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5 Hauptvorteile der neuen Langzeit-Energiespeicherung (LDES)

Die globale Energiewirtschaft befindet sich derzeit in einer kritischen Phase der Energiewende von fossilen Brennstoffen hin zu erneuerbaren Energien. Der steigende Anteil erneuerbarer Energien bringt jedoch neue Herausforderungen mit sich. Die Unregelmäßigkeit, Intermittenz und Volatilität der Wind- und Solarstromerzeugung führt zu erheblichem strukturellem Druck auf die bestehenden Stromsysteme.

Die Integration großer Mengen Wind- und Solarenergie könnte zu häufigen Stromüberschüssen und -engpässen führen. Steigt der Anteil neuer Energieanlagen weiter, könnten Phasen mit Stromungleichgewichten mehrere Tage oder sogar Wochen andauern. Vor dem Hintergrund der globalen Erwärmung könnten zudem extreme Wetterereignisse die Häufigkeit von Stromschwankungen erhöhen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Energiewirtschaft im Rennen um die Energiewende vor drei großen Herausforderungen steht:

1. Ungleichgewicht zwischen Stromangebot und -nachfrage: Sowohl Stromüberschuss- als auch Strommangelsituationen werden über einen längeren Zeitraum häufiger auftreten.
2. Änderung des Stromübertragungs- und -verteilungsmodells: Der Übergang von der herkömmlichen Stromübertragung und -verteilung zu einem verteilten, Quelle-Netz-Last-interaktiven Modell wird zu erheblichen Kostensteigerungen bei Netzmodernisierungen führen.
3. Verlust der mechanischen Trägheit und der rotierenden Reserve des Systems: Den meisten erneuerbaren Energiequellen fehlt die mechanische Trägheit herkömmlicher Generatoren, wodurch die Gesamtkapazität zur Regelung der Netzfrequenz verringert und die Netzstabilität weiter verschlechtert wird.
4. Die neue Langzeit-Energiespeichertechnologie (LDES) ist der Schlüssel zur Lösung der Herausforderungen der Integration neuer Energien.

LDES: Schlüssel zur Lösung der Herausforderungen im Bereich erneuerbare Energien

Als Lithium-Ionen-Akku Obwohl die Speicherung im Energiesektor weit verbreitet ist, treten ihre Nachteile allmählich zutage. Dabei handelt es sich vor allem um Sicherheitsprobleme und eine mangelnde Wirtschaftlichkeit bei Langzeitspeicheranwendungen (> 4 Stunden).

Das neue LDES kann die Flexibilität von Stromsystemen verbessern, indem es Energie über einen längeren Zeitraum (> 4 Stunden, über Tage, Wochen und Jahreszeiten) speichert und freigibt. Seine Hauptanwendungsszenarien liegen in vier Bereichen:

1. Intraday-Speicherung: Eine Langzeitspeicherung von 4–12 Stunden gleicht das Ungleichgewicht zwischen Stromangebot und -nachfrage im Tagesverlauf aus.
2. Tages- und wochenübergreifende Speicherung: Bewältigt vor allem kurzfristige Wetteranomalien (Mangel an Sonnenlicht, Wasserknappheit usw.), die zu mittel- und langfristigen Stromungleichgewichten führen.
3. Saisonübergreifende Anwendung: Sie behebt den Spitzenenergiebedarf im Winter und die durch den Klimawandel verursachten langfristigen Unsicherheiten im Stromsystem.
4. Reaktion auf extreme Wetterereignisse.
5. Das neue LDES kann auf verschiedenen technologischen Wegen erreicht werden.

LDES kann durch verschiedene Technologien erreicht werden

Die oben genannten Anwendungsszenarien erfordern, dass das neue LDES die technischen Anforderungen für die Intraday-, Cross-Day-, Cross-Week- und Cross-Season-Speicherung erfüllt und gleichzeitig hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Sicherheit und Kapazitätsskala wettbewerbsfähiger ist.

Dies erfordert, dass das neue LDES flexibel skalierbar ist, um die Stromversorgung für mehrere Stunden, Tage oder sogar Wochen aufrechtzuerhalten. Dadurch wird der Einsatz seltener Metallrohstoffe (wie Nickel, Kobalt und Mangan, die für Lithium-Ionen-Batterien benötigt werden) reduziert und die Defizite von Lithium-Ionen-Batteriesystemen bei der Langzeitspeicherung ausgeglichen. Das neue LDES kann durch verschiedene Verfahren wie mechanische, thermische, elektrochemische und chemische Speicherung realisiert werden.

1. Mechanische Speicherung: Die ausgereifteste mechanische Speichertechnologie ist die Pumpspeicherung mit 951 TP3T der weltweiten Gesamtspeicherkapazität. Sie stellt jedoch bestimmte Anforderungen an die Standortwahl. Neue Pumpspeicheranlagen wie geomechanische Wasserpumpen können die Abhängigkeit von geografischen Bedingungen verringern. Weitere mechanische Speicher sind Druckluftspeicher, Schwerkraftspeicher und Flüssigluftspeicher. Druckluftspeicher umfassen auch thermische Speicherung, die die beim Kompressionsprozess entstehende Wärme zur Wiederverwendung im Entladezyklus speichert; die Schwerkraftspeicherung befindet sich in der frühen Phase der Kommerzialisierung.
2. Wärmespeicherung: Wärmespeichertechnologie kann gleichzeitig Strom und Wärme freisetzen. Die technologischen Verfahren lassen sich in Temperaturänderung des Mediums, Zustandsänderung des Mediums und thermochemische Wärmereaktionen unterteilen. Diese Technologien nutzen Medien wie geschmolzenes Salz, Beton, Aluminiumlegierungen oder Gestein, um Wärme in einem isolierten Behälter zu speichern. Die am häufigsten genutzte Technologie kombiniert geschmolzenes Salz mit konzentrierten Solarkraftwerken (CSP).
3. Chemische Speicherung: Hierzu zählen die Speicherung von Wasserstoff und die Speicherung von Erdgas.
4. Elektrochemische Speicherung: Für die Langzeitspeicherung auf Basis elektrochemischer Reaktionen sind Flussbatterien eine relativ ausgereifte Technologie. Flussbatterien speichern elektrische Energie in einem chemischen Lösungsmittel in einem externen Tank. Das Laden und Entladen erfolgt über eine Ionenaustauschmembran.

Neuartige Metall-Luft-Batterien nutzen hauptsächlich kostengünstige und reichlich vorhandene Ressourcen wie Metall, Luft und Wasser. Sie zeichnen sich durch Skalierbarkeit und geringere Systeminstallationskosten aus. Hybrid-Flow-Batterien verfügen sowohl über einen flüssigen Elektrolyten als auch über eine Metallanode und vereinen so die Eigenschaften herkömmlicher Flow-Batterien und Metallbatterien.

LDES hat 5 entscheidende Vorteile gegenüber anderen Energiespeicherformen

Der zunehmende Anteil erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung wird den Bedarf an Speichern für 8–12 Stunden oder sogar länger erhöhen. Dies stellt einen wichtigen Markt für neue Langzeit-Energiespeicher (LDES) dar. Im Vergleich zu Lithiumbatterien bietet die neue LDES-Technologie folgende fünf Vorteile:

1. Geringere Grenzkosten bei der Speicherung großer Mengen elektrischer Energie.
2. Energie und Leistung werden entkoppelt, was eine flexiblere Systemgestaltung und einen flexibleren Betrieb ermöglicht.
3. Modulares und skalierbares Design mit geringerem Standortbedarf und erhöhter Sicherheit.
4. Die Technologie ist nicht auf seltene Elemente angewiesen, was zu geringeren wirtschaftlichen Kosten und den Vorteilen industrieller Maßstabeffekte führt.
5. Kürzere Bauzyklen im Vergleich zur Modernisierung und Erweiterung von Übertragungs- und Verteilnetzen, wodurch eine schnellere Umsetzung und Integration in das Stromnetz möglich ist.

Angesichts komplexer Anwendungsszenarien auf der Übertragungs-, Netz- und Benutzerseite lassen sich die Anwendungsszenarien des neuen Langzeit-Energiespeichers (LDES) im Wesentlichen in die folgenden fünf Bereiