Für die allseits angestrebte und „beschlossene Sache“ der Energiewende mit dem „Energieziel 2050: 100 Prozent Strom aus erneuerbaren Quellen“ ist die Speicherung der erneuerbaren Energien wahrscheinlich DIE elementare Herausforderung.
Hierzu adäquate Lösungen zu finden – oder ggfs. eben nicht -, wird m. E. über Art und Umfang des weiteren Einsatzes regenerativer Energien entscheiden.

So dachte ich, bevor ich anfing, mich etwas intensiver mit der Materie zu beschäftigen.

Inzwischen sehe ich ein mindestens gleichwertiges Problem jedoch schon im ersten Schritt: der Stromerzeugung selbst!

Folgend möchte ich kurz darstellen, mit was für Größenordnungen der Herausforderung erneuerbare Energien wir es zu tun bekommen bzw. schon zu tun haben.

Datengrundlage für Stromerzeugung und Stromverbrauch

An dieser Stelle will ich zunächst auf die Seite agora-energiewende.de und insbesondere auf den dort zur Verfügung gestellten „Agorameter“ verweisen.

Hier können Sie die Entwicklungen der Stromerzeugung aus regenerativen Energien (aufgeschlüsselt nach Solarenergie, Windkraft, Laufwasserkraft und Bioenergie), der Stromerzeugung konventioneller Kraftwerke sowie des Stromverbrauchs verfolgen.

U. a. die Angaben bzw. der Graph des Agorameters werden als Datengrundlage für die weiteren Ausführungen verwendet. Ich empfehle, sich das Ding intensiv anzuschauen und ein bisschen damit herumzuspielen; wirklich interessant!
 

Problem: Stromerzeugung aus Sonne und Wind

Die Bereitstellung von Strom aus erneuerbaren Energien – insbesonder aus Sonne und Wind – ist eine höchst volatile Sache. Zur Veranschaulichung ist nachstehend, mit Stichtag heute (25.04.18), die entsprechende Stromerzeugung der letzten 31 Tage dargestellt.

Das diese enormen, nicht steuerbaren Schwankungen kein spezifisch deutsches oder den ausgewählten Zeitraum betreffendes Problem darstellen, zeigt die nächste Graphik zur europäischen Windstromproduktion (18 Länder, einschließlich BRD) im Vergleich zur deutschen Windstromproduktion:

Eine „europäisch bedingte Glättung“ des „Sägezahnverlaufs“ ist nicht zu erkennen. Vielmehr korreliert die deutsche Windstromproduktion sehr stark mit der gesamteuropäischen. Die Stichhaltigkeit des Arguments „irgendwo weht immer Wind, das gleicht sich länderübergreifend aus“ zur verbalen Entkräftung der enormen Schwankungen mit regelmäßig auftretenden, stark ausgeprägten Spitzen und Tälern ist somit nicht haltbar (siehe ergänzend auch Wind Blowing Nowhere).

Was ist daran so schlimm?

Es geht um Sekunden; im wörtlichen Sinn! Erläuterungen hierzu findet ihr in nachstehendem Beitrag:

Die technischen Grenzen der volatilen Stromerzeugung

Vorsorgliche Anmerkung in eigener Sache: Ich bin ein entschiedener Gegner von Kernenergie!

Weitere Probleme:

Nebenstehende Graphik zeigt die kumulierte Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien sowie den Stromverbrauch für 30 Tage im März / April 2018.

Um gesichert ausreichend Strom zur Verfügung zu stellen, muss die „Produktionskurve“ notwendigerweise permanent AUF oder ÜBER der „Verbrauchskurve“ liegen. Diesen Ist-Zustand zeigt die zweite Graphik, einschließlich konventioneller Kraftwerke.

Für Strom auschließlich aus erneuerbaren Energien bedeutet dies, dass alle Wellentäler (vgl. ersten Graphik) nach oben, bis über die Verbrauchskurve wandern müssten. Anders ausgedrückt: die weiße Fläche unterhalb des magentafarbenen Graphs müste vollständig und durchgehend blau und / oder gelb werden.
Bspw. für den Zeitraum 15. April bis 23. April 2018 wäre dafür theoretisch 9 Tage lang (!!) mindestens die 10-fache Leistung aus erneuerbaren Energien – insbesondere exorbitant mehr Windleistung – erfoderlich gewesen.

Angenommen diese gigantische Mehrleistung würde im Jahr 2050 zur Verfügung stehen:

1.) Das Problem einer echten Windflaute – ein, zwei, X Tage ohne Wind, was dann?? – bleibt nahezu unabhängig von der installierten Nennleistung bestehen – ebenso wie die Volatilität.
2.) Darüber hinaus würden gewaltige Wellenspitzen – respektive Leistungsspitzen – entstehen. Um das Stromnetz nicht zu überlasten (Blackout!), müsste diese Überschussenergie entweder die dann vorhandenen, ebenso gewaltigen Speichersysteme „auffüllen“ – die in diesem Falle quasi als zusätzlicher Verbraucher fungieren würden (was aber, wenn sie schon voll sind?). Oder die Spitzen – und NUR die Spitzen – müssten durch geregeltes (!!), dem Überschuss angepasstes (!!) Ausschalten von Wind- und Solaranlagen bis zum gerade anstehenden Verbrauchswert gekappt werden. Was aber, wenn genau im Tilgungsaugenblick, trotz aller Prognosemöglichkeiten, überraschend plötzlich keine Wind mehr weht? Die Stromerzeugung würde unter den Verbrauchswert fallen, was gleichbedeutend mit mindestens partiellen Blackouts wäre (beinahe Blackout 24. Januar 2017).

Solche zum Erhalt der Funktionsfähigkeit des fragilen Stromnetzes notwendigen Feinjustierungen sind mit Solar-und Windstromerzeugung in politisch und ideologisch gewünschter Größenordnung (100%) m. E. nicht durchführbar.
Genauso ist die unabdingbare Grundlastversorgung mit Solar- und Windstrom nicht darstellbar.

Ohne ebendiese regelbare Stromproduktion ist die Versorgungssicherheit jedoch nicht zu gewährleisten – für jede kWh aus Wind und Sonne muss eine kWh als Sicherheit bereitstehen.
(KOMPENDIUM für eine vernünftige Energiepolitik)

Zwei weitere Links.

Die technische Grenze für den Energiewende-Strom ist erreicht

Deutschlands Energiewende – ein sich anbahnendes Desaster
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Problem: Stromspeicherung

Strom muss im gleichen Augenblick produziert werden, wie er verbraucht wird. (>>)

Kurzer, grundsätzlicher Exkurs:

Der zulässige Umkehrschluss zu vorstehender Aussage ist, dass nicht mehr Strom produziert werden kann, als im gleichen Augenblick verbraucht wird.

Es gibt kein Überlaufventil, das man einfach öffnen könnte, um den Strom „rauslaufen“ zu lassen und ihn – bildlich gesprochen – in ein Gefäß abzufüllen; wie das bspw. beim Erdöl(fass) möglich ist. Es gibt daher keinen „Überschussstrom“ an sich!! Vielmehr ist er sozusagen nur virtuell – rein rechnerisch – im Vergleich zum anstehenden Verbrauch existent (anders als Ölfässer im Lager).
Real wird Überschussstrom erst in dem Augenblick, in dem zusätzliche Verbraucher geschaffen werden und in abnehmen (Ölfässer können vollkommen unabhängig vom Verbrauch bzw. von zusätzlichen Verbrauchern gefüllt und eingelagert werden). Stehen keine zusätzlichen Verbraucher zur Verfügung, wird das Stromnetz überlastet (wieder bildlich: zu viel Druck auf der Leitung) und muss / müsste zur Schadensvermeidung abgeschaltet werden. Um dies zu verhindern, wird dem Überschuss entsprechend die Stromerzeugung heruntergefahren. Und dies geschieht, wie wir oben gesehen haben, sekunden- bzw. minutengenau, was mit 100% Strom aus erneuerbaren Energien nicht machbar ist.

Theoretische Abhilfe könnten ausreichend leistungsfähige (Puffer)Speichersysteme schaffen. Diese fungieren dann als die o. g. zusätzlichen Verbraucher! Zumindest so lange, bis sie aufgefüllt sind. Ist dieser Zustand erreicht und es wird weiter Strom aus 100% erneuerbaren Energien erzeugt, stehen wir wieder vor demselben Problem der nicht regelbaren Überlast. Daraus folgt vom Prinzip her, dass entweder die Speicherkapazitäten dergestalt ausgelegt werden, dass sie erst gar nicht vollständig aufgefüllt werden können. Oder es muss ein Weg gefunden werden, die Stromerzeugung aus 100% erneuerbaren Energien regelbar wie Kohlekraftwerke hinzubekommen.
Beides halte ich, bspw. angesichts der „Strommengen“, um die es geht, für nicht realisierbar.

Wie auch immer, nachfolgend komme ich zum eigentlichen Thema „Speicherung“:

Für die weiteren Betrachtungen ist folgende Graphik der Stromerzeugung von Ende November 2017 / Anfang Dezember 2017 von zentraler Bedeutung.
Sie zeigt recht eindrücklich, dass es durchaus Zeiträume gibt (z.T. auch längere, wenn auch nicht sehr häufig), in welchen so gut wie kein Strom aus Sonne und Wind „produziert“ wird – insbesondere natürlich nachts, wo die Sonne es bekanntlicherweise nicht so einfach hat .

Für die Thematik Speicherung bzw. Dimensionierungen der Speicherkapazitäten usw. für eine sichere, blackoutlose Weiterversorgung mit Strom, muss – speziell für die Nachtstunden – in einem Worst-Case-Szenario sicherheitshalber von einem Totalausfall der Stromerzeugung durch Sonne und Wind ausgegangen werden; alles andere wäre m. E. fahrlässig.

Speicherbedarf und Speicherkosten

Um die gewalten Größenordnungen zu veranschaulichen, habe ich weiter unten beispielhafte, stark vereinfachte Berechnungen des Speicherbedarfs sowie der dafür aufzubringenden Kosten usw. angehängt; ich bitte um Durchsicht.
(Anmerkung: „Stark vereinfacht“ ist nicht gleichzusetzen mit „unbrauchbar“!)

Exemplarisch sind nachstehend zwei Ergebnisse kurz zusamengefasst:

Erweitert man das unterstellte Szenario – bspw. auf die weiter oben aufgeführten 9 Tage Schwachwindphase im April oder ähnliches -resultieren daraus schnell mehrere tausend Gigawattstunden (GWh) (= noch einstellige Terawattstunden (TWh)) an benötigter Speicherkapazität. Unterstellt man weiterhin einen zunehmenden Stromverbrauch durch die 100% Umstellung auf erneuerbare Energien (bspw. KFZ-Flotte; weniger Öl-/Gasheizungen, stattdessen mehr Elektroheizungen usw.) ergeben sich NUR FÜR DEUTSCHLAND (!!!)

• 10, 20 oder 30 TWh an benötigter Speicherkapazität
• entsprechend mehrere hundert Milliarden Euro an Investitionskosten (positiver, auch monetärer Effekt: die Abhängigkeit vom Import von Energierohstoffen würde deutlich reduziert!).
  
• ggfs.mehrere hundert Millionen oder sogar Milliarden Speichermodule mit entsprechedem Ressourcenverbrauch und allen damit zusammenhängenden ökologischen Problemen: Bsp. Lithium

Diese Ergebnisse werden an anderer Stelle durchaus bestätigt:

Steigt der Anteil der erneuerbaren Energien auf 100%, erhöht sich die benötigte Speicherkapazität … auf Werte zwischen ca. 26 TWh (VDE) und 49 TWh (UBA) nochmals drastisch.

Diese Aussage entstammt dem

„Gutachten Power to Gas/Energiespeicher – NRW Enquete-Kommission II (Juni 2016)“

des Jülich Aachen Research Alliance, kurz JARA – in JARA bündeln die RWTH Aachen University und das Forschungszentrum Jülich ihre Expertisen. Als Quelle diente die höchst offizielle Parlamentsdatenbank des Landtags NRW (alternativ HIER direkt zur *pdf).

Das Gutachten gibt allgemeine Erläuterungen sowie Zusammenfassungen und Vergleiche von bestehenden Studien.

Nachstehend werden lediglich einige „kurze“ , m. M. n. aber relevante Passagen daraus zitiert (der Beitrag wird sonst einfach zu lang – noch zu länger -; ihr sollten es vollständig lesen!!); u. a. auch zum Thema „Power to Gas“ (Untersteichungen durch mich):

PV Batteriespeichersysteme
Der Betrieb von PV-Batteriesystemen zur Eigenverbrauchserhöhung wird in erster Linie in Kombination mit kleineren Anlagen auf Ein- oder Mehrfamilienhäusern gesehen….
Nimmt man einen Auslegungsfaktor für PV-Batteriesysteme von 0,8 kWhBatterie/kWp an, so ergibt sich für das PV-­‐Leistungssegment bis 30 kWp ein potenzieller Batteriemarkt von ca. 9,7 GWh (nutzbare Batteriekapazität), bezogen auf den PV-­‐Anlagenbestand Ende 2012. Bei einer zukünftigen installierten PV-­‐Gesamtleistung von ca. 50 GWp (Ausbauziel der Bundesregierung) und der Annahme einer gleichbleibenden Leistungsverteilung (siehe Abb. 6) ergibt sich ein potenzieller Batteriemarkt von ca. 16,1 GWh.
Die angegebenen Werte sind hierbei als obere Grenzwerte zu verstehen, da nicht davon auszugehen ist, dass alle Anlagenbetreiber der Größenklasse bis 30 kWp zukünftig auch einen Batteriespeicher betreiben werden.

Zwei Anmerkungen:
– Ihr erinnert euch an obige 600 GWh??
– Circa 33% des deutschen Bestandes von rd. 39 Millionen einzelnen Wohnungen befinden sich in „gereihten Häusern“ (>>). Für Photovoltaikanlagen (PV) fallen diese mehr oder weniger komplett aus.

Power – to – Gas
Power ­ to – Gas (P2G) ist ein Konzept zur Speicherung von elektrischer Energie mit dem Ziel einer zeitlichen und regionalen Entkopplung von Erzeugung und Last. Heutige Speicherkonzepte wie Pump ­ und Druckluftspeicherkraftwerke, Schwungradspeicher oder Batterien bieten zwar die Möglichkeit elektrische Energie in Form von potenzieller, kinetischer oder elektrochemischer Energie zu speichern, ihre Speicherkapazität ist jedoch gering. Die Wiedereinspeisung der gespeicherten Energie erfolgt zudem am Ort der Einspeicherung. Für den Ausgleich lange andauernder Perioden geringer Sonneneinstrahlung oder geringer Windgeschwindigkeiten, werden bei weiterhin zunehmendem Ausbau der erneuerbaren Energien Speicher benötigt, die Strom saisonübergreifend speichern können. Power ­ to ­ Gas stellt einen derartigen potenziellen Saisonspeicher dar. …
Geht man beispielsweise von einer zu 100% auf Erneuerbaren basierenden Stromerzeugung aus, ist eine saisonale Stromspeicherung zum Funktionieren der Stromversorgung notwendig. D.h. der hierfür benötigte Überschussstrom und die daraus produzierte Wasserstoffmenge stehen für andere Anwendungsmöglichkeiten nicht mehr zur Verfügung….
Unter der Randbedingung, dass lediglich negative Regelenergie genutzt wird, was einer Volllaststundenzahl von 1.200 h entspricht, lässt sich weder für Wasserstoff noch für synthetisches Methan ein wirtschaftlicher Vorteil zu anderen Endenergieträgern feststellen (vergleiche Tab. 3). Dies gilt selbst für den Fall, dass der Strom ohne Kosten bezogen werden könnte. Erst bei einer Volllaststundenzahl von 7000 und Strombezugskosten von Null erreichen beide Produkte das Preisniveau einiger vergleichbarer Produkte (Diesel, Benzin, Biogas). Allerdings ist darauf hinzuweisen, dass es sich für diesen Fall mit einer sehr niedrigen Auslastung nicht mehr lediglich um negative Regelenergie, sondern um die komplette Nutzung von regenerativem Strom handelt und damit ein völlig anderes Versorgungskonzept unterstellt wird….

