Hintergrund:

  | Verbundnetz | Netzsteuerung  | virtuelles Kraftwerk | Kombi-Kraftwerk |
| Stromspeicherung | Wasserstoffwirtschaft |

Überblick:
 
Der Begriff "Energiewende" und seine übergreifenden Aspekte werden auf der
Überblicksseite zur Energiewende behandelt. Dort befindet sich auch der Servicebereich (Presseartikel; Daten/Statistiken; Dokumente, Links).
 
Die Umsetzung der Energiewende speziell im Strom-Bereich beruht - wie auch bei der übergreifenden Energiewende - auf drei Säulen, die jeweils in Extraseiten ausführlich dargestellt werden:
 1. Steigerung der Energieeffizienz
 2. Verstärktes Energiesparen
 3. Ausbau der Erneuerbaren Energien 
 

Die Einspar-Potenziale beim Strom sind enorm und werden ausführlich in den Seiten zur Energieeffizienz und zum Energiesparen dargestellt.  Der Schwerpunkt soll im  Folgenden auf dem Ausbau der Stromnetze, der intelligenten Steuerung und Vernetzung von dezentraler Energieerzeugung sowie der Energiespeicherung liegen, die um so wichtiger werden, je umfangreicher das schwankende Aufkommen des Ökostroms wird.
   

Stromverbundnetz (Super-Grid):
Da in vielen Regionen, auch in Deutschland, die Windenergie ein schnell wachsendes Gewicht im Spektrum der erneuerbaren Energien einnimmt ^[1], bereitet die oft stark schwankende Windstrommenge wachsende Probleme. Zur Lösung werden vor allem große Verbundsysteme mit HGÜ-Stromtrassen (Supergrid) vorgeschlagen, in denen verschiedenartige erneuerbare Energieaufkommen (Wasserkraft aus Skandinavien, Geothermie-Strom aus Island, Wind- und Biogas-Strom aus verschiedenen Regionen, Solarstrom aus Nordafrika und dem Nahen Osten) kombiniert werden und dadurch im Durchschnitt ein gleichmäßigeres Stromangebot erzielt wird. Die Vernetzung mit Skandinavien, vor allem Norwegen, stellt zusätzlich gewaltige Kapazitäten zur Stromspeicherung bereit ^{[2] [3]} .

Hintergrund: Szenarien zur zukünftigen Stromversorgung 
    

Intelligente Netz-Steuerung  (Smart-Grid,   Smart Metering )
Neben der Verstetigung des Stromangebots durch große Verbundsysteme kann zusätzlich auf der Nachfrageseite der Stromverbrauch an das schwankende Stromangebot angepasst werden. Dazu werden Stromverbraucher wie z.B. Wasch- und Spülmaschinen oder auch künftige Elektroautos in den Haushalten von einer Energiemanagement-Zentrale ferngesteuert. In Zeiten hohen Stromangebots werden sie eingeschaltet, in Phasen von Stromknappheit bleiben sie abgeschaltet ^[4].
Die Anpassung des Stromverbrauchs an das Stromangebot kann noch dadurch verstärkt werden, dass der Strompreis in Abhängigkeit vom Stromangebot variiert: Bei hohem Stromangebot und entsprechend niedrigem Preis werden die Geräte verstärkt genutzt, bei knappem Angebot und hohem Preis bleiben sie nach Möglichkeit ganz ausgeschaltet ^[5].

Großansicht [BINE]

Virtuelles Kraftwerk:
Viele kleine dezentrale Kleinstkraftwerke, z.B. künftige Mini-BHKW in Haushalten, könnten über das oben beschriebene intelligente Stromnetz so gesteuert werden, dass sie in ihrer Gesamtheit wie ein Großkraftwerk wirken, das deshalb als "virtuelles Kraftwerk" bezeichnet wird ^[7]. Der Ökostrom-Anbieter Lichblick will in Kooperation mit VW solch ein virtuelles Kraftwerk erstmals in Deutschland in großem Maßstab ab 2010 realisieren: 100.000 Mini-BHKW auf Basis von Gasmotoren können innerhalb 1 Minute hochgefahren werden und eine hochflexible Gesamtleistung von bis zu 2000 MW bereitstellen (sog. "Schwarmstrom") ^[12].
Auch eine Vielzahl von Akkus in künftigen Elektroautos könnten über das intelligente Stromnetz kurzzeitig als virtuelles Kraftwerk zur Abdeckung von Lastspitzen genutzt werden. Umgekehrt könnten die Akkus bei Stromüberschuss verstärkt aufgeladen werden und so als zusätzlicher Stromspeicher dienen.
  

