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Vielen Dank
Axel
Die Pläne der Ampelregierung sehen vor, dass Energieüberschüsse in Form von Wasserstoff gespeichert werden sollen. Der Wasserstoff wird später in entsprechenden Gaskraftwerken rückverstromt. Die Frage ist:
Wie viel des mit Hilfe erneuerbarer Energie produzierten Stroms muss in Wasserstoff gespeichert werden, um
- die Tag-Nacht Differenz,
- Sommer-Winter-Differenz,
- Dunkelflauten
auszugleichen?
Zu dieser Frage scheint die Bundesregierung, aber auch sonstige bekannte Institutionen (Agora Energiewende, Frauenhofer Institut, etc.) bisher keine Studie erstellt zu haben. Kannst Du ggf. mit einer Studie oder einem Berechnungsansatz helfen?
Meine Schätzung:
- PV-Energie: Von den 8.760 Stunden des Jahres haben wir in Deutschland im Mittel nur ca. 1.550 Sonnenstunden. Stunden mit Tageslicht können mit ca. 50 % angenommen werden. Der Anteil der zu speichernden Energie aus PV wird also voraussichtlich über 50 % liegen.
- Windenergie: Die installierte Nennleistung aller am 31.12.2022 installierten WKAs betrug 58.106 MW. Wenn diese das ganze Jahr über, also 8.760 Stunden zu 100 % Strom geliefert hätten, wären das 58.106 x 8.760 = 509.008.560 MWh. Tatsächlich weht der Wind natürlich nicht ununterbrochen und gelegentlich müssen WKAs auch einmal gewartet werden, daher waren es „nur“ 123.400.000 MWh, also ca. 24 % der möglichen Nennleistung. Das allein ist aber wenig aussagefähig, da es noch nicht die Schwankung in der Intensität der Windleistung berücksichtigt. Die folgende Grafik macht diese Schwankungen deutlich:
- Die regelmäßige und hohe Schwankung macht deutlich, das voraussichtlich auch bei Windkraft über 50 % der gewonnenen Energie zu speichern ist.
- Glättung durch Angebotsabhängige Nutzung. Teilweise kann die (teure und verlustreiche) Speicherung von Strom vermieden werden, wenn bestimmte Verbraucher nur bei hohem Stromangebot in Betrieb gehen, zum Beispiel Waschmaschinen, Ladung von E-KFZ, Wärmepumpen. Wenn allerdings zum Beispiel im Winter Flaute herrscht, sind diese Maßnahmen keine Option. Der möglich Spareffekt wird voraussichtlich kaum über 15 % liegen.
Das ist ein schönes Beispiel dafür, wie schwierig das mit solchen "Bauch-Schätzungen" ist und wie leicht man da vollkommen daneben liegen kann.
Die Realität ist nämlich (zum Glück!), dass in einem 100%-EE-System der Anteil der direkt genutzten Energie bei ca. 80% liegen wird und der für die saisonale Speicherung per Wasserstoff zu speichernde Anteil in der Größenordnung nur ca. 5-10%.
Die Berechnung dazu kann jeder mit Basis-Excel-Kenntnissen leicht selbst durchführen. Zur Erläuterung des Berechnungswegs füge ich unten nochmal meinen Beitrag aus dem alten Forum hier nochmal an.
Eine Power-to-Gas-Speicherung (mal unabhängig ob als H2 oder CH4) ist aufgrund des schlechten Wirkungsgrads nur für die saisonale Speicherung geeignet, nicht für die Kurzfristspeicherung.
Die benötigte Saison-Speicherkapazität in einem 100% EE-System kann man abschätzen, indem man zunächst Wind und PV mit einem konstanten Faktor soweit hochrechnet, dass damit der Gesamt-Verbrauch in eine bestimmten Jahr zu 100% gedeckt wird. Dann bildet man im Zeitverlauf jeweils die Differenz zwischen Wind+PV-Erzeugung und Verbrauch. Ist die Erzeugung größer als der Verbrauch fließt die Differenzleistung in den Speicher, andernfalls wird sie entnommen. Wenn man diese Differenzleistungen dann über dem Zeitverlauf kumuliert erhält man den Verlauf der Speicherfüllung in dem gewählten Jahr und durch die vorher getätigte Hochrechnung, dass die Gesamt-Erzeugung gleich dem Gesamt-Verbrauch ist, ist auch die Speicherfüllung am Ende des Jahres auch genauso hoch wie am Anfang, man könnte also ein nächstes identisches Jahr daran anhängen.
Wenn man mit dieser Methode z.B. basierend auf den SMARD-Daten (Viertelstunden-Auflösung) die theoretischen Speicherverläufe jeweils einzeln für die Jahre 2015-2023 ermittelt, dann erhält man das Ergebnis, dass die maximal benötigte Saisonspeicherkapazität im Mittel nur ca. 5,5% des Jahresverbauchs betrug (min. 2018 mit 3,5%, max. 2020 mit 7,7%).
Zusätzlich kann man mit diesem Modell auch ermitteln, welcher Anteil des erzeugten Stroms "durch den Speicher ging", indem man z.B. alle positiven Differenzleistungen aufaddiert. Und damit erhölt man dann auch den Anteil, der direkt hätte verbraucht werden können. Dieser Wert liegt über die Jahre 2015-2023 weg auch ziemlich konstant bei im Mittel 76% (min. 2016 mit 73,7%, max. 2019 mit 77,7%).
Klar, das Modell ist insofern vereinfacht, als dass es erstmal nicht-konservativ sämtliche Wirkungsgradverluste beim Ein- und Ausspeichern vernachlässigt, aber für eine Abschätzung der Größenordnungen ist es auf jeden Fall aussagekräftig. Auf der anderen Seite hat das Modell auch konservative Vereinfachungen, als dass z.B. die EE-Erzeugung aus Biomasse und Wasserkraft komplett vernachlässigt wird, oder auch Import und Export. Und zumindest was die Direktnutzung des Stroms anbelangt, ist in einem zukünftigen "100%-EE-System" auch von kurzfristigen Anpassungen des Verbrauchs an die Erzeugung auszugehen, was die prozentuale Direktnutzung eher erhöhen wird.
Es lässt sich aber in jedem Fall festhalten, dass die großen Wirkungsgrad-Verluste und auch recht hohen Kosten bei der Power-to-Gas-Speicherung in der Gesamtbetrachtung nicht so sehr ins Gewicht fallen, da sie nur einen recht kleinen Teil der Gesamtenergie betreffen. Und auch die (kleineren) Wirkungsgradverluste der Kurzfristspeicher betreffen nur rund ein Fünftel der Gesamtenergie, der allergrößte Teil kann direkt genutzt werden, so dass hier keine nennenswerten Wirkungsgradverluste anfallen werden.
Klingt interessant, finde ich aber nur schwer nachvollziehbar. Was meinst Du mit „Wind und PV mit einem konstanten Faktor hochrechnen“? Wenn es so einfach ist, kannst Du Deine Excel Berechnung zur Verfügung stellen?
Der "konstante Faktor" meint schlicht und einfach die Hochrechnung der Wind+PV Erzeugung auf den Verbrauch. Wenn also in einem bestimmten betrachteten Jahr Wind und PV 40% des Verbrauchs geliefert haben, dann habe ich das einfach mit Faktor 2,5 multipliziert um hochgerechnet auf 100% zu kommen. Theoretisch könnte man ja für eine Hochrechnung auf ein 100% EE-System auch Annahmen einbauen, ob mehr Wind oder Solar ausgebaut wird, und soweit ich das sehen kann, arbeiten die professionellen Studien i.d.R. auch mit verschiedenen diesbezüglichen Szenarien, aber das habe ich mir erspart und den einfachen Weg eines simplen Hochrechungsfaktors gewählt.