Erneuerbare Energien sind volatil. Ohne Speichertechnologien über alle Netzebenen hinweg wird es keine Dekarbonisierung geben.
Der Klimaschutz und die Reduktion von Treibhausgasen wie insbesondere CO2 bedeuten weltweit tiefgreifende Veränderungen bei der Energieproduktion. Der Ausbau erneuerbarer Energien, vor allem der Solar- und Windenergie, spielen für die Energiewende eine zentrale Rolle. Denn das Angebot dieser klimafreundlichen Energieträger übersteigt den weltweiten Bedarf an Primärenergie von derzeit rund 170.000 Terawattstunden um ein Vielfaches.
Laut den Erhebungen der IEA (International Energy Agency) beträgt der Anteil an emissionsfrei erzeugtem Strom weltweit bereits heute rund 37 Prozent. Allerdings macht elektrische Energie nur ein Fünftel des weltweiten Gesamtenergieverbrauchs aus. Für die Energiewende ist es daher von entscheidender Bedeutung, wie die Erneuerbaren auch im Verkehrs- und Heizungssektor konventionelle Energieträger substituieren.
Für die Energiewende ist es daher von entscheidender Bedeutung, wie die Erneuerbaren auch im Verkehrs- und Heizungssektor konventionelle Energieträger substituieren.
Um die Klimaziele zu erreichen, ist deshalb eine ganze Reihe an Herausforderungen zu meistern. Für Markus Riepl, der bei Reinhausen Lösungen für die Netze der Zukunft entwickelt, steht fest: „Viele Fragen drehen sich darum, wie die Netze der Zukunft diese gewaltigen Mengen Energie transportieren können. Und wie sich die volatile Erzeugung von Solar- und Windstrom örtlich und zeitlich mit dem aktuellen Bedarf in Deckung bringen lässt. Diese Fragen haben sowohl globale als auch regionale Dimensionen.“ So werden viele Industrienationen wie beispielsweise Deutschland künftig „grüne Energie“ in Form von „grünem Wasserstoff“, der in wind- und sonnenreichen Regionen produziert wird, importieren müssen.
Gleichzeitig stoßen die Netzkapazitäten bereits heute an Grenzen und können den klimafreundlich erzeugten Strom nicht immer bedarfsgerecht vom Erzeuger zum Verbraucher transportieren. Eine Möglichkeit, diese Schwankungen auszugleichen, sind Energiespeicher. Im Folgenden zeigt dieser Beitrag auf, wie Netzprobleme, die erneuerbare Energien in die Netze bringen, mit Speichersystemen gelöst werden können — von der Höchst- beziehungsweise Hochspannungs- über die Mittel- bis zur Niederspannungsebene.
Herausforderung Sektorenkopplung
Sogar auf der Höchstspannungsebene können Batteriespeicher Übertragungsengpässe der Netze puffern. Beispielsweise muss in Deutschland Strom aus den Offshore-Windparks im windreichen Norden in den verbrauchsstarken Süden gelangen. Zwar bauen die Betreiber die Übertragungsnetze beständig aus, doch weil das allein nicht reicht, soll die Übertragungsleistung zusätzlich durch sogenannte Netzbooster optimiert werden. Hierbei handelt es sich um gigantische Batterieanlagen im Leistungsbereich von mehreren Hundert Megawatt.
Der Hintergrund: Wenn besonders viel Strom vom Norden in den Süden über die Leitungen transportiert werden muss, kommt es immer wieder zu Überlastungen einzelner Leitungsabschnitte, was teure Redispatch-Maßnahmen erforderlich macht. Das heißt: Vor dem Engpass müssen Erzeuger ihre Produktion herunterfahren, dahinter dann im gleichen Umfang erhöhen. Die Kosten für solche Maßnahmen summieren sich allein in Deutschland auf mehrere 100 Millionen Euro jährlich.
Netzbooster helfen, diese Lücken auszugleichen, indem sie Überproduktionen speichern, die vor dem Engpass liegen und nicht transportiert werden können. Hinter dem Engpass stellen sie Leistung zur Verfügung. Da dies alles innerhalb einer extrem schnellen Reaktionszeit passiert, können Sicherheitsreserven in den Netzen, die für solche Fehlerfälle vorgesehen sind, für den Stromtransport genutzt werden.
Netzbooster für Übertragungsnetze
Durch die Abhängigkeit von Wind und Wetter steht meist entweder zu viel oder zu wenig elektrische Energie zur Verfügung. Das wollen Netzbetreiber nun durch die Kopplung beziehungsweise Verschränkung der energiewirtschaftlichen Sektoren Strom, Wärme und Verkehr ausgleichen — und zwar über den Energieträger Gas. Überschüssige erneuerbare Energie wird über Power-to-Gas- oder Power-to-Heat-Anlagen in den Verkehrs- oder Wärmesektor ausgekoppelt.
Das Gasnetz stellt dabei eine riesige Speicherkapazität zur Verfügung. So kann beispielsweise der mit erneuerbarer Energie erzeugte Wasserstoff in Brennstoffzellen für Lkw oder mittels konventioneller Verwertung bei den Erdgasverbrauchern schädliche Treibhausgasemissionen reduzieren. Prof. Veronika Grimm von der Universität Nürnberg ist eine der treibenden Kräfte hinter der Sektorenkopplung in Deutschland. In einem Interview mit der Onlineplattform sechsnull.de erklärt sie, dass vor allem „grüner Wasserstoff“ eine maßgebliche Rolle spielen wird, wenn es um die Dekarbonisierung der Sektoren Verkehr und Wärme geht.
Für die Spezialistin für erneuerbare Energien steht außerdem fest, dass es ohne internationale Verflechtungen keine Energiewende geben kann. „Als Industrienation werden wir auch in einer zu 100 Prozent erneuerbaren Welt keine Selbstversorger sein, sondern Wasserstoff und synthetische Energieträger importieren, die in Vorzugsregionen auf der ganzen Welt hergestellt wurden“, so Prof. Grimm.
Puffern mit Quartierspeichern
Stationäre Speicher, sogenannte Quartierspeicher, puffern heute schon, meist auf der Mittelspannungsebene, die schwankenden Erzeugungsmengen erneuerbarer Energiequellen und leisten so einen wesentlichen Beitrag zur Energiewende. Sie bieten völlig neue Möglichkeiten für das Energie- und Lastenmanagement in Industriebetrieben und Verteilnetzabschnitten. Wind- oder Solarparks lassen sich mit diesen Energiespeichern zu Produktionseinheiten koppeln und so Energie konstant und planbar in die Netze einbringen.
Sie helfen, Microgrids oder schwach ausgebaute Netze zu stabilisieren, indem sie schwankende Last- und Einspeisemengen ausgleichen. Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten sind Quartierspeicher an vielen Knotenpunkten der Netze sinnvoll, meint Reinhausen-Fachmann Markus Riepl:
„Netzbetreiber vermeiden Investitionen in den Netzausbau, Anbieter von Wind- und Solarenergie können die Marktungleichgewichte nutzen und ihren Strom dann verkaufen, wenn er die höchste Rendite bringt. Energiezentralen können sich Reserven anlegen und Bedarfsspitzen im Netz ausgleichen.“
Dabei kombiniert der Batteriewechselrichter drei Funktionen in einer Einheit: Speichern, Blindleistungskompensation und Aktivfilter. Aufgrund dieser Systemdienstleistungsfähigkeit werden solche Wechselrichter von der Regulierungsbehörde als Netzkomponenten eingestuft. Diese Einstufung bringt für den Betreiber Vorteile bei Investitionskosten und bei der Speicherbewirtschaftung.
Auch entlegene Regionen mit schwacher Netzanbindung erreichen mittels Speichertechnologie eine stabilere Stromversorgung. Sogenannte ESS (Energy Storage Systems) können die von verschiedenen Erzeugern wie Solar- oder Windanlagen oder Dieselgeneratoren produzierte Energie speichern und bei Bedarf an das Netz abgeben. Dadurch gewährleisten sie eine störungsfreie Stromversorgung. Voraussetzung hierfür sind Wechselrichterlösungen wie GRIDCON® PCS von Reinhausen. Diese Lösung hat beispielsweise Autarsys in seinen Speichersystemen verbaut, die heute für die Stromversorgung in einer entlegenen Region auf den Philippinen eingesetzt werden.
Andreas Plenk, Manager bei Alfen, einem niederländischen Hersteller von Speichersystemen, sieht noch weitere vielfältige Einsatzbereiche für Batteriesysteme: „Immer mehr europäische Städte richten Umweltzonen ein und wollen aus Umweltschutzgründen Dieselgeneratoren verbieten. Doch Märkte, Festivals und Großevents müssen weiterhin mit Strom versorgt werden. Eine ähnliche Situation haben wir bei Häfen. Hier werden Umweltzonen eingerichtet, um die Anzahl der Dieselgeneratoren von Hafenbetreibern und Reedern zu reduzieren. So entstehen gerade neue Märkte.“
Ladesäulen entlasten Verteilnetze
Die Energiewende ist ohne Elektromobilität — zumindest als Zwischenschritt — nicht machbar. Analysten erwarten, dass bis 2030 in den meisten Industrieländern schon mehr Elektrofahrzeuge als Verbrenner rollen werden. Kalifornien möchte sich bis dahin sogar ganz von konventionellen Fahrzeugen verabschieden. Besonders die Verteilnetze stellt diese Entwicklung vor gewaltige Herausforderungen, die nur mit intelligenten Ladeinfrastrukturen zu bewältigen sind.
Um beispielsweise mehrere Fahrzeuge in einer Parkgarage oder an öffentlichen Parkplätzen zu laden, wäre vielfach ein teurer Ausbau der Leitungskapazitäten nötig. Die Alternative: Ladestationen, die einen Speicher vorhalten, so den Ladevorgang beschleunigen und gleichzeitig die Niederspannungsnetze entlasten. Hier entsteht ein Weltmarkt, für den auch Reinhausen Lösungen bereithält.
Ein Konzept, das sich auch durch Schwarmintelligenz erweitern lässt: Die schwankende, wetterabhängige Energieerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen kann durch smarte Speicherlösungen auch auf Ortsnetzebene Schwankungen ausgleichen. Dazu stellen die Fahrzeuge ihre Batteriekapazität während ihrer Standzeiten dem Stromnetz bei Engpässen zur Verfügung. Wenn umgekehrt das Stromnetz Elektrofahrzeugen bei Bedarf überschüssige Energie zur Verfügung stellen würde, könnte es Angebots- und Erzeugungsspitzen abpuffern. Batteriespeicher können so auf allen Netzebenen — vom Höchstspannungs- bis zum Ortsnetz — helfen, die Herausforderung Energiewende zu meistern. Reinhausen möchte seinen Beitrag dazu leisten.
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Markus.Riepl@reinhausen.com