Einordnung von Power-­‐to-­‐Gas aus nationaler Perspektive
Das Power – to – Gas Konzept basiert auf der Nutzung von sogenanntem Überschussstrom und benötigt im Fall der Methanisierung Kohlendioxid….
Ausgangspunkt der Berechnungen ist der deutsche Erdgasverbrauch, der im Jahr 2013 ca. 3.106 PJ bzw. ca. 86 Mrd. m3 betrug. Geht man davon aus, dass dieser Erdgasmenge 5 Vol. % Wasserstoff zugemischt werden könnte, wären hierfür etwa 18,4 TWh Überschussstrom notwendig (siehe Tab. 3). Zum Vergleich: Die Menge des im Jahr 2013 abgeregelten erneuerbaren Stroms lag nach Angaben der Bundesnetzagentur bei 0,385 TWh. Würde man die Überschussstrommenge von 18,4 TWh vollständig in Methan umwandeln, ließen sich etwa 1,1 Mrd. Nm³ SNG herstellen, was einem Anteil von etwa 1,25% des heutigen Erdgasverbrauchs entspricht. Für die Methanisierung wäre eine CO2-Menge von ca. 2,13 Mio. t notwendig. Hierbei stellt sich die Frage, ob eine derartige CO2-Menge aus regenerativen Prozessen überhaupt zur Verfügung steht….
Allerdings kann gezeigt werden, dass die erwartbaren SNG-Mengen im Vergleich zum heutigen Erdgasverbrauch eher gering sind. Die Methanisierung ist somit keine Möglichkeit, um den konventionellen Erdgasverbrauch signifikant substituieren zu können. Darüber hinaus ist festzustellen, dass bei einer rechnerischen Zumischung eine Überschussstrommenge notwendig wäre, die einen Faktor 50 größer ist, als die heute abgeregelte Menge erneuerbaren Stroms.

Ergänzend noch zwei weitere Links:

Mythos Energiespeicher

Power to Gas – ein Hype?

Dazu die nochmalige, vorsorgliche Anmerkung in eigener Sache: Ich bin ein entschiedener Gegner von Kernenergie!

Resümee

Ein aussagekräftiges Resümee fällt mir schwer. Einerseits sehe ich für die Zukunft gegenwärtig keine echte Alternative zu erneuerbaren Energien. Andererseits sehe ich aber auch, dass erneuerbare Energien nach derzeitigem Stand der Dinge keine 100%-Stromerzeugungsalternative sein können.

Ich fasse die Situation mal wie folgt zusammen:

Abseits des sich selbst feiernden Hypes werden erneuerbare Energien mit nachvollziehbaren, logischen Argumenten m. E. zurecht durchaus kritisch betrachtet. Dies äußert sich allerdings überwiegend nicht in genereller Ablehnung, sondern in Missbilligung an der Umsetzung. Diese krankt – wie leider zunehmend üblich in diesem Land – zu häufig an Unwissenheit, Realitätsverlust sowie ideologisch begründeter Ignoranz von Naturgesetzen und physikalischen Vorgängen. Stattdessen findet sich zu häufig schon beinahe religiöser Dogmatismus der „Guten“, der Menschen- bzw. Menschheitsretter.

Ideologisches Wunschdenken gepaart mit Interessen- bzw. Lobbygruppen motiviertem Aktionismus und politischer Profilierungssucht werden die naturwissenschaftlichen Vorgaben / Grenzen / Zwangspunkte jedoch nicht auflösen.
Wenn eine Person, die folgendes Statement abgibt…

An Tagen wie diesen, wo es grau ist, da haben wir natürlich viel weniger erneuerbare Energien. Deswegen haben wir Speicher. Deswegen fungiert das Netz als Speicher. Und das ist alles ausgerechnet. Ich habe irgendwie keine wirkliche Lust, mir gerade mit den politischen Akteuren, die das besser wissen, zu sagen, das kann nicht funktionieren. (>>)

…unter großem Jubel zur Parteivorsitzenden der Grünen gewählt werden kann / darf – und somit zu einer relevanten Entscheidungsträgerin wird – dann befürchte ich das Schlimmste.

Aktuell bin ich der Ansicht, dass 100% Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien nicht machbar ist (schon gar nicht mit dem Personal und Gefolge!). Sollte ich einer Fehleinschätzung unterliegen, wäre ich allerdings der letzte, der sich darüber Grämen würde.

Einen wichtigen Beitrag zur Energieversorgung können und müssen erneuerbare Energien zweifelsohne leisten – darin besteht im Grunde jedoch ohnehin Konsens. Das „wie“ wird die Entscheidung bringen.

Abschließend noch der Verweis auf meinen Beitrag „Ist Erdöl wirklich ersetzbar?“

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Speicherbedarf

Kosten und Größe für entsprechenden Speicherbedarf

4. Beispielrechnung:
Diese wurde der Votragsfoliensammlung „Windenergie in Deutschland und Europa Potenziale und Herausforderungen in der Grundversorgung mit Strom, Teil 1 (Deutschland)“ des VGB PowerTech e. V. entnommen (siehe Abbildung unten).