedener Erzeuger weitaus komplexer. Zugleich werden aus energiewirtschaftlichen Überlegungen hocheffiziente, aber teure Speicher nur dann eingesetzt, wenn sie sehr häufig – möglichst mehrmals – täglich genutzt werden können. Bei selteneren Ereignissen (1-mal wöchentlich) können auch weniger effiziente, aber kostengünstige Speicher genutzt werden. Bei ganz seltenen Spitzen im Stromnetz hingen spielt die Effizienz eine untergeordnete Rolle, während hier die Investitionskosten für die Auswahl der Speichertechnologie ausschlaggebend sind. Der dritte Aspekt ist, dass verschiebbare Lasten (bspw. Wärmepumpen mit thermischen Speichern) bzw. verschiebbare Erzeuger (bspw. BHKW mit thermischen Speichern) kostengünstig als Speicher im Netz arbeiten können. Aus diesen techno-ökonomischen Randbedingungen ergibt sich, dass der wirtschaftlich günstigste Speicher die individuellen Vorteile der einzelnen Technologien optimal kombiniert und dem Netzbetreiber als hybrider Stadtspeicher zur Verfügung stellt.

Komponenten des hybriden Stadtspeichers

Durch die Kombination verschiedenartiger Speicher- und Lastausgleichsmöglichkeiten kann der hybride Stadtspeicher sowohl positive als auch negative Ausgleichsenergie zur Verfügung stellen. Folgende fünf Pfeiler des „grid balancing“ bilden die Basis des hybriden Stadtspeichers: Bei der Einsatzplanung der verschiedenen Stromspeicher- und –ausgleichsmöglichkeiten ist zu beachten, dass jede Technologie Vor- und Nachteile besitzt und damit nicht für alle Netzsituationen geeignet ist. Entsprechend muss die Auswahl der eingesetzten Technologie anhand der Anforderungen an die Speicherfunktionalität wie Speicherkapazität, positive/negative Speicherleistung, Investition oder Anzahl der Ladezyklen erfolgen, die sich aus der momentanen Netzlastsituation ergeben.