Energiespeicherung

Regenerative Energie ist unter anderem dadurch gekennzeichnet, dass sie unabhängig vom jeweiligen Bedarf verfügbar ist. Das gilt zum einen für PV-Strom, der im Sommer gegenüber dem Winter vermehrt aber nachts überhaupt nicht generiert wird. Wind- und Wasserenergie sind bereits für das Vorhaben ausgeschlossen. Die Erdwärme ist mit konstanten Jahres-Quelltemperaturen verfügbar – es müssen nur die hydraulischen Pumpen für die Grundwasseransaugung laufen. Es ist daher nicht erforderlich, Wärme zu speichern.

Das ist für den Strom jedoch grundsätzlich anders. Hier muss die Volatilität des Dargebots durch Zwischenspeicherung an den Bedarf angepasst werden. Stromspeicher kosten viel Geld. Eine saisonale Speicherung von Strom aus dem Sommer für den Winter ist unbezahlbar. Außerdem sinkt der Wirkungsgrad durch die Speicherverluste über eine so lange Zeit. Bei der Auslegung eines Stromspeichers sollte der Grundsatz: „Ein zu großer Speicher wird im Winter nicht voll und wird im Sommer nicht leer“ berücksichtigt werden.

Ideal ist die Dimensionierung des Stromsspeichers so, dass 50% der durchschnittlich täglich mit der Photovoltaikanlage produzierte Energie oder aber 50% der an einem durchschnittlichen Tag des Jahres verbrauchten Energie gespeichert werden kann, je nachdem welcher der beiden Werte der geringere ist.

Als durchschnittlicher Tag des Jahres gilt der Tag mit der Tag-Nacht-Gleiche (in Mülheim an der Ruhr 20. März bzw. 22. September).

Für die konkrete Auslegung nach der Produktion nimmt man die installierte Peakleistung der Anlage, multipliziert sie mit 750 bis 950 Jahresvolllaststunden (750 gilt für Ost- und Westdächer, 950 für Süddächer) und teilt das Ergebnis durch 365 (Anzahl der Tage eines Jahres). Das ergibt die Energieausbeute eines durchschnittlichen Tages. Bei einer PV-Anlage von 1.000 kW peak in Südrichtung ergibt sich damit maximal 1.300 kWh für den Stromspeicher.

Die Auslegung nach dem Bedarf erfolgt anhand des durchschnittlichen halben Tagesverbrauchs. Bei einer Wohnung mit einem Stromverbrauch von 2.400 kWh im Jahr sind das 3,4 kWh. Bei 400 Wohneinheiten müssten dann maximal 1.370 kWh Stromspeicher zur Verfügung stehen.

Von beiden Werten gilt der kleinere für die Auslegung des Speichers. Mehr macht keinen Sinn.

Für die größtmögliche Autarkie der Wohnanlage sollte die PV Anlage so dimensioniert werden, dass sie am Referenztag den Stromspeicher vollständig aufladen kann.

Bei einer Hochhaushöhe von 60 m könnte man für die Stromspeicherung sogar über ein Pumpspeicherwerk nachdenken. Das eine besonders effiziente Form der Stromspeicherung über mehrere Tage. Allerdings sind die Wassermassen der Oberbecken auf den Dächern aus statischen Gründen nur sehr schwer tolerierbar. Andererseits sind die Flächen ja bereits für die Photovoltaikmodule allokiert. Man könnte beides miteinander verbinden. Es wird jedoch nicht empfohlen, diesen Weg weiter zu verfolgen, da andere Lösungen für den Anwendungsfall günstiger zu sein scheinen.

Bislang wurde das Zauberwort „Wasserstoff“ noch nicht verwendet. Wasserstoff wird häufig neben Windenergie und Photovoltaik wie eine Primärenergie genannt. Das ist jedoch falsch. Wasserstoff kommt wegen seiner Neigung, mit Sauerstoff zu Wasser zu reagieren, in der Natur so gut wie nicht vor und muss unter Einsatz von Energie erzeugt werden. Das kann in einer Chemieanlage aus Methan (CH₄) geschehen. Derartige Reformer arbeiten mit Wasserdampf, der durch die Verbrennung von Methan erzeugt wird. Statt Methan werden die chemisch etwa gleichen Fluide Erd- und Biogas genutzt.

Eine andere Möglichkeit, Wasserstoff zu gewinnen, basiert unter Einsatz elektrischer Energie auf der Elektrolyse. Leider ist der Wirkungsgrad sehr niedrig: 60 – 70% der Energie aus dem Strom geht verloren. Die Rückgewinnung von elektrischer Energie aus Wasserstoff erfolgt in der Brennstoffzelle. Auch hier sind die Wirkungsgrade noch sehr niedrig. Am Ende stellt der Weg zur Energiespeicherung über den Wasserstoff eine Lösung dar, die nur 20% der eingesetzten Energie zurückgibt.

Wasserstoffspeicher sind für den hier beschriebenen Zweck ungeeignet.

Es bleibt, über Batteriespeicher nachzudenken. Diese haben ebenfalls Wirkungsgradverluste bei der Ein- und Ausspeicherung. Darüber hinaus geht während der Speicherzeit ein Teil der Energie verloren. Aber der Gesamtwirkungsgrad liegt bei 85%. Batteriespeicher „leben“ davon, hohe Speicherstandswechsel zu haben. Sie sind im Vergleich zu anderen technischen Möglichkeiten ideal, wenn es um die Speicherung elektrischer Energie für einige Stunden bis hin zu zwei bis drei Tagen geht.

Ein Batteriespeicher ist eine adäquate Ergänzung zur Photovoltaikanlage. Er sollte richtig dimensioniert werden (siehe oben).

Als abschließender Hinweis zur Thematik Speicher bleibt festzustellen, dass die oben dargestellten Überlegungen nicht das Ziel haben, einen BlackOut zu überbrücken. Sie dienen so wie beschrieben lediglich dem Ziel, die Photovoltaikausbeute des Tages an den Tagen, an denen der 24-Stunden-Verbauch unter der Ausbeute liegt, für die nachfolgende Nacht verfügbar zu halten. Damit muss für den Winter anderweitig vorgesorgt werden und dies kann über virtuelle Speicher im Netz geschehen.