Durch Stromspeicherung zu einer gesicherten Stromversorgung

 

Physik  |  Technik

 

Florian Frutiger, 2003 | Staufen, AG

 

Bis 2050 soll der gesamte schweizerische Strom aus erneuerbaren Energiequellen stammen. Die Gesellschaft verbraucht zunehmend mehr Strom und mit der Energiestrategie 2050 wird Bandenergie von den abgestellten Gas-, Kohle- und Atomkraftwerken fehlen. Um diese zu ersetzen, müssen neue erneuerbare Energiequellen ausgebaut werden, die Strom aber meistens fluktuierend produzieren. Entweder wird der Stromverbrauch der Produktion zeitlich angepasst und der Verbraucher eingeschränkt, oder Strom wird kurzzeitig sowie saisonal gespeichert. Besser Strom speichern, als ihn im Sommer in Weichenheizungen zu verschwenden. Die Notwendigkeit von Stromspeicherung und deren Vorteile im Versorgungsgebiet der Eniwa AG in Aarau, konnte als eines der Resultate dieser Arbeit bestätigt werden. Ein Wasserstoff-Salzbatterie Quartierspeicher wurde, nach dem Vergleich mit anderen, als die idealste Speichermethode in Aarau festgestellt. Im Anschluss konnte die nötige Speicherkapazität dafür auf mindestens 250 kWh für den Kurzzeitspeicher und 105 MWh für den saisonalen Speicher berechnet werden.

Fragestellung

(I) Ist Stromspeicherung im Versorgungsgebiet der Eniwa AG zukünftig nötig? (II) Wenn ja, welche Stromspeichermethode eignet sich in Aarau am besten? (III) Welche Kapazität müsste dieser Stromspeicher in Aarau haben und wie verändert sich diese Notwendigkeit in der Zukunft?

Methodik

Mithilfe von Netzdaten der Eniwa AG, Interviews, Telefonaten und Mailverkehr wurde festgestellt, dass Stromspeicherung zukünftig nötig sein wird. Vier verschiedene Speichermethoden wurden danach bezüglich deren Wirkungsgrad, Lebensdauer, Platzverbrauch, Kosten und weiteren Faktoren gegeneinander auf ihre Eignung in Aarau evaluiert. Um die Speichermethoden aussagekräftig vergleichen zu können, wurden sie in Abbildungen entsprechend visualisiert. Dafür wurden teilweise eigene Berechnungen angestellt. Eine Fachperson der Eniwa AG lieferte die nötigen Daten und dazu. Aus viertelstündlichen Einspeiseleistungen der letzten drei Jahre wurde schliesslich die Kapazität des Stromspeichers über die Residuallast berechnet und mithilfe von Zielen der Energiestrategie 2050 Annahmen für die Zukunft getroffen.

Ergebnisse

Stromspeicherung wird in Aarau und auch andernorts zukünftig nötig sein, um die Netzstabilität zu sichern. Ein Wasserstoff-Salzbatterie Quartierspeicher erwies sich gegenüber Beton-Block-Speichern oder einem Pumpspeicherkraftwerk über Aarau als wirtschaftlich und technisch am geeignetsten im Versorgungsgebiet der Eniwa. Damit kann Strom kurzzeitig (Tag-Nacht) und saisonal gespeichert werden, der Flatterstrom aus PV-Anlagen kann optimal genutzt werden, der Platzbedarf ist gering und das Stromnetz muss nicht weiter ausgebaut werden. Mit den berechneten 105 MWh (saisonaler Wasserstoffspeicher) bzw. 249 kWh (Salzbatterie für den kurzfristigen Ausgleich) für einen durchschnittlichen Quartierspeicher belauft sich die Investition pro Quartierspeicher auf rund eine Million Franken.

Diskussion

Nicht nur Aarau wird zukünftig mehr Flatterstrom aus neuen erneuerbaren Energien haben, sondern die ganze Schweiz. Stromspeicherung eignet sich überall, um die Problematiken von Flatterstrom zu bekämpfen. Ein Wasserstoff-Salzbatterie Kombispeicher wird nicht in allen Gebieten die geeignete Speichermethode sein, da jedes Versorgungsgebiet anders aufgebaut ist. Wasserstoffspeicher (Power-to-Gas Anlagen) und Salzbatterien sind heutzutage teuer, haben aber zukünftig, etwa durch Massenproduktion, enormes Potential, günstiger zu werden. Allerdings zeigte die Evaluation deutlich, dass sich Beton-Block-Speicher kaum je durchsetzen werden. Da mit gezieltem stromspeichern auch Geld erwirtschaftet werden kann, ist die Amortisationszeit entsprechend kurz und die Speicherung wird lukrativer. Die berechneten Speicherkapazitäten sind eher knapp berechnet. In der Zukunft müssen grössere Speicher vorhanden sein, um die stetig zunehmende Menge an Flatterstrom ausgleichen zu können.

Schlussfolgerungen

Eine durch Stromspeicherung gesicherte Netzstabilität soll hinsichtlich den sich stark vermehrenden Flatterstrom-Quellen angestrebt werden. In Aarau wird Stromspeicherung zukünftig nötig sein. Eine Möglichkeit diesen Prozess zu beschleunigen und die Gefahr eines Blackouts zu minimieren, wäre die Subventionierung von Stromspeichern bei der Installation einer PV-Anlage. Es wäre auch möglich, die Einspeisungs-Unterschiede und damit nötige Speicherkapazität mit einer zeitlich angepassten Nutzung des Stromes deutlich zu verkleinern. Langfristig soll durch Stromspeicherung die Stromversorgung lukrativ und zuverlässig werden.

 

 

Würdigung durch den Experten

Prof. Dr. Russell Mckenna

Die Maturaarbeit von Florian Frutiger beschäftigt sich mit der Problematik der fluktuierenden Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen, dem sogenannten Flatterstrom. In dieser Arbeit führt Herr Frutiger eine detaillierte techno-ökonomische Analyse der möglichen Speicheroptionen im Versorgungsgebiet der Eniwa AG durch. Er analysiert eine Salzbatterie, einen Wasserstoffspeicher, ein Pumpspeicherkraftwerk und einen Beton-Block-Speicher. Mit echten Lastdaten des örtlichen Netzbetreibers werden mögliche zukünftige Erzeugungsprofile von Photovoltaik simuliert. In einem zweiten Schritt werden die vier unterschiedlichen Speichertechnologien für die jährlich im Versorgungsgebiet erzeugte Energiemenge dimensioniert und techno-ökonomisch charakterisiert. In einem dritten Schritt werden diese Technologien miteinander verglichen und schließlich wird anhand diverser Kriterien eine Empfehlung für die am besten geeignete Speichertechnologie gegeben. Die Arbeit stellt somit die Anwendung wissenschaftlich gängiger Methoden zur Technologiebewertung auf eine der wichtigsten energietechnischen Herausforderungen unserer Zeit dar: wie können wir fluktuierende Energiequellen ins Energiesystem integrieren?

Prädikat:

gut

 

 

 

Alte Kantonsschule Aarau
Lehrer: Michael Haueter