Stromspeicherung:
Viele Energieexperten vermuten, dass die oben dargestellten Maßnahmen alleine nicht ausreichen werden, um das volatile Wind- und Solarstrom-Aufkommen zu kompensieren. Sie halten eine starke Ausweitung großvolumiger Stromspeicherung für zwingend. Die ZEIT-Grafik stellt zwar insgesamt 9 verschiedene Varianten der Stromspeicherung (Pumpspeicher, Druckluftspeicher, Schwungrad, Akku, Brennstoffzelle, Flow-Batterie, Doppelschichtkondensator, supraleitende Spule, intelligentes Stromnetz) vor: Alle Varianten der Stromspeicherung, bis auf die Pump- und Druckluftspeicherung, sind bisher jedoch im Großmaßstab noch nicht verfügbar oder zu ineffektiv bzw. zu teuer oder noch in Forschung und Entwicklung.
  
Nach aktuellem Stand am geeignetsten sind Pump-, Hub- und Druckluft-Speicherung sowie die großräumige "intelligente" Vernetzung und Steuerung von Stromerzeugern- und verbrauchern, die im Folgenden näher dargestellt werden.
   

Bei einem Pumpspeicherkraftwerk wird in Phasen überschüssigen Stroms Wasser aus einem See oder Auffangbecken in ein höher liegendes Speicherbecken gepumpt. Dabei wird elektrische Energie (Strom) in potentielle Energie umgewandelt und gespeichert. In Phasen von Strommangel lässt man das Wasser aus dem Speicherbecken durch Rohre wieder nach unten in den See abfließen, wobei es eine Turbine mit angekoppelten Generator antreibt. Auf diese Weise wird die potentielle Energie wieder zurück in Strom verwandelt. Bei dieser Art der Stromspeicherung wird ein hoher Wirkungsgrad von bis zu 80 % erzielt. Um 1000 kWh zu speichern, müssen z.B. 1000 m³ Wasser um 367 m hochgepumpt werden ^[15] .

Koepchenwerk

Großansicht [Wiki]

Daten zur Pumpspeicherung in Deutschland: 
Leistung (GW) | Strommenge(GWh)
- alle 32 Pumpspeicherwerke zusammen: 6,7 | 40:
- geplantes Pumpspeicherwerk Atdorf (Scharzwald): 1,4 | 14,7
- bisher größtes Pumpspeicherwerk Goldisthal: 1,06 | 8,5 
- größtes Pumpspeicherwerk in NRW: Koepchenwerk :  0,153 | 0,59 ^[9]
    
Da die überschüssige Windenergie künftig vor allem aus den Off-Shore-Windparks in der Nord- und Ostsee kommen wird, mögliche Standorte für neue Pumpspeicherwerke aber mindestens einige 100 km entfernt in den Mittelgebirgen liegen, müssen neue HGÜ-Stromtrassen gebaut werden, um den Strom dorthin zu transportieren, wo die großen Stromverbraucher bzw. Stromspeicher sind.   
Die Stromspeicherkapazität aller bisherigen Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland beträgt nur rund 7 GW und 40 GWh. Bei der Energie wäre die ca. 500-fache Kapazität (20.000 GWh), bei der Leistung das 10-fache (70 GW) erforderlich ^[16]. d.h. es müssten zahlreiche weitere Speicherkraftwerke gebaut werden. Die heimische konventionelle* Ausbaukapazität für Pumspeicherung ist vergleichsweise klein, z.B. sind Standorte für neue Speicherbecken rar und meist in der Bevölkerung hoch umstritten (s. Atdorf).
Unkonventionelle großvolumige Speicherkraft (im Folgenden u.a. Ringwallspeicher, Hubspeicher) ist bisher noch im Stadium von durchgerechneten Skizzen, eine konkrete Projektplanung oder gar -durchführung ist derzeit nicht abzusehen. Unklar ist bisher auch, ob ggf. eine Vielzahl von dezentralen kleineren Pump- und Hubspeichern (z.B. in ausgedienten Bergwerken) hinreichend wirtschaftlich betrieben werden können und welchen Beitrag sie in der Summe werden leisten können.
* Ausnutzung natürlicher Höhenunterschieden zwischen Berg und Tal
   

Unkonventionelle Speicherkraft:
Denkbar sind Pumpspeicherkraftwerke im Flachland durch Schaffung von künstlichem Höhenunterschied, z.B. ein Ringwallspeicher, bei dem ein großvolumiger Ring (Unterbecken) ausgehoben und der Aushub in der Mitte zu einem Wall aufgehäuft wird, der ein höherliegendes Speicherbecken (Oberbecken) umschließt. Bei einem Ringdurchmesser von z.B. 11,4 km und einer Höhendifferenz von 200 m kann eine Leistung von 2 GW 14 Tage lang bereitgestellt werden, d.h. 2 Wochen lang kann solch ein Ringwallspeicher die Leistung von 2 Großkraftwerken (à 1000 MW) ersetzen. Sein Speichervolumen (2 GW•14•24 h = 672 GWh) ist fast 17 mal so groß wie die Summe aller bishergien Pumpspeicherkapazitäten in Deutschland (40 GWh). Eine Verdopplung der Dimensionen (2-facher Durchmesser und 2-fache Höhe) liefert eine 2⁴ = 16-fache Kapazität.
  

Hubspeicherung
mit Granitkolben

Radius: 500 m
Höhe: 500 m.
Hub: 500 m
Kapazität: 1,7 TWh

Bei Hubspeicherkraftwerken werden - statt Wasser - feste große Massen (z.B. tonnenschwere Beton-/Gesteinsblöcke oder sogar gigantische Felszylinder) mechanisch oder hydraulisch auf ein höheres Niveau angehoben, wodurch elektrische Energie (Strom) in potenzielle Energie umgewandelt wird. Das Anheben kann vertikal (z.B. Förderschacht im Bergwerk) oder auch schräg (z.B. Zahnradbahn) erfolgen. Umgekehrt kann durch Absenken der Masse die potenzielle Energie wieder in Strom rückgewandelt werden. Energieeffiziente Formen der Hubspeicherung erreichen Wirkungsgrade bis 90 % und haben gleichzeitig einen hohen Grad ökologischer Verträglichkeit, weil keine umweltproblematischen Stoffe oder knappe Rohstoffe gebraucht werden und auch bereits existierende Infrastruktur wie ausgediente Bergwerke, Steinbrüche oder Industriebrachen an vielen Orten dezentral zur Verfügung stehen. Obwohl die physikalisch-technischen Grundlagen der Hubspeicherung denkbar einfach sind und im kleinen Maßstab seit Jahren in Anlagen unterschiedlichster Art verwendet werden, befindet sich die großvolumige Hubspeicherung noch im Experimentierstadium, da angesichts der in der Vergangenheit ausreichenden Pumpspeicher-Kapazitäten keine Motivation bestand, Hubspeicherung im Großmaßstab ebenfalls zu erforschen und zu nutzen.

Energiedichte:
2,725 Wh/tm

Ein Problem ist die Energiedichte von nur 2,725 Wh/tm: Wird eine Masse von z.B. 1000 Tonnen (t) um 100 Meter (m) angehoben, wird eine Energie von 272,5 kWh gespeichert (s. Berechnung). Um 1000 kWh (= 1 MWh) zu speichern, müssten z.B. 1000 Tonnen um 367 m angehoben werden, bei 1000 MWh (= 1 GWh) müssten 1.000.000 t (=1 Mt) um 367 m angehoben werden. Um z.B. den durchschnittlichen täglichen Stromverbrauch in Deutschland von ca.1700 GWh zu speichern, müsste z.B. ein gigantischer Granitzylinder (Radius 500 m, Höhe 500 m) um 500 m angehoben werden.
Zum Vergleich: Goldisthal, das bisher größte Pumpspeicherkraftwerk in Deutschland, hat eine Speicherkapazität von 8,5 GWh. die gesamte Pumpspeicherkapazität in Deutschland beträgt rund 40 GWh , das ist der durchschnittliche Stro
(Stand: 1.1.12)
    

Druckluftspeicherwerk

Daten/Großansicht

Bei einem Druckluftspeicherkraftwerk wird mittels elektrisch angetriebenem Kopmpressor der Luftdruck in einem großvolumigen druckdichten Gefäß erhöht. Die so erzeugte Druckluft speichert die elektrische Energie in Form von erhöhtem Druckpotentiial. Die Druckluft kann in Strom zurück gewandelt werden, indem sie eine Turbine mit Generator antreibt. Druckluftspeicherkraftwerke haben nur einen Wirkungsgrad von rund 40 %. Er kann etwas gesteigert werden, falls die Abwärme, die beim Komprimieren der Luft entsteht, ebenfalls gepuffert und beim Dekomprimieren wieder genutzt wird (adiabates Druckluftspeicherwerk). Rentabel ist die zusätzliche Abwärmepufferung jedoch allenfalls über wenige Stunden, weil sonst die erforderliche verbesserte Wärmeisolierung die Kosten unverhältnismäßig steigert.
Druckluftspeicher könnten aber die Kavernen im Salzgestein Norddeutschlands nutzen (z.B. Kraftwerk Huntorf) und dadurch viel näher an den in der Nord- und Ostsee geplanten Off-Shore-Windparks liegen. Allerdings würden die Druckluftspeicher in Norddeutschland immer noch weit entfernt liegen von Standorten vor allem in Süddeutschland, wo viel Strom verbraucht wird, der bisher von Atomkraftwerken bereitgestellt wurde. Sollen Druckluftspeicher in Norddeutschland in nennenswertem Umfang genutzt werden, müssten neue Stromtrassen von Nord- nach Süddeutschland gebaut werden.
 

Ein "virtuelles Kraftwerk" kann ggf. auch als "virtuelles Speicherkraftwerk" genutzt werden, nämlich dann, wenn unter den vernetzten Elementen hinreichend viele Strom nicht nur erzeugen sondern auch speichern können, wie z.B. die Akkus in einer Flotte von Elektroautos. Laut "Nationalem Entwicklungsplan Elektromobiltät" sollen bis zum Jahr 2020 etwa 1 Millionen Elektroautos zum Einsatz kommen. Sie könnten etwa eine Leistung von 2,5 GW bzw. eine Strommenge von rund 10 GWh über einige Stunden puffern ^[10], was allerdings nur etwa 1/8 der schon 2009 festgestellten Windstromspitze und nur rund 6 ‰  des gesamten durchschnittlichen Stromverbrauchs pro Tag in Deutschland entspricht ^[11] .
   

Die Stromspeicherung und Wiedereinspeisung kann aber auch in indirekter Form erfolgen, als vermehrte Kälte oder Wärme:
Bei Stromüberschuss wird z.B. Gefriergut in Kühltruhen oder -häusern mehr als nötig gekühlt, in Zeiten von Strommangel kann die Kühlung dann unterbrochen werden, weil die Temperatur bei sehr guter Isolierung nur langsam ansteigt und erst nach Stunden oder Tagen eine erneute Kühlung notwendig wird. Strom wird also als vermehrte Kälte gespeichert. Statt in Zeiten von Strommangel das Stromangebot zu erhöhen, wie z.B. durch Elektroautos, verringert die abgeschaltete Kühlung die Stromnachfrage und wirkt damit in der Strombilanz wie ein Speicherkraftwerk.
   

Umgekehrt kann Strom auch als vermehrte Wärme gespeichert werden, z.B. bei der Gebäudeheizung/ Warmwasserbereitung, wo als Speicherelement ein großvolumiger Wärmespeicher verwendet wird. Bei Stromüberschuss wird der Wärmespeicher aufgeheizt, z.B. durch eine elektrisch betriebene Wärmepumpe, bei Strommangel wird die Wärmepumpe ausgeschaltet und die Wärme wird dem Wärmespeicher entnommen.
Den gleichen Effekt hat das "Schwarmstrom"-Konzept von Lichtblick: In Zeiten von Strommangel erzeugen eine Vielzahl von gasbetriebenen Mini-BHKW zusätzlich Strom und ihre Abwärme wird in großvolumigen Wassertanks gespeichert. Bei Stromüberschuss bleiben dann die Mini-BHKW ausgeschaltet und die Wärme für das Gebäude wird aus dem Wärmespeicher entnommen.
   

Der Nachteil dieses Speicherprinzips ist, das es im Sommer bei geringem Wärmebedarf nur sehr wenig nutzbare Pufferkapazität bietet: Zwar könnte der Wärmespeicher aufgeheizt werden, aber die gespeicherte Wärme könnte bei ausgestellter Heizung nur zum geringen Teil als Warmwasser genutzt werden. Der größte Teil der gespeicherten Wärme würde trotz guter Isolierung über einige Tage durch die unvermeidbare Abkühlung verloren gehen, ein Effekt, der schon von Sonnenkollektoren bekannt ist: Auch wenn wochenlang keine Wärme abgenommen wird, z.B. weil die Bewohner im Urlaub sind, ist der Wassertank, in dem die  Solarwärme gespeichert wurde, ausgekühlt, wenn vor Rückkehr aus dem Urlaub einige Tage lang schlechtes Wetter war. Erforderlich wäre also ein Langzeit-Wärmespeicher, der die überschüssige Wärme mindestens über einige Wochen bis Monate speichern könnte. Solche Speicher sind aber immer noch zu wenig energieeffizient und zugleich zu teuer, so dass sie bis auf Weiteres für die Energiewende keine nennenswerte Rolle spielen werden.
   

Manche Experten halten die weiträumige Stromvernetzung (Supergrid) über HGÜ und darüber auch die Integration der gewaltigen Stromspeicherkapazitäten in Skandinavien, vor allem in Norwegen, für energieeffizienter und gleichzeitig kostengünstiger als den Ausbau von Stromspeichern in Deutschland.
Ab 2015 soll das neue HGÜ-Kabel "NorGer" Norwegen mit Deutschland mit verbinden (Kapazität: 1,4 GW) ^[14] . Außerdem planen 9 Nordsee-Anrainerstaaten, bis 2020 ein Großverbundnetz (Supergrid) zu installieren, das ihre Ökostrom-Kapazitäten vernetzt. Durch den großflächigen Stromverbund kann das regional und jahreszeitlich schwankende Ökostrom-Aufkommen besser ausgeglichen werden, wobei das enorme Potenzial der Wasserkraft in Norwegen dazu beitragen kann, sowohl kurzfristig Last- bzw. Leistungspitzen auszugleichen als auch langfristig Strom großvolumig zu speichern: Einerseits direkt durch die schon vorhandenen oder noch stark ausbaufähigen Pumpspeicher-Kapazitäten oder indirekt durch flexiblen Lastfolgebetrieb der Wasserkraftwerke, die ihren Strom aus gewaltigen Energiespeichern in Form von Stauseen erzeugen.
   

Wasserstoffwirtschaft

Wasserstoffwirtschaft:
 
Als Alternative zur bisherigen Stromwirtschaft wird von manchen Experten eine Wasserstoffwirtschaft vorgeschlagen, denn viele Probleme, die sich im Rahmen der oben beschriebenen Konzepte ergeben, z.B. das Lastmanagement bei stark fluktuierendem Windstrom vor dem Hintergrund mangelnder Kapazitäten an Stromspeicherung, entfallen in einer Wasserstoffwirtschaft oder lassen sich mit ihr besser lösen. Statt Strom wird Wasserstoff an die Endkunden (z.B. Haushalte, Betriebe, Autos) geliefert und dann dort vor Ort mit Brennstoffzellen nach dem KWK-Prinzip gleichzeitig Strom und Wärme erzeugt. Wird der Wasserstoff aus Biomasse erzeugt und über die bisherige Erdgas-Infrastruktur (Pipelines, Rohrsystem) verteilt, ergibt sich eine deutlich bessere Energie-, Kosten- und Treibhausgasbilanz als im bisherigen System, wo in Kraftwerken meist weit entfernt vom Endverbraucher Strom und Wärme erzeugt wird, wobei der Strom über das Stromnetz an den Endkunden geliefert wird und die Wärme meist nicht oder nur wenig effektiv genutzt werden kann. Auch das Problem der Stromspeicherung kann in einer Wasserstoffwirtschaft weitaus einfacher als in einer Stromwirtschaft gelöst werden: statt Strom wird Wasserstoff gespeichert, wozu die bisherigen Erdgasspeicher oder künftig auch die ausgebeuteten Erdgasfelder genutzt werden können.
Das grundlegende Problem bei diesem Konzept ist allerdings, ob genügend Biomasse nachhaltig gewonnen werden kann. Die bisherige Kontroverse über Biosprit und die Problematik "Tank vs. Teller" zeigen bereits, welche grundlegenden und möglicherweise nicht lösbaren Probleme sich hierbei ergeben.
=> Weitere Informationen:   Energiewende > Wasserstoffwirtschaft