Faszination und Wunder der Technik. Werner Dupont
Derartige Systeme könnten die Elektrizitätserzeugung und deren Speicherung sowie ihren Verbrauch in gewisser Weise entkoppeln. Für viele neue Technologien der Elektrizitätserzeugung oder für neue Elektrizitätsanwendungen ist das Vorhandensein effizienter Speichertechniken eine Voraussetzung im Sinne von Schrittmachertechnologien. Zwar sind Speicherbatterien (Akkumulatoren) seit Langem eingeführt und erprobt, allerdings sind sie für viele Anwendungen aufgrund ihrer Eigenschaften nur bedingt oder nicht geeignet. Darum begann man die Suche nach technischen Alternativen. Neben Schwungradsystemen wurde auch der Energiespeicherung in supraleitenden Spulen (abgekürzt SMES für „Superconducting Magnetic Energy Storage“) verstärkt Aufmerksamkeit geschenkt.
Für die SMES-Technologie bedient man sich der Eigenschaft von Spulen, in dem durch sie aufgebauten magnetischen Feld Energie zu speichern. Zu den aus technischer Sicht besonders interessanten Eigenschaften eines SMES-Speichers zählen die kurze Zugriffszeit von wenigen zehn Millisekunden, der hohe Umwandlungswirkungsgrad (das heißt der Wirkungsgrad ohne Berücksichtigung der Hilfsenergieverbräuche) von weit über 90 Prozent, die hohe kalendarische Lebensdauer und hohe Zyklenlebensdauer sowie die mit selbstgeführten Stromrichtern mögliche unabhängige Steuerung von Wirk- und Blindleistung. Dem stehen aber auch Einschränkungen gegenüber. Hierzu zählt, dass die Stromrichterspannung durch die Auslegung begrenzt ist, wodurch mit abnehmendem Energieinhalt auch die entnehmbare Maximalleistung abnimmt. Zudem tritt ein ständiger Kühlleistungsbedarf auf, der abhängig von der Spulengröße und damit dem Energieinhalt ist und mindestens einige Prozent des Speichervermögens pro Tag beträgt. Damit ist der Gesamtnutzungsgrad des Systems stark von der Zyklusdauer abhängig.
Für Speicher dieser Art ist theoretisch eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten denkbar. Vorgestellte Konzepte für den Bereich der elektrischen Energieversorgung reichen von großen Systemen für den Tageslastausgleich in Elektrizitätsversorgungsnetzen über mittelgroße Systeme zur Pufferung von größeren Elektrizitätserzeugungsanlagen auf der Basis intermittierender regenerativer Energiequellen oder als Sekundärreserve in thermischen Kraftwerken bis zu Kleinanlagen für Stabilisierungsaufgaben in der Stromübertragung oder zur Sicherung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung bei sensiblen Verbrauchern. Auch im Verkehrsbereich ließen sich SMES einsetzen, beispielsweise zum Tageslastausgleich in der Bahnstromversorgung oder zur Spannungsstabilisierung auf dicht befahrenen Strecken des schienengebundenen Nahverkehrs.
Darüber hinaus gibt es Nischenanwendungen im Bereich der Forschung, so zur Stromversorgung von Verbrauchern mit kurzzeitigem hohem Leistungsbedarf wie im Falle von Beschleuniger- oder Fusionsexperimenten. Im Vordergrund öffentlich geförderter Vorhaben stehen vor allem Speicher mit Energieinhalten im Gigawattstundenbereich mit Leistungen von mehreren Hundert Megawatt zum Tageslastausgleich in der öffentlichen Stromversorgung.
Eine Speicherung von elektrischer Energie zum Zweck der Bereitstellung bei hohem Leistungsbedarf über längere Zeit dient primär dazu, die Stromerzeugung insgesamt wirtschaftlicher zu gestalten. Eine wirtschaftliche Speicherung von Elektrizität ist überall da von Nöten, wo der Bedarf an elektrischer Energie im Laufe des Tages wesentliche Schwankungen aufweist oder die Elektrizitätserzeugung nicht ohne technische Beschränkungen, Wirkungsgradverschlechterungen oder verstärkten Verschleiß der Anlagen einem schwankenden Leistungsbedarf der Verbraucher gerecht werden kann. Durch eine Speicherung der Elektrizität selbst ist zwar keine Einsparung von elektrischer Energie möglich, bei einer Bilanzierung über das Gesamtsystem zeigt sich jedoch, dass sich bei geeigneten Randbedingungen der gesamte Energieaufwand pro Einheit Nutzenergie reduzieren lässt. Elektrizitätsspeichersysteme für diesen Einsatzzweck werden von der Elektrizitätswirtschaft primär im Hinblick auf ihre Möglichkeit, die mittleren Stromerzeugungskosten zu reduzieren, und damit anhand ihres Gesamtwirkungsgrades und der Systemkosten bewertet.
Im Hinblick auf den Einsatz in der Spitzenlastdeckung ist die Wirtschaftlichkeit eines Supraleitersystems zu vergleichen mit der von Primärerzeugern (Gasturbinen, Verbrennungsmotoren, zukünftig vielleicht auch Brennstoffzellen), von Speichersystemen sowie anderen Maßnahmen von Energieversorgungsunternehmen (EVU) zur Steuerung des Leistungsbedarfs wie z. B. dem Lastmanagement. Es zeigte sich, dass SMES für die Spitzenlastdeckung über den gesamten plausiblen Ausnutzungsbereich die teuerste Technologie sind. Selbst unter äußerst optimistischen Annahmen werden SMES in der Spitzenlastdeckung teurer als konventionelle Gasturbinen, Pumpspeicher oder Druckluftspeicher bleiben. Größere SMES-Anlagen werden unter den derzeitigen Rahmenbedingungen also nur dann Anwendungen finden können, wenn es gelingt, Speicherspulen zu deutlich geringeren Kosten als heute absehbar zu fertigen, oder wenn aus ökologischen oder anderen Gründen Primärerzeuger beziehungsweise andere Speichersysteme nicht einsetzbar sind. Zudem verfügen einige der konventionellen Techniken noch über beträchtliches Entwicklungspotential, was kompetitive Vorteile von SMES eventuell reduziert. Weitere mutmaßliche technische Vorteile von großen SMES gegenüber anderen Speichersystemen stoßen häufig nicht auf einen entsprechenden Bedarf seitens der Elektrizitätswirtschaft.
Unter Status-Quo-Bedingungen (Dominanz der großtechnischen Stromerzeugung, gegenwärtige Zusammensetzung des Kraftwerksparks mit einem hohen Anteil fossiler Brennstoffe in der Grund- und Mittellast, nur noch begrenztes Ausbaupotenzial für Wasserkraftwerke, De-facto-Moratorium bei der Kernenergie) wäre der Einsatz von Tagesspeichern für die EVU nur dann betriebswirtschaftlich lukrativ, wenn diese zu sehr geringen Jahreskosten (und folglich geringen Investitions- und Betriebskosten) betreibbar wären. Diese Kostengrenze wird schon durch die heute großtechnisch verfügbaren Speichertechnologien derzeit in der Regel nicht erreicht. Eine Reduktion dieser beim Einsatz von SMES-Systemen entstehenden Kosten auf das unter heutigen Bedingungen erforderliche Niveau ist derzeit nicht wahrscheinlich.
Zu berücksichtigen ist bei den Überlegungen zum Einsatz großer Speicher außerdem, dass die hydraulischen und nuklearen Kapazitäten schon heute mit relativ hohen jährlichen Ausnutzungsdauern betrieben werden. Ein Speichereinsatz würde ihre Ausnutzungsdauer nur noch geringfügig erhöhen können. Bei einem ausgedehnten Speichereinsatz würde der Hauptteil der in der Nachtzeit dem Speicher anzubietenden Elektrizität durch die (hauptsächlich mit Steinkohle gefeuerten) Mittellastkraftwerke bereitzustellen sein. Abgelöst werden durch den Speichereinsatz primär gas- und ölbetriebene Spitzenlastkraftwerke. Eine Substitution von Erdgas in der Spitzenlast durch Mittellaststeinkohle ist unter der Annahme heutiger Preise und in Kenntnis der gegenwärtigen Prognosen der Preisentwicklung nicht nur wirtschaftlich nicht sinnvoll. Auch würden die Emissionen von klimarelevanten Gasen und anderen Schadgasen der Energieversorgung dadurch eher steigen.
Ungeklärt ist nach Auffassung von Fachleuten zudem, ob sich Magnete für Großspeicher überhaupt bauen lassen. Solenoide der diskutierten Größenordnung (mehrere Hundert Meter Durchmesser) wie auch einige Toroidkonzepte (Durchmesser der aufrecht stehenden Einzelspulen ca. 40 Meter) werfen Probleme nicht nur wegen ihrer Baugröße, sondern vor allem wegen der hohen technischen Komplexität dieser Systeme auf. Da viele notwendige Einzelkomponenten aufgrund ihrer Größe nicht mehr transportiert werden können, würde eine umfangreiche Vorortfertigung notwendig werden. Hinzu kommt, dass sich das Spulensystem nur am Standort (und bei Solenoiden auch nur nach Fertigstellung der Gesamtanlage) testen ließe, was eine ausgedehnte Infrastruktur voraussetzt. Neben diesen eher grundsätzlichen Problemen bedürfen auch noch viele wichtige technische Detailfragen einer Klärung. Hierzu sind noch umfangreiche, vor allem praktische Forschungsarbeiten zu leisten, bevor eine genauere Beurteilung wesentlicher technischer und wirtschaftlicher Parameter möglich ist.
Zudem wird es systembedingt für viele Anwender kein SMES-System „von der Stange“ und damit kaum wesentliche Kostenreduktionen aufgrund von Lernkurveneffekten geben. Weitere mutmaßliche technische Vorteile von großen SMES gegenüber anderen Speichersystemen stoßen häufig nicht auf einen entsprechenden Bedarf der Elektrizitätswirtschaft. Generell kann festgestellt werden, dass kurz- und mittelfristig in Deutschland ein Bedarf für die Entwicklung großer SMES als Tagesspeicher nicht erkennbar zu sein scheint. Es könnte jedoch langfristig unter der Vorrausetzung starker Veränderungen in den Organisationsstrukturen der Elektrizitätswirtschaft und in der Zusammensetzung des Kraftwerksparks verstärkter Bedarf an Speichertechnologie entstehen. Der gegenwärtige Stand der Technik lässt allerdings für den Tagesspeichereinsatz keine eindeutige technische oder wirtschaftliche Überlegenheit von SMES gegenüber anderen konventionellen