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Saisonaler Energiespeicher

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Definition: ein Energiespeicher, mit dem Energie für mehrere Monate gespeichert werden kann

Englisch: interseasonal energy storage

Kategorien: Grundbegriffe, Haustechnik

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 28.07.2014; letzte Änderung: 26.10.2014

Ein saisonaler Energiespeicher ist ein Energiespeicher, mit dem z. B. thermische oder elektrische Energie für die spätere Verwendung mehrere Monate lang gespeichert werden kann. Zwei notwendige, aber nicht hinreichende Voraussetzungen an einen solchen Speicher sind, dass er eine hohe Speicherkapazität aufweist und dass die Energieverluste auch bei der Speicherung über längere Zeiten nicht sehr hoch sind.

Für die Eignung als saisonale Energiespeicher gibt es nicht nur technische Kriterien!

Für den praktischen Einsatz kommt in der Regel hinzu, dass die spezifischen Kosten (d. h. die Kosten pro eingespeicherter Kilowattstunde) recht niedrig sind. Da das Ein- und Ausspeichern bei einem saisonalen Speicher nämlich nur höchstens wenige Male pro Jahr erfolgt, wären sonst die Kosten pro umgesetzter Kilowattstunde zu hoch. Aus diesem Grunde sind z. B. Batterien als saisonale Speicher nicht geeignet, selbst wenn ihre Selbstentladung sehr gering ist. Sie würden in dieser Betriebsart auch erst im Laufe vieler Jahre die erlaubte Anzahl von Lade-/Entladezyklen erreichen.

Saisonale Wärmespeicher

Die saisonale Wärmespeicherung ist insbesondere für die Anwendung der Solarthermie (Nutzung von Sonnenenergie in Form von Wärme) sehr interessant, weil Sonnenkollektoren im Sommer häufig höhere Erträge bringen, als sie dann benötigt werden, während im Winter (also zu Zeiten höchsten Wärmebedarfs) die Erträge eher gering sind. Wenn beispielsweise für ein Gebäude ein großer saisonaler Wärmespeicher zur Verfügung stünde, wäre eine Solarheizung meist leicht zu realisieren.

Leider ist es aber gerade für einzelne Gebäude schwierig, einen saisonalen Wärmespeicher z. B. als Warmwasserspeicher zu wirtschaftlich tragbaren Bedingungen zu erstellen. Ein Problem ist das erforderliche große Speichervolumen, welches selbst für ein gut wärmegedämmtes Einfamilienhaus mindestens einige Dutzend Kubikmeter umfassen müsste, so dass die Kosten sehr hoch sind. Das zweite Problem ist, dass eine Wärmedämmung kaum so effektiv sein kann, dass massive Wärmeverluste innerhalb von Monaten vermieden werden.

Probleme, die bei kleinen Wärme speichern unüberwindbar scheinen, lassen sich bei großen Speichern oft leicht lösen.

Die Situation wird aber wesentlich günstiger, wenn man größere Einheiten betrachtet. Die spezifischen Kosten eines Warmwasserspeichers (d. h. die Kosten pro speicherbarer Kilowattstunde) fallen nämlich sehr viel niedriger aus, wenn ein Speicher mit wesentlich höherer Wärmekapazität gebaut wird, wie er beispielsweise für eine ganze Wohnsiedlung benötigt wird. Auch das Verhältnis von Oberfläche und Volumen wird wesentlich günstiger, so dass eine ausreichende Wärmedämmung sehr viel einfacher zu erzielen ist. Dieser Ansatz erfordert natürlich ein Nahwärmenetz für die Versorgung der einzelnen Gebäude. Die Ausnutzung des Speichers kann ggf. mithilfe von Wärmepumpen noch weiter verbessert werden: Wenn der Speicher soweit entladen ist, dass seine Temperatur nicht mehr für die direkte Beheizung ausreicht, kann ihm mithilfe von Wärmepumpen weitere Wärme entzogen werden. Wiederum sind die spezifischen Kosten für solche zusätzliche Technik nicht allzu groß, wenn eine große Speicheranlage realisiert wird.

Auch Abwärme wird oft erst durch große Speicher gut nutzbar.

Für die Beladung eines saisonalen Wärmespeichers kommt nicht nur Sonnenenergie infrage, sondern beispielsweise auch Abwärme aus diversen Quellen. Häufig liefern solche Quellen über das Jahr sehr viel Wärme, aber teilweise zu Zeiten, in denen die Wärme nicht direkt gebraucht wird. (Am meisten gilt dies für Abwärme aus Klimaanlagen, die naturgemäß vorwiegend an heißen Tagen anfällt.) Ein saisonaler Wärmespeicher kann solche Wärme nutzbar machen.

Auch große Wärmespeicher werden meist mit Wasser als Speichermedium realisiert. Häufig werden sie nicht auf der Erdoberfläche realisiert, sondern in geringer Tiefe unter der Oberfläche. Sie können auch nachträglich überdeckt werden, so dass ein bepflanzbarer Wall entsteht, der sich gut in die Landschaft einfügt. Dieser Ansatz eignet sich keineswegs nur für warme Länder, sondern wurde beispielsweise auch in Schweden schon vielerorts genutzt.

Felder von Erdwärmesonden können zur Realisierung unterirdischer Wärmespeicher genutzt werden.

Eine andere Art von saisonalem Wärmespeicher kann mithilfe von Erdwärmesonden geschaffen werden, genauer gesagt mit ganzen Feldern von Erdwärmesonden. Die eher niedrigen oberflächennahen Temperaturen im Erdreich erfordern Wärmepumpen zur Entnahme der Wärme im Winter. Die Aufladung (Regeneration) des Speichers erfolgt im Sommer dadurch, dass überschüssige Wärme z. B. aus dem Betrieb von Klimaanlagen über die Sonden an das Erdreich abgegeben wird. Dieses Verfahren eignet sich vor allem dann gut, wenn der winterliche Wärmebedarf und der sommerliche Wärmeüberschuss sich in etwa die Waage halten. Dies ist bei Wohngebäuden in Mitteleuropa zwar häufig nicht der Fall, aber in diesem Fall kann das Gleichgewicht durch Nutzung von Solarthermie oder von Abwärme zum Beispiel aus industriellen Anlagen hergestellt werden. Dieses Gleichgewicht ist bei ganzen Feldern von Erdsonden viel wichtiger als bei einzelnen Sonden, wo er Wärme von außen wieder nach fließen könnte.

Aquifere sind eine interessante Option für große unterirdische Wärmespeicher.

Große saisonale Wärmespeicher können mancherorts auch mithilfe von Aquiferen (unterirdischen Wasservorkommen) realisiert werden. Wenn ein Aquifer in großer Tiefe liegt, verhindert die ohnehin warme Umgebung große Wärmeverluste auch dann, wenn eine eigentliche Wärmedämmung nicht realisierbar ist. Ein Kältespeicher würde dagegen eher in geringer Tiefe realisiert, wo die Umgebungstemperatur niedriger ist. Auch für Aquifere gilt natürlich, dass der Wärmeaustausch mit der Umgebung umso weniger ins Gewicht fällt, je größer der Speicher ist.

Im Falle der Nutzung von Wärmepumpen wird natürlich zusätzliche Energie für deren Antrieb benötigt. Wenn allerdings die Temperaturunterschiede zwischen Speicher und Heizmedium nicht allzu groß sind, können die Wärmepumpen sehr hohe Leistungszahlen erreichen, und der Energieaufwand ist entsprechend gering. Eine echte Solarheizung würde jedoch erfordern, dass die Speicherung auf höherem Temperaturniveau erfolgt, so dass keine Wärmepumpen benötigt werden.

Saisonale Speicher für elektrische Energie

Auch im Zusammenhang mit elektrischer Energie können saisonale Speicher vielerorts eine wichtige Rolle erfüllen. Erneuerbare Energien wie Windenergie und Sonnenenergie (genutzt über Photovoltaik) lassen sich in wesentlich größerem Umfang zur Stromerzeugung nutzen, wenn saisonale Speicher zur Verfügung stehen. Deren Reservefunktion ist auch nützlich für den Fall des Ausfalls von Kraftwerken oder der Lieferung von fossilen Energieträgern wie Erdgas.

Große Wasserspeicher sind in vielen Ländern die wichtigste Reserve für elektrische Energie.

Es gibt viele Arten von Speichern für elektrische Energie, von denen sich viele allerdings nicht als saisonale Speicher eignen, meist weil die Kosten pro umgesetzter Kilowattstunde viel zu hoch wären. Dies gilt beispielsweise für Batteriespeicher, aber auch für die meisten Pumpspeicherkraftwerke. Gut geeignet sind jedoch große Talsperren, die bei geeigneter Topographie des Landes relativ kostengünstig angelegt werden können. Die Kosten pro speicherbarem Kubikmeter Wasser sind moderat und gerade angesichts der sehr langen Lebensdauer gut tragbar. Innerhalb von Monaten geht zwar ein Teil des Wassers durch Versickerung und Verdunstung verloren, jedoch sind diese Verluste meist nicht allzu hoch. Es gibt beispielsweise in Norwegen sehr hohe Kapazitäten solcher Wasser-Speicherkraftwerke, wobei die meisten derzeit nicht als Pumpspeicher ausgeführt sind, sondern nur natürliche Wasserzuflüsse nutzen, die starke jahreszeitliche Schwankungen aufweisen. Auch wenn ein direktes Aufladen mit Hilfe elektrischer Energie bei solchen Kraftwerken nicht möglich ist, erlauben sie zumindest die indirekte Speicherung: Solange genügend Energie aus anderen Quellen zur Verfügung steht, kann diese direkt genutzt werden, so dass die Speichervorräte geschont werden. Diese Speicher werden sich auch für ganz Mitteleuropa nutzen lassen, sobald stärkere Stromnetze zwischen Skandinavien und Mitteleuropa installiert sind. Später könnten diese Teil eines europäischen Supergrids werden, welches beispielsweise Anlagen für die Gewinnung von Windenergie und Sonnenenergie in vielen Ländern einschließen wird. Wenn die indirekte Speicherung einmal nicht mehr ausreicht, werden sich etliche Wasserspeicher auch nachträglich zu Pumpspeichern aufrüsten lassen.

Der Zyklenwirkungsgrad für die Pumpspeicherung liegt typischerweise bei 75 bis 85 %. Wenn noch gewisse Energieverluste beim Stromtransport dazukommen, kann er effektiv noch etwas niedriger liegen, aber meist oberhalb von 70 %. Im Falle indirekter Speicherung ist die Effizienz natürlich noch deutlich besser; es kommen allenfalls Verluste beim Stromtransport vor.

Auch Erdgas eignet sich für die saisonale Speicherung.

Eine ähnliche Art indirekter Speicherung ist mit Erdgas möglich. Erdgas kann in großen unterirdischen Kavernen für Monate gespeichert werden in Zeiten, wo genügend erneuerbare Energie zur Deckung des direkten Bedarfs verfügbar ist. Die praktische Nutzbarkeit von Erdgas für die saisonale Speicherung wird auch dadurch erleichtert, dass die spezifischen Kosten für Gaskraftwerke relativ niedrig sind, so dass ein Einsatz als Mittellast- oder sogar Spitzenlastkraftwerke wirtschaftlich möglich ist.

Ein anderer technischer Ansatz, der auch die direkte Speicherung ermöglicht, ist Power to Gas. Hier wird mithilfe überschüssiger elektrischer Energie Wasserstoff erzeugt, der im Interesse besseren Transports und besser Lagerung auch durch Methanisierung in Methan umgewandelt werden kann. Dieses Methan lässt sich wie Erdgas in großen unterirdischen Speichern leicht für viele Monate aufbewahren, so dass man einen saisonalen Speicher erhält. Das Gas kann dann zu Zeiten hohen Strombedarfs in Gaskraftwerken wieder verstromt werden. Anders als große Wasser-Speicherkraftwerke lassen sich solche Speicher beispielsweise auch in Deutschland realisieren, wo es bereits große Speicherkapazitäten für Erdgas gibt, die ggf. noch erweitert werden könnten. Allerdings hat Power to Gas den ernsten Nachteil, dass beim Einspeichern und Ausspeichern sehr hohe Energieverluste auftreten. Der so genannte Zyklenwirkungsgrad kann je nach den jeweiligen Verhältnissen unter 30 % liegen, so dass also weniger als ein Drittel der eingespeicherten Energie am Ende wieder zur Verfügung steht. Die niedrige Effizienz dieser Speicherung ist zwar auch bei einem saisonalen Speicher sehr nachteilig, aber immerhin weniger einschneidend als bei einem Speicher für kürzere Zeiträume. Ein weiteres Problem sind die hohen Kosten v. a. für die Elektrolyse.

Saisonale Speicher werden durch die Energiewende wichtiger – wie lassen sie sich praktisch realisieren?

Angesichts des steigenden Anteils erneuerbarer Energie im Stromsektor wird der Bedarf für saisonale Speicher in den nächsten Jahrzehnten sicher stark zunehmen. Für ein Land wie Deutschland stellt sich dann die Frage, ob man eher selbst große saisonale Speicher für elektrische Energie aufbaut oder solche durch die Kooperation mit anderen Ländern verfügbar macht. Für die nationale Strategie stehen für einen breiten Einsatz geeignete Technologien bisher nicht zur Verfügung; einzig Power to Gas bietet das Potenzial wirklich großer Speicherkapazitäten, aber nur mit massiven Energieverlusten und hohen Kosten. Dagegen ließe sich die internationale (gesamteuropäische) Strategie mit im Wesentlichen bereits vorhandener Technik (mit einem europäischen Supergrid auf der Basis von Hochspannungs-Gleichstromübertragung und europaweit verteilten Speichern) und zu moderaten Kosten aufbauen. In diesem Zusammenhang ist auch zu beachten, dass der Bedarf an Speicherkapazitäten stark reduziert wird, wenn ein großes Versorgungsgebiet mit starken Stromnetzen aufgebaut wird.

Siehe auch: Energiespeicher, Wärmespeicher, Eisspeicher, Speicher für elektrische Energie, Wasser-Speicherkraftwerk, Pumpspeicherkraftwerk, Power to Gas
sowie andere Artikel in den Kategorien Grundbegriffe, Haustechnik

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