Strom als Erdgas speichern

Energieträger Methan

Erdgas ist ein sehr vertrauter Energieträger, der bisher aus natürlichen Lagerstätten (Aus der Erde, daher Erd-Gas) gewonnen wird. Aufgrund endlicher Lagerstätten und der Problematik, dass die Verbrennung von Erdgas CO2 erzeugt, sollte Erdgas, genaugenommen Methan, in Zukunft anders gewonnen werden. Eine faszinierende Idee ist, Erdgas aus Strom zu erzeugen. Damit hat man scheinbar zwei Probleme auf einmal gelöst, Strom kann in Form von Erdgas gespeichert werden und klimaneutrales Erdgas steht zur Verfügung wenn der Strom aus erneuerbaren Quellen stammt.

Das Erdgas zu Methan Verfahren, immer wenn Pfeile eintreffen, wird Material oder Energie eingespeist, Am Ende entsteht SNG, "Synthetic Natural Gas" also Methan. Für die Stromerzeugung sind weitere Schritte nötig.
Quelle: Specht [1]

Energieverbrauch

Betrachtet man den Erzeugungsprozess genauer, gibt es einige bemerkenswerte Probleme. Zunächst muss als Vorprodukt für Methan Wasserstoff erzeugt werden. Dies erfolgt durch Elektrolyse, ein altbekanntes Verfahren, das allerdings unter realistischen Bedingungen keinen besonders guten Wirkungsgrad hat. Danach wird aus dem Wasserstoff unter Zugabe von CO2, in einem Druckreaktor Methan. Auch dieser Prozess hat nur einen begrenzten Wirkungsgrad, insbesondere muss im Reaktor eine erhebliche Temperatur von über 500 °C herrschen. Dieses gewonnene Methan muss unter Druck gesetzt werden und kann damit in das Erdgasnetz eingespeist werden. Das Erdgasnetz in Deutschland hat aufgrund der enormen Kapazität von Druckkavernen ein sehr hohes Speicherpotential von rechnerisch 130TWh Elektrizität.

Wirkungsgrad

In einem letzten Schritt wird jetzt aus dem Erdgas Strom erzeugt. Dies geschieht am besten mit einer Gasturbine und einem Generator. Unter Einsatz der besten verfügbaren Turbinen (GuD-Kraftwerk) erreicht man einen Gesamtwirkungsgrad von 37% laut Sterner [1, Seite 345]. Es sei angemerkt, dass Sterner als Erfinder des Konzepts in seinem Artikel sicher eine sehr optimistische Abschätzung des Wirkungsgrads angibt.

Technischer Aufwand

Neben den niedrigen Wirkungsgrad muss man den Aufwand für die Erzeugung des Methangases berücksichtigen. In der Kette kommen zwei chemische und eine Anlage zur Stromerzeugung zum Einsatz. Berücksicht man nur die Umwandlung von Wasserstoff zu Methan, die in einer Containerbasierten Anlage mit einer Leistung von 50kW am ZSW realisiert wurde, so ergibt sich, dass man für die Speicherleistung 5 GW bereits 100.000 Container benötigt. Dies entspricht einer Fläche von 20 km². Veranschlagt man pro Container Kosten von 100.000€ so wird allein die Umwandlung in Methan eine Anlage mit 10 Mrd. Euro erfordern. Es ist schwer vorstellbar, dass ein derartiges Konzept im großen Maßstab wirtschaftlich betrieben werden kann. Allerdings könnte in einzelnen Fällen unter speziellen Einspeiseregeln, etwa zur Optimierung der vorhergesagten Leistung einer Windkraftanlage, eine solche Anlage Sinn machen. 

Quellen:

[1] M. SPECHT, u.a.,.ERDÖL ERDGAS KOHLE 126. Jg. 2010, Heft 10

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Speicherstudie der KfW

Die KfW Bankengruppe hat eine kurze aber lesenswerte Studie zum Strom-Speicherproblem in Deutschland herausgebracht. (Download)
Der aktuelle Stand des politisch gewollten Ausbaus der erneuerbaren Energien soll dazu führen, dass bereits 2020 35% des Stromverbrauchs durch erneuerbare Energien gedeckt wird. Im Jahr 2010 lag der Wert noch bei 17%. Das entspricht also einer Verdoppelung innerhalb von zehn Jahren. Danach geht es "gemütlicher" weiter, so soll der Ausbau von 2040 auf 2050 nur noch eine Steigerung um etwa ein Viertel, dann auf 80% Anteil, betragen.
In der Studie wird sehr klar dargestellt, dass ab dem Überschreiten einer gewissen Schwelle der Produktion von erneuerbarer Energie die Nutzung von Speichern zwingend ist, will man nicht den ökologisch erzeugten Strom wegwerfen.
Speichertechnologien
Es werden dann alle auf dem Markt verfügbaren und einige im Labormaßstab vorhandenen Technologien nach ihrer Eignung für die Speicherung von Solar und Windenergie geprüft.
Dabei sollte nach Meinung der Autoren eine gute Speichertechnik folgende Qualitäten mitbringen:

• Hohe Kapazität
• Große Leistung
• Guter Wirkungsgrad
• Geringe Selbstentladung

Von den untersuchten Speichern:

• Pumpspeicher
• Druckluftspeicher
• Wasserstoffspeicher
• Lithium-Ionen Akkus
• Redox-Flow-Batterien

Sind nur die ersten Zwei in der Lage, zumindest einen Wochenausgleich zu liefern. Wasserstoff hat mit 40% einen zu geringen Wirkungsgrad, Lithium Akkus sind viel zu teuer und Redox-Flow-Batterien haben einen sehr hohen Preis für den Konverter, etwa zehnmal teurer als eine Turbine.

Allerdings gibt es ein Problem, in Deutschland ist kein Platz für Pumpspeicher mit großer Kapazität. Der Vorschlag die Speicher in Norwegen zu bauen hat einige Nachteile, insbesondere müssen sehr teure Seekabel verlegt werden. Aber auch die vollständige Abhängigkeit von einem anderen Staat bei der Stromversogung ist bedenklich.

Druckluftspeicher können theoretisch mit 70% Wirkungsgrad arbeiten, allerdings fehlt heute die notwendige Turbinentechnik, die die entsprechenden Temperaturen und Drücke gut verträgt. Ein noch größeres Problem sind riesige, isolierte Hochtemperatur-Wärmespeicher die entsprechende Drücke aushalten. Diese Systeme werden immer sehr teuer bleiben.

Lageenergiespeicher

Leider wurde der Lageenergiespeicher noch nicht in die Betrachtung mit einbezogen. Er erfüllt alle Kriterien sehr gut:

• Hohe Kapazität (1000 GWh)
• Große Leistung (5000 MW)
• Guter Wirkungsgrad (ca. 75%)
• Geringe Selbstentladung (Praktisch null)

Sollte das Forschungsprojekt Lageenergiespeicher, wie geplant, noch in diesem Jahr starten und erfolgreich sein, dann besteht gute Hoffnung, dass das Speicherproblem gelöst wird.