Funktionale Stromspeicher

Defintion des Begriffs und Unterscheidung verschiedener Speichertypen

1 Einleitung

Sofern keine Maßnahmen ergriffen werden, wird es durch den steten Ausbau der regenerativen Erzeugungsanlagen häufiger zu Situationen kommen, in denen diese abgeschaltet werden oder konventionelle Kraftwerke ihre Leistung reduzieren müssen, wodurch sich deren Nutzungsgrad verringert. Geeignete Gegenmaßnahmen sind zum einen ein zügiger Netzausbau und zum anderen eine zeitliche Abstimmung von Erzeugung und Verbrauch. Für diese Abstimmung von Erzeugung und Verbrauch stehen prinzipiell herkömmliche Stromspeicher zur Verfügung, aber auch weitere Flexibilisierungsmaßnahmen wie:

  • Demand Response / Demand Side Management in Industrie und Gewerbe-Handel-Dienstleistungen (GHD)
  • Demand Response / Demand Side Management in privaten Haushalten
  • Elektromobilität (Demand Side Management / Vehicle-to-Grid)
  • KWK-Wärmespeicher
  • Power2Heat: z.B. Wärmeproduktion mit elektrischem Heizschwert
  • Power2Gas: z.B. Wasserstoffelektrolyse

Die Gesamtheit der Speicheroptionen kann unter dem Begriff „Funktionale Stromspeicher“ zusammengefasst werden. Eine konsistente Definition des Begriffs liegt zurzeit noch nicht vor. Daher werden im Folgenden verschiedene Typen von Funktionalen Speichern identifiziert und der Vorschlag einer Definition verfasst.

Abb1_Flexibilisierung_Speichertechnologien_600Abbildung 1:  Einordnung von verschiedenen Flexibilisierungsmaßnahmen und Speichertechnologien in das Versorgungsystem

2 Definition Funktionaler Stromspeicher

2.1 Herleitung

Früher folgte die flexible Energieeinspeisung dem weitestgehend unflexiblen Lastgang des Verbrauchs. Mit dem großtechnischen Ausbau der volatilen regenerativen Erzeugung ist heute jedoch eine große Menge unflexibler Einspeisung in das Versorgungssystem zu integrieren. Mit dem Begriff Residuallast wird in diesem Zusammenhang der nach Abzug der unflexiblen Einspeisung verbleibende Verbrauchslastgang bezeichnet. Diese unflexible Residuallast ist durch die flexible Einspeisung zu decken.

Die in der Einleitung aufgezählten Maßnahmen setzen an verschiedenen Stellen des Versorgungssystems aus Verbrauchern und Erzeugern an, indem sie eine Flexibilisierung von unflexiblen Leistungsgängen ermöglichen. In Abbildung 1 ist dazu eine systematische Einordnung der verschiedenen Flexibilisierungsmaßnahmen in das Versorgungsystem dargestellt.

Im Folgenden werden darauf aufbauend die verschiedenen Typen von Speichern und Flexibilisierungsmaßnahmen erläutert. Zusätzlich werden die für die Berechnung eines Speichernutzungsgrads zu verwendende Lade- und Entladeenergie definiert.

Verbrauchsflexibilisierungen

Die Maßnahmen Demand Response (DR) und Demand Side Management (DSM) führen zu Lastverschiebungen innerhalb des Lastgangs der unflexiblen Verbraucherlast und können somit als Verbrauchsflexibilisierungen bezeichnet werden. Der Wirkungsgrad errechnet sich dabei als Quotient aus Minderverbrauch und Mehrverbrauch. Zu den Verbrauchsflexibilisierungen sind auch Vehicle2Grid und PV-Eigenverbrauchssysteme zu zählen. Maßnahmen zu Verbesserung der Energieeffizienz und Energieeinsparung weisen nach dieser Definition keiner Ladeleistung auf. Somit tendiert der Wirkungsgrad gegen unendlich und sie stellen keinen eigentlichen Speicher dar.

Einspeisungsflexibilisierung

Maßnahmen zur Flexibilisierung der unflexiblen Einspeisung – beispielsweise KWK mit Wärmespeicher oder Verstetigung der Einspeisung großer Erneuerbarer Erzeugungsanlangen durch Speicheroptionen innerhalb der Systemgrenze – können unter dem Begriff Einspeisungsflexibilisierung zusammengefasst werden. Der Nutzungsgrad errechnet sich dabei als der Quotient aus Mehreinspeisung und Mindereinspeisung. Das Abregeln von Erneuerbaren führt ebenfalls zu einer Veränderung der unflexiblen Einspeisung. Wegen der fehlenden Entladeleistung würde der Nutzungsgrad bei null liegen.

Generierung von Stromäquivalenten durch Lastveränderung eines unflexiblen Leistungsgangs

Maßnahmen wie beispielsweise Power2Gas, Power2Heat, KWK mit Power2Heat, KWK mit Wärmespeicher sowie Biomethanproduktion haben gemeinsam, dass sie eine Lastveränderung eines unflexiblen Leistungsgangs – also einen Mehrverbrauch oder eine Mindereinspeisung bei gleichzeitiger Produktion oder Einsparung von Stromäquivalenten in Form von Brennstoff – darstellen. Das Stromäquivalent wird dem Stromnetz entnommen und kann auch auf anderen Wegen, beispielsweise per Gaspipeline, räumlich verteilt und verwendet werden. Die Rückverstromung steht dabei in Konkurrenz zu anderen Einsatzgebieten. KWK, bei der die Wärmeproduktion durch Power2Heat flexibilisiert wird, stellt einen Sonderfall dar, bei dem als Ladeleistung sowohl Mehrverbrauch als auch Mindereinspeisung vorliegt. Der Nutzungsgrad dieses Speichertyps errechnet sich somit als Quotient aus generierten Stromäquivalenten durch Mindereinspeisung und/oder Mehrverbrauch.

Reine Stromspeicher

Reine Stromspeicher – wie beispielsweise Pumpspeicherkraftwerke oder große Batteriesysteme – können beim Laden als zusätzlicher Verbraucher und beim Entladen als flexible Einspeisung interpretiert werden. Der Wirkungsgrad errechnet sich dann als Quotient aus Mehreinspeisung und Mehrverbrauch.

Die verschiedenen Maßnahmentypen können dadurch unterschieden werden, ob sie nur durch das Laden oder auch durch das Entladen zur Flexibilisierung unflexibler Leistungsgänge beitragen können. Ein weiteres Unterscheidungskriterium ist, ob durch eine Maßnahme neben der zeitlichen Flexibilisierung auch eine räumliche Entkopplung der Entnahme- und Entladestelle möglich ist. In Tabelle 1 sind verschiedene Beispiele von Maßnahmen unter diesen Aspekten eingeordnet.

Tabelle 1:  Einordnung verschiedener Flexibilisierungsmaßnahmen

Tab1_Flexibilisierungsmassnahmen_650

2.2  Definition des Begriffs

Auf der Basis der oben dargestellten Herleitung kann der Begriff Funktionaler Stromspeicher wie folgt definiert werden:

Alle zeitlichen Verschiebungen innerhalb der Leistungsgänge von Stromverbrauch und unflexibler Stromeinspeisung mit dem Ziel des zeitlichen und räumlichen Ausgleichs der Energiebilanz können als Funktionale Stromspeicher bezeichnet werden. Vorausgesetzt ist dabei ein positiver Speichernutzungsgrad der Maßnahme. Der Speichernutzungsgrad errechnet sich aus dem Quotienten aus entladener Energie in Form von Minderverbrauch, Mehrerzeugung oder generierten Stromäquivalenten sowie Ladeenergie in Form von Mehrverbrauch oder Mindereinspeisung.

Es können folgende Unterscheidungen getroffen werden:

  • Funktionale Stromspeicher 1. Ordnung: Reine Stromspeicher können als Funktionale Stromspeicher 1. Ordnung bezeichnet werden, da sie beim Laden als Modifikation des Verbrauchs und beim Entladen als flexible Einspeisung interpretiert werden können.

Funktionale_Stromspeicher_1-Ordnung_370

  • Funktionale Stromspeicher 2. Ordnung: Lastverschiebung innerhalb eines unflexiblen Leistungsgangs, also innerhalb des Verbrauchslastgangs (Verbrauchsflexibilisierung) oder des Leistungsgangs der unflexiblen Einspeisung (Einspeisungsflexibilisierung).

Funktionale_Stromspeicher_2-Ordnung_370

  • Funktionale Stromspeicher 3. Ordnung: Generierung von Stromäquivalenten durch Modifikation eines unflexiblen Leistungsgangs. Bei diesen Funktionalen Stromspeichern findet neben der zeitlichen Flexibilisierung auch eine räumliche Entkopplung statt. Das Stromäquivalent wird aus dem die Elemente des Stromversorgungssystems verbindenden Stromnetz entnommen und kann an anderer Stelle wieder als flexible Einspeisung integriert werden.

Funktionale_Stromspeicher_3-Ordnung_370

Einem Funktionalen Stromspeicher können prinzipiell dieselben Speicherkennwerte wie reinen Stromspeichern zugeordnet werden, z.B.:

  • Speicherkapazität
  • Maximale Ladeleistung / Entladeleistung
  • Wirkungsgrad / Nutzungsgrad
  • Zeitliche Speicherverluste
  • Gradient der Lastveränderung (An- / Abfahrtscharakteristik)
  • Zeitverfügbarkeit, gesicherte Leistung (tageszeitliche, saisonale Abhängigkeit)
  • Investitionskosten
  • Betriebskosten (Betriebsmittel, Emissionen)

Darüber hinaus können Funktionale Stromspeicher sekundäre Kosten – wie einen Komfortverlust für Nutzer oder eine Störung des Betriebsverlaufs in der Industrie – aufweisen.

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