Die Verbindung von Windenergie mit der Speicherung durch die Erzeugung von Wasserstoff (Power to Gas) und die Kopplung von Photovoltaik mit einer Batterie für private Haushalte sind zwei Möglichkeiten, Energieüberschüsse aus erneuerbaren Energiequellen zu speichern. Die vorliegende Studie prüft beide Verfahren der Energiespeicherung auf ihre Rentabilität. Die simulierten Spot Preise für Strom in €/Mwh für die Jahre 2015, 2020 und 2030 wurden zu den Ein- und Ausspeicherungsmengen in der Zeit (MWh) in einer Zielfunktion in Beziehung gesetzt, um die Rentabilität der Ein- und Ausspeicherung zu optimieren. Die Analyse dieser Funktion für das Gasspeichermodell gibt uns Auskunft über die jährlich zu erwartende Rendite und den daraus resultierenden Kapitalwert in den untersuchten Jahren.

Textprobe: Kapitel 4.2.3, Moderne supraleitende magnetische Energiespeicher: Bei supraleitenden magnetischen Energiespeichern (Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES) wird die elektrische Energie im elektromagnetischen Feld einer supraleitenden Spule gespeichert. Der Effekt der Supraleitung beruht auf verschiedenen Materialien bei Unterschreitung einer bestimmten kritischen Temperatur (Sprungtemperatur) und dem Verlust ihres elektrischen Widerstandes. Unterhalb dieser Sprungtemperatur leiten sie den elektrischen Strom ohne Verlust. Wird die Sprungtemperatur überschritten, so führt dies zu einer Erwärmung des Leiters und damit zu Energieverlusten. Strom kann daher lange (theoretisch unbegrenzt) in einem supraleitenden Schaltkreis ohne äußere Energiezufuhr existieren. Eine supraleitende Spule, ein kryogenes System zur Kühlung der Spule und ein Wechselrichter bilden den supraleitenden magnetischen Energiespeicher. Der Wechselrichter wandelt den eingehenden Wechselstrom (elektrische Energie) in Gleichstrom um, welcher dann durch die supraleitende Spule fließt und ein Magnetfeld aufbaut (welches die zu speichernde Energie enthält). Bei Stromunterbrechung nach abgeschlossenem Ladevorgang kann der das Magnetfeld erzeugende Strom prinzipiell verlustlos in den auf diese Weise hergestellten Stromkreis fließen. Der Gleichstrom wird beim Entladen wieder in Wechselstrom umgewandelt und in das angeschlossene Stromnetz eingespeist. Eilentladungen sind möglich. Das nahezu verlustfreie Speicherprinzip ist ein wesentlicher Vorteil von supraleitenden magnetischen Energiespeichern. Wirkungsgrade von 90 bis 95 % werden dadurch erreicht. Die extrem kurzen Zugriffszeiten, die im Millisekunden Bereich liegen, sind ebenfalls von Vorteil. Eine hohe Tiefentladung, das heißt, der gespeicherte Energieinhalt kann nahezu vollständig entnommen werden, ist eine Besonderheit der SMES. Je nach Energieinhalt und konkreter Systemauslegung kann die gespeicherte Energie innerhalb von 1 bis 20 Sekunden abgegeben werden. Wenn hohe Leistungen in einem relativ kurzen Zeitraum benötigt werden sind, SMES für diese Anwendung besonders geeignet. Werden SMES als Kurzzeitspeicher verwendet, lassen sich Leistungsdichten von 1 bis 10 kW/kg erzielen. Abnutzungsverluste bei dieser Technologie sind gering und die Zuverlässigkeit dieser Systeme ist hoch, weil keine beweglichen Teile, neben elektrochemischen Kondensatoren, die die einzigen Energiespeicher sind, benötigt werden. Im Allgemeinen wird die Lebensdauer von SMES-Systemen mit rund 30 Jahren veranschlagt. Der gesamte Stromkreis (Spule, Schalter, Leitungen) muss ständig auf einer Temperatur unterhalb der sogenannten Sprungtemperatur gehalten werden um die supraleitende Eigenschaft der Spule zu gewährleisten. Diese Temperatur ist materialspezifisch und liegt bei Tieftemperatursupraleitern unterhalb von 20 Grad Kelvin. Man geht davon aus, dass in die gesamte Energiebilanz dieser Speicher auch die für die Kühlung des Supraleiters benötigte Energie einzubeziehen ist. Im Standbybetrieb sind die Verluste am höchsten. Damit die supraleitenden Eigenschaften dieser Materialien gewährleistet werden, werden diese mit flüssigem Helium gekühlt. Diese Kühlung ist aufwendig und relativ teuer und bereits technisch ausgereift. Die oben angegebenen Wirkungsgrade lassen sich nur bei einer Nutzung als Kurzzeitspeicher erzielen. Im Vergleich zu anderen Speichertechnologien weisen SMES aufgrund der hohen benötigten Kühlleistung eine hohe Selbstendladungsrate von etwa 10 bis 20 % auf. Bei der Entwicklung in diesem Bereich ist in der Zukunft zu erwarten, dass bei der Realisierung von SMES kurz- und auch mittelfristig im Wesentlichen Tieftemperatursupraleiter mit Heliumkühlung zum Einsatz kommen werden. Die kostenseitige Entwicklung wird den Ausschlag geben, inwiefern sich Hochtemperatursupraleiter mit Stickstoffkühlung auf breiter Basis durchsetzen werden. Der Einsatz dieser Technologien in Großanlagen zum Tag/Nacht-Lastausgleich ist nach heutigen Kostenanalysen nicht wirtschaftlich realisierbar. Mittelspeicher mit einer Speicherkapazität im Bereich um 10 MJ mit einem Leistungsvermögen von 10 bis 100 MW können als Wirkleistungs-Sekunden Reserve für große Regelkraftwerke als eine Anwendungsmöglichkeit realisierbar sein. Kleinere SMES-Systeme werden für die Stabilisierung von elektrischen Versorgungsnetzen durch Reduktion beziehungsweise Beseitigung von Netzschwankungen im Sekundenbereich (Sekundenreserve) sowie der Sicherstellung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung angewendet. Die Glättung von Leistungskurven von Photovoltaik- und Windkraftanlagen wird ebenfalls mit dieser Technologie vorgenommen. Mobile SMES-Systeme zur Netzstabilisierung als Sekundenreserve sind eine weitere Einsatzmöglichkeit.

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