Ohne Speicher gibt es keine wirksame Energiewende.

von Frank Thelen | 29.03.2020

Die Energiewende ist eine Herzensangelegenheit von Freigeist

Unseren Planeten durch technologische Innovation zu retten, ist einer der wichtigsten Investitionsfelder von Freigeist. Neben neuartigen Lösungen im Bereich der Mobilität, wie Lilium Aviation, betrachten wir die gesamte Energiewirtschaft seit geraumer Zeit: Angefangen mit innovativen Ansätzen zur Energiegewinnung bis hin zur Energiespeicherung sowie dem effizientem Energiemanagement.

Der weltweite Energieverbrauch hat über die letzten Jahrzehnte dramatisch zugenommen und es ist davon auszugehen, dass er bis 2040 um weitere 30% ansteigen wird. Gründe dafür sind unter anderem eine wachsende Bevölkerung, steigende Technologisierung und eine zunehmende Urbanisierung. Insbesondere der Stromverbrauch wird wohl über die nächsten Jahre drastisch zunehmen, sodass er bis 2040 voraussichtlich 40% des Wachstums im Endverbrauch an Energie ausmachen wird.

Die Auswirkungen unseres zunehmenden Energieverbrauchs auf unser Klima sind dramatisch und wir bekommen bereits jetzt in Ansätzen zu spüren, was der Klimawandel für Ökosysteme, Volkswirtschaften und Gesellschaften bedeutet.

Wir müssen uns den Ausmaßen dieses Problems endlich bewusst werden und Wege finden, Kohlenstoffemissionen zu reduzieren und den Klimawandel zu stoppen. Ein entscheidender Faktor dafür und für eine nachhaltige Zukunft ist die Energiewende, der Übergang zu erneuerbaren Energien.

Wozu brauchen wir Speicher?

Erneuerbare Energiequellen, wie Wind- und Solarenergie sind zwar sehr “sauber”, aber sie haben aktuell noch ein “Verlässlichkeitsproblem”, wie Bill Gates es nannte. Wetterbedingungen schwanken. Der Wind für Windkraftanlagen weht ungeachtet der Stromnachfrage und auch die Sonne für Solarenergie scheint oder eben auch nicht, unabhängig davon, wann die Stromnachfrage am höchsten ist. Als Konsequenz daraus ist die Stromversorgung aus Wind- und Solarenergie ebenfalls volatil – und damit “unzuverlässig”.

Wir brauchen daher Technologien, die Flexibilität ermöglichen, um die Nachfrage rund um die Uhr verlässlich mit Strom aus erneuerbaren Quellen bedienen zu können. Ein vielversprechender Lösungsansatz dabei sind Energiespeicher, die ideal dafür geeignet sind, Schwankungen in der Stromversorgung aus erneuerbaren Energien zu auszubalancieren.

Eine aktuelle Studie geht davon aus, dass bis 2050 etwa 15.000 TWh Leistung aus Energiespeichern benötigt werden, wenn wir weltweit zu 100% auf Erneuerbare Energien umsteigen wollen. Für Europa würde die benötigte Speicherleistung etwa 2.250 TWh betragen. Der Großteil der restlichen benötigten Leistung kommt aus Nord-Ost-Asien (ca. 5.000 TWh) sowie Südasien (ca. 3.000 TWh). Auch wenn ein 100%-iger Übergang zu erneuerbaren Energien wohl schwer realisierbar ist, ist der erforderliche Bedarf an Speicherleistung enorm.

In 2015 betrug die weltweite Speicherleistung jedoch nur 29 TWh, überwiegend aus Pumpspeicherwerken. Dies sind nur 0.2% dessen, was wir bis 2050 benötigen werden.

Es gibt diverse Anwendungsgebiete für Energiespeicher, von denen die zwei wichtigsten die Integration erneuerbarer Energien und die Anwendungen für Netzstabilität sind.

Energiespeicher ermöglichen die Integration erneuerbarer Energien

Solar- und Windenergie sind volatil zu verschiedenen Tages- und Jahreszeiten. Das tägliche Phänomen, dass die Stunden mit der höchsten Nachfrage nach Strom und die Stunden mit der höchsten Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien nicht übereinstimmen, ist u.a. unter dem Namen “Californian Duck Curve” bekannt. Während die Erzeugung aus Solarenergie am höchsten um die Mittagsstunden ist, ist die Stromnachfrage am höchsten in den Abendstunden.

Die “Californian Duck Curve” zeigt den Netto-Strombedarf aus nicht-erneuerbaren Quellen in Kalifornien, abhängig von der Tagesstunde, falls der Strombedarf aus erneuerbaren Energien (in diesem Falle Solarenergie) komplett ins Netz eingespeist wird. Man sieht, dass die Nachfrage nach Strom aus nicht-erneuerbaren Quellen um die Mittagsstunden herum sehr weit absinkt, da die Erzeugung aus Solarenergie dann sehr hoch ist. Dies zeigt insgesamt die Gefahr von Überproduktion in den Mittagsstunden, wenn man das Gesamtangebot betrachtet. Nach 15 Uhr sieht man einen sehr steilen Anstieg in dem Bedarf nach Strom aus nicht-erneuerbaren Quellen, der seine Spitze in den Abendstunden erreicht. Je höher der Anteil an Solarenergie ist, desto steiler ist dieser plötzliche Anstieg im Strombedarf aus anderen Quellen in den späten Nachmittagsstunden. Diese abrupte Änderung im Bedarf nach Strom und – daraus resultierend – der Stromversorgung in einer sehr kurzen Zeit, um die veränderte Nachfrage zu erfüllen, ist äußerst belastend für das Stromnetz.

Stromspeicher können helfen, die “Californian Duck Curve” zu glätten, wie die Abbildung 2 zeigt. Dies geschieht, indem sie in den Mittagsstunden, wenn die Solarstromerzeugung hoch und die Nachfrage gering ist, Strom speichern und diesen in die Abendstunden mit hoher Nachfrage verschieben, wo die Solarstromerzeugung sehr niedrig bzw. nicht vorhanden ist. Dies glättet die Kurve und verringert den plötzlichen Anstieg des Bedarfs in Stromerzeugung aus nicht-erneuerbaren Energien während der späten Nachmittagsstunden.

Datenquelle: Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems et al. (2018)

Die Daten des Fraunhofer Instituts zum deutschen Strommarkt zeigen, dass die Stromerzeugung aus Wind- und Solarquellen nicht nur täglich schwankt, sondern auch über Wochen und Jahreszeiten hinweg äußerst wechselhaft ist.

Von 2008 bis 2018 ist der Anteil an Wind- und Solarenergie von 8,3% auf 28,8% gewachsen. Dies ist ein 3,5-facher Anstieg in 10 Jahren.

Die Integration dieser volatilen erneuerbaren Energien wird immer wichtiger und gewinnt mit einem wachsenden Anteil an Wind- und Solarenergie in Deutschland an Dringlichkeit.

Allein in 2017 hat Deutschland Strom ins Ausland exportiert, der ausgereicht hätte, um 15,4 Millionen Haushalte für ein Jahr zu versorgen.

Eine verbreitete Praxis für Tage mit (zu) hoher Produktion ist zur Zeit die sogenannte Abregelung, bei der Anlagen temporär abgeschaltet werden oder ihre Produktion gedrosselt wird, zum Beispiel, um eine Überlastung des Stromnetzes zu verhindern.

Eine andere, ebenfalls oft genutzte Option ist der Export von Strom, was jedoch die Stromnetze der Nachbarländer belastet und deren Strompreise beeinflusst. Keine der beiden Optionen ist sonderlich hilfreich, wenn es darum geht, Klimaziele nachhaltig zu erreichen.

Stromspeicher können Abregelung sowie Stromexport überflüssig machen, da der überschüssige Strom so einfach für späteren Bedarf gespeichert werden könnte.

Allein in Deutschland wurden in 2017 5,5 TWh Strom aus erneuerbaren Quellen abgeregelt und ungefähr 77 TWh exportiert. Um ein Beispiel und ein Gefühl für die Zahlen zu geben: Ein 4-Personen Haushalt in einem Einfamilienhaus verbraucht in etwa 4 bis 5 MWh pro Jahr. Das heißt, mit dem exportierten Strom hätten 15,4 Millionen Haushalte in Deutschland für ein Jahr mit (gratis) Strom versorgt werden können. Stattdessen haben wir den Strom zu überwiegend negativen Preisen exportiert. Anders gesagt: Wir haben andere dafür bezahlt, dass sie unseren Strom abnehmen, während gleichzeitig Haushalte immer höhere Strompreise zahlen müssen.

Zudem werden an Tagen mit niedriger Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen Spitzenlastkraftwerke dazugeschaltet. Dies sind Kraftwerke, die nur wenige Tage im Jahr in Nutzung sind und üblicherweise sehr hohe Grenzkosten haben, die in Form von höheren Strompreisen weitergereicht werden. Dazu kommt noch, dass sie normalerweise mit endlichen Ressourcen betrieben werden. In Deutschland wird die Spitzenlast von 82 GW überwiegend von Gas-, Kohle- und Atomkraftwerken gedeckt und zudem oft als Argument gegen einen schnellen Kohleausstieg verwendet. Stromspeicher können den Weg frei machen für Kohleausstieg und Energiewende, indem sie eine nachhaltigere Lösung bieten als diese Spitzenkraftwerke und sie langfristig komplett ersetzen.

Energiespeicher entlasten unser Netz und fördern die Netzstabilität

Aber auch aus Perspektive der Netzbetreiber sind Stromspeicher nötig und äußerst nützlich.

Indem sie die Systemlast zu Spitzenlastzeiten verringern, können sie die Lebensdauer vom Netz verlängern, ohne dabei Strom zu verschwenden.

Zusätzlich helfen sie, eine gleichbleibend hohe Stromqualität zu gewährleisten: Eine Diskrepanz zwischen Angebot und Nachfrage kann negative Auswirkungen auf die Stromqualität haben. Dies kann Instabilitäten im Netz und außerdem möglicherweise Schäden an Endgeräten verursachen. Ein Beispiel, das wahrscheinlich den meisten Deutschen bekannt vorkommt, sind Uhren, die falsch gehen. Diese Uhren nutzen die 50 Hz Frequenz, um die Zeit zu messen. Aufgrund von starken Fluktuationen im Netz kann die Spannung abweichen, was zu einer Fehlfunktion der Uhren führen kann.

Spannungsschwankungen können jedoch leicht behoben werden, wenn die Stromversorgung darauf reagieren kann. Stromspeicher können dafür Lösungen bieten, die wesentlich günstiger sind als die zur Zeit genutzten Optionen.

Zusätzlich können Stromspeicher genutzt werden um die Auswirkungen von verzögerten Investitionen in den Netzausbau abzuschwächen. Deutschland hat vor, sein Stromnetz um 7700 km auszubauen. Davon sind bis jetzt 1050 km gebaut, weniger als 14%. Die erforderlichen Investitionen betragen geschätzt 50 Milliarden Euro. In 2018 wurden 150 km neu gebaut, was einfach zu wenig ist.

In Kombination mit dem steigenden Strombedarf führt dies zu Engpässen in der Versorgung mancher Gebiete. Das ist nicht nur schlecht für die Verlässlichkeit und die Qualität der Stromversorgung, sondern auch für das Netz selbst.

Stromspeicher können also den Weg ebnen für erneuerbare Energien, indem sie die täglichen, wöchentlichen und saisonalen Schwankungen glätten. Sie können Abregelung überflüssig machen und Spitzenlastkraftwerke ersetzen. Zusätzlich können sie die Stabilität und Verlässlichkeit im Netz erhöhen und dessen Lebensdauer verlängern.

Kraftblock, die erste ökonomisch und ökologisch sinnvolle Speicherlösung

Seit Jahren analysieren wir bei Freigeist Capital Stromspeicher und vergleichen die verfügbaren Speicherlösungen. Bis jetzt jedoch waren die verfügbaren Speicher aufgrund ihrer begrenzten Ladezyklen weder besonders langlebig, noch ökologisch nachhaltig. Außerdem sind Speicherlösungen wie Batterien extrem teuer und unter dem Abbau der benötigten Rohstoffe leiden sowohl Umwelt als auch die einheimische Bevölkerung.

In Kraftblock haben wir erstmalig eine Lösung gefunden, die langlebig, ökologisch nachhaltig, ökonomisch sinnvoll und skalierbar ist. Deshalb haben wir investiert.

Kraftblock ist ein modularer, skalierbarer Energiespeicher mit Kapazitäten von 4 MWh bis hin zu 10.000 MWh. Durch seine innovative Technologie ist er wesentlich günstiger als gängige Lithium-Ionen Batterien und sauberer, da er keinerlei Umweltbelastung darstellt: Er besteht zu 85% aus recyceltem Material und im Vergleich zu kritisch verfügbaren Ressourcen, wie Cobalt, zu nahezu 100% aus unbegrenzten Ressourcen. Außerdem ist das Speichermaterial zu 100% recyclebar. Zudem hat er eine praktisch unendliche Lebensdauer und enthält keine giftigen Stoffe. Durch seine sehr günstigen Speicherkosten von 1 – 4 cent/ KWh ist er nicht nur ökologisch und nachhaltig, sondern auch sehr wirtschaftlich.

Das besondere an Kraftblock ist das Speichergranulat, welches extrem hohe Temperaturen bis 1300 Grad auf sehr kleinem Raum speichern kann. Die Speicherdichte ist 3-10 Mal höher als bei vergleichbaren, thermischen Speichern und die hohe Speichertemperatur ermöglicht eine außerordentlich effiziente Rückverstromung. All diese Vorteile machen Kraftblock zu einer extrem günstigen und nachhaltigen Lösung, die den Bedarf an Energiespeichern decken kann, um eine gelungene Energiewende zu ermöglichen.

Ein Übergang zu erneuerbaren Energien ist unausweichlich, wenn wir den Schaden begrenzen wollen, den ein stetig wachsender Stromverbrauch unserer Umwelt und unserem Klima zufügt. Andernfalls werden wir die Effekte der steigenden Treibhausgas-Emissionen in Form des Klimawandels zu spüren bekommen, der uns als Gesellschaft, Wirtschaft und Individuen betreffen wird.

Solar- und Windenergie sind “sauber”, unterliegen aber hohen Schwankungen, weil Sonne und Wind nicht steuerbar sind. Daher brauchen wir Energiespeicher, um mit erneuerbaren Energiequellen eine zuverlässige Stromversorgung zu garantieren. Kraftblock bietet dafür eine ideale Lösung und ist somit ein wichtiger Schritt auf unserem Weg in Richtung einer Zukunft mit einer sowohl nachhaltigen als auch zuverlässigen Energieversorgung.

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