Strom und Wärme haltbar machen

Wenn die Schweiz in Zukunft verst?rkt auf Fotovoltaik setzt, gibt es im Sommer am Mittag mehr Strom als ben?tigt. Deshalb braucht es kurzfristige Speicher, um den mitt?glichen Sonnenstrom Tag und Nacht verf¨¹gbar zu machen. ?In der Schweiz ist aber die Langzeitspeicherung die grosse Herausforderung?, h?lt Hug fest.

Bereits heute produzieren wir im Winter zu wenig Strom und decken die erh?hte Nachfrage durch Importe ab. Dieses saisonale Ungleichgewicht wird durch die Energiewende weiter verst?rkt. Gianfranco Guidati, Experte f¨¹r die Modellierung von Energiesystemen am ESC, erkl?rt: ?Vor allem die Fotovoltaik generiert im Sommer ?bersch¨¹sse; im Winter, wenn die Sonne schw?chelt und W?rmepumpen H?user heizen, droht beim Strom eine Erzeugungsl¨¹cke.?

F¨¹r die Schweiz stellt sich damit die zentrale Frage: Wie l?sst sich ¨¹bersch¨¹ssige Sonnenenergie vom Sommer in den Winter umlagern? Fest steht: Der Bedarf an Speichern w?chst. F¨¹r Hug braucht es Investitionen sowohl in etablierte als auch in k¨¹nftige Speichertechnologien. ?Denn eine Patent-Speicherl?sung gibt es bislang nicht.?

Speicher sollen aber kein Selbstzweck sein, erg?nzt Guidati. ?Das Ziel der Schweiz lautet netto null Treibhausgase bis 2050 ¨C und Speicher sind ein wichtiges, aber nicht das einzige Mittel dazu.? Deshalb sollten wir neben physischen Kapazit?ten auch indirekte Methoden der Energiespeicherung nutzen. ?Wir brauchen ein Potpourri an unterschiedlichen Ans?tzen?, sagt der Systemmodellierer. Welche Ans?tze das sein k?nnen, zeigt folgender ?berblick:

Flusskraftwerk und Pumpspeicher

F¨¹r Robert Boes, ETH-Professor f¨¹r Wasserbau, ist die Wasserkraft das R¨¹ckgrat des Schweizer Elektrizit?tssystems: ?Mit einem Anteil von rund 60 Prozent ist sie unsere bedeutendste erneuerbare Stromquelle und birgt zentrale Speicherfunktionen f¨¹r die Energiewende.?

Flusskraftwerke turbinieren zufliessendes Wasser direkt und liefern erneuerbare Bandenergie, um die Grundlast zu decken, haben jedoch keine Speicherfunktion. Speicherkraftwerke hingegen besitzen einen Stausee, der sie flexibel macht. Die grossen Speicherseen in den Alpen dienen prim?r als saisonale Energiespeicher: ?Sie sammeln im Fr¨¹hling und im Sommer Regen- und Schmelzwasser, um im Winter daraus Strom zu produzieren?, erkl?rt Boes. Allerdings k?nnen die grossen Seen den Strom nicht speichern.

Das k?nnen nur Pumpspeicherwerke: Sie pumpen Wasser von einem unteren Becken in einen Stausee hoch. Wird Strom ben?tigt, entleeren sie den Speicher ¨¹ber die Turbinen. Aktuell sind Pumpspeicher die einzige erprobte Technologie, die kurzfristig viel Strom aufnehmen und wieder abgeben kann. Als leistungsstarke und flexible Stromspeicher eignen sie sich perfekt, um Tages- und Tag-Nacht-Schwankungen der Fotovoltaik auszugleichen. Ihr Speichervolumen ist aber meist zu gering, um Strom im grossen Stil saisonal umzulagern.

Mehr und gr?ssere Speicherseen k?nnten hingegen helfen, die Winterstroml¨¹cke zu schliessen. Doch der Ausbau ist umstritten. Projekte kollidieren oft mit dem Naturschutz und wecken Widerstand. ?Das Potenzial ist beschr?nkt?, best?tigt Boes. ?Die Wasserkraft ist zwar technisch ausgereift und sehr effizient. Umweltaspekte, wie beispielsweise ausreichend Restwasser, wurden fr¨¹her aber weniger stark gewichtet?, sagt Boes.

An der Versuchsanstalt f¨¹r Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW) der ETH Z¨¹rich suchen Forschende deshalb nach L?sungen, um die Wasserkraft ?kologischer zu gestalten. Beispiele sind optimierte Umleitstollen, durch die Sedimente weitertransportiert werden, oder Leitrechen, die Fische sicher an Speichereinl?ufen und Turbinen vorbei lenken. ?Will die Wasserkraft mehr Akzeptanz, muss sie die Biodiversit?t schonen?, betont Boes.

Dezentrale Kleinspeicher

Aus Netzsicht sind Batterien kleine Pumpspeicher im Verteilnetz: Wenn k¨¹nftig immer mehr kleine Fotovoltaikanlagen auf Hausd?chern Strom dezentral erzeugen, braucht es verteilte Kleinspeicher, welche die Produktion lokal puffern. ?hnlich wie Pumpspeicher dienen Batterien dem schnellen Leistungsausgleich. ?Weil man die Kapazit?t der Batterien einfach auf den Bedarf der Anwendung abstimmen kann, eignen sie sich gut als dezentrale Stromspeicher in Geb?uden?, sagt ETH-Professorin Vanessa Wood.

In Kombination mit Fotovoltaikanlagen k?nnen die Batterien ¨¹bersch¨¹ssigen Strom lokal f¨¹r wenige Minuten bis Stunden zwischenspeichern und so das Netz entlasten. W¨¹rde s?mtlicher Sonnenstrom zu Spitzenzeiten aus den Siedlungsgebieten zu den paar wenigen Pumpspeicherkraftwerken in den Bergen transportiert, k?nnte es zu Netzengp?ssen kommen.

Der Markt f¨¹r Batterieanwendungen in Fahrzeugen und Haushalten entwickelt sich rasant. Bereits gibt es erste Grossbatterien f¨¹r Quartiere, um kurzfristige Fluktuationen auszugleichen. ?Wichtig ist nun, Batterien noch effizienter zu machen, damit sie w?hrend ihrer Lebensdauer mehr Zyklen von Ladung und Entladung durchlaufen k?nnen?, sagt Wood, die selbst an neuartigen Batteriekonzepten forscht. ?Gleichzeitig m¨¹ssen wir auch Ersatzmaterialien finden f¨¹r problematische Batterierohstoffe sowie Methoden entwickeln, um Batterien g¨¹nstig und mit wenig Energie rezyklieren zu k?nnen?, sagt sie. Daran wird weltweit geforscht.

In einem idealen Energiesystem liesse sich der erh?hte Strombedarf f¨¹rs Heizen im Winter direkt mit ¨¹bersch¨¹ssigem Solarstrom vom Sommer decken. Noch ist es aber nicht rentabel, grosse Strommengen ¨¹ber mehrere Monate zu speichern. Eine M?glichkeit, die Sommersonne dennoch f¨¹r den Winter nutzbar zu machen, sind W?rmespeicher. ?Die Technik ist verf¨¹gbar, wirtschaftlich und in L?ndern wie D?nemark bereits etabliert?, sagt Gianfranco Guidati. In der Schweiz werden W?rmespeicher aber noch wenig diskutiert.

Saisonale W?rmespeicher nehmen im Sommer W?rme auf und geben sie im Winter wieder ab. Dazu sind grosse W?rmereservoirs notwendig ¨C Becken, Tanks oder wasserf¨¹hrende Schichten im Untergrund. Sie speichern erw?rmtes Wasser, das im Sommer mit W?rmepumpen und ¨¹bersch¨¹ssigem Solarstrom aufgeheizt wird.

Durch die Verlagerung der W?rmeproduktion in den Sommer senken W?rmespeicher den Strombedarf im Winter und helfen, die Stroml¨¹cke zu vermeiden. Guidati geht davon aus, dass W?rmespeicher in Zukunft f¨¹r die Schweiz eine wichtige Rolle spielen werden.

Speicherf?hige Energietr?ger 

Es gibt auf absehbare Zeit nur eine M?glichkeit, um Strom unbegrenzt haltbar zu machen: ?Wenn wir dereinst im Sommer s?mtliche kurzfristigen Speicheroptionen ausgesch?pft haben und immer noch ¨¹bersch¨¹ssiger Strom vorhanden ist, dann k?nnten wir eine Umwandlung in speicherf?hige Energietr?ger in Betracht ziehen?, betont Guidati. Damit spricht er den viel diskutierten Wasserstoff an.

Bei der Elektrolyse wird Wasser mit Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Den Wasserstoff k?nnte man in geeigneten Speichern lagern und im Winter mit einer Gasturbine oder einer Brennstoffzelle wieder zu Strom und W?rme umwandeln. Alternativ l?sst sich aus Wasserstoff und zuvor abgeschiedenem CO₂ synthetisches Methan herstellen. Dieses besitzt eine h?here Energiedichte und hat den Vorteil, dass man es ins bestehende Erdgasnetz einspeisen kann. Schliesslich gewinnt man in einem weiteren Schritt CO₂-neutrale Fl¨¹ssigtreibstoffe f¨¹r die Luftfahrt oder f¨¹r Schiffe.

?All diese Verfahren sind heute aber noch nicht etabliert und h?ufig auch noch nicht rentabel?, sagt Gabriela Hug. Synthetische Gase k?nnten zwar als Langzeitspeicher f¨¹r Sommersolarstrom dienen ¨C doch die R¨¹ckwandlung in Strom und W?rme ist meist ineffizient. ?Aus Effizienzgr¨¹nden sollte man Strom¨¹bersch¨¹sse daher wenn immer m?glich direkt nutzen, etwa f¨¹r die Elektromobilit?t?, argumentiert Hug. Dennoch erachtet sie synthetische Treibstoffe als bedeutend f¨¹r Anwendungen, die schlecht elektrifiziert werden k?nnen, und in Zukunft m?glicherweise auch als Langzeitspeicher.

Hub- und Druckluftspeicher

Bei den kurzfristigen Stromspeichern gibt es Alternativen zu Pumpspeicherwerk und Batterie. Hubspeicherkraftwerke nutzen wie Pumpspeicher die Lageenergie, arbeiten jedoch anstelle von Wasser mit Gewichten als Speichermedium, die etwa mit Kranen in die H?he gezogen werden.

Etwas weniger effizient sind Druckluftspeicher: Sie pumpen Luft in einen Speicher und erzeugen Druckluft, mit der eine Gasturbine bei Bedarf rasch Regelstrom f¨¹r den Netzausgleich generieren kann. Beim Komprimieren entsteht allerdings auch W?rme, die am besten gespeichert und beim Entladen wieder zur Verf¨¹gung gestellt wird.

Effizienter, aber auch teurer sind Schwungr?der: Bez¨¹glich Kapazit?t drehen sie eher in der Liga von Batterien, speichern den Strom jedoch in Form von Bewegungsenergie und nur f¨¹r Sekunden bis wenige Minuten, dies ebenfalls, um Netze zu stabilisieren.

Schlaue Energienetze

Was alle Forschenden betonen: Neben physischen Speichern gibt es weitere Ans?tze, die indirekt wie Speicher wirken und das System flexibler machen. So k?nnten digitalisierte und automatisierte Stromnetze Produktion und Verbrauch in Echtzeit ¨¹berwachen und verf¨¹gbare Ressourcen optimal einsetzen. ?Dank intelligenter Steuerung wird es k¨¹nftig m?glich sein, Energienetze n?her an der maximalen Auslastung zu betreiben?, erkl?rt Stromnetzexpertin Hug. Gelingt dies, wird das System effizienter und der Bedarf an Reserven sinkt.

Auch die Nachfrage muss flexibler werden, um den Strom m?glichst dann zu beziehen, wenn er anf?llt. Intelligentes Lastenmanagement kann dabei helfen, den Speicherbedarf zu senken. Gianfranco Guidati nennt als Beispiel die Elektromobilit?t: ?E-Mobile sind fahrende Batterien, die tags¨¹ber die Fotovoltaikspitzen aufnehmen k?nnten.? Also braucht es Ladestationen dort, wo die Fahrzeuge tags¨¹ber sind: am Arbeitsort, in Parkh?usern und auf zentrumsnahen Parkpl?tzen.

Importierte Energie

Das ESC geht davon aus, dass f¨¹r die Schweiz auch ein Ausbau der Stromproduktion im Winter notwendig wird. Dazu kommen Reserven f¨¹r die Wasserkraft, aber auch Investitionen in alpine Fotovoltaik, Geothermie oder Gaskraftwerke f¨¹r Bio- oder Synthesegas infrage. Eine autarke Stromproduktion ergibt laut Hug aber keinen Sinn ¨C eine Insell?sung w?re ineffizient und enorm teuer.

Die Schweiz wird also auch in Zukunft nicht gen¨¹gend Strom produzieren, um ihren Bedarf zu decken, und bleibt weiterhin auf Stromimporte angewiesen. ?Unsere Modelle zeigen, dass eine sichere und ?konomische Stromversorgung auch einen funktionierenden Austausch mit den Nachbarl?ndern erfordert?, h?lt Hug fest.

Im Gegensatz zur Schweiz hat Nordeuropa gen¨¹gend Strom im Winter, weil L?nder wie D?nemark stark auf Windkraft setzen, die im Winter Spitzen produziert. So k?nnte die Schweiz im Winter Windstrom importieren und im Sommer Solarstrom ¨¹ber Pumpspeicher als schnelle Regelleistung exportieren.

Und das macht Sinn: Wenn L?nder ihre unterschiedlichen Kapazit?ten ¨¹ber den Stromhandel ausgleichen, profitieren alle davon. Ohne Stromabkommen wird der Austausch mit der EU jedoch schwierig. ?Ein geregelter Zugang zum europ?ischen Strommarkt w?re f¨¹r die Schweiz daher enorm wichtig?, betont die Netzwerkerin.

F¨¹r eine gelungene Energiewende braucht die Schweiz also nicht nur ein umfangreiches Potpourri an technologischen Ans?tzen, sondern auch L?sungen, die von dezentral bis international reichen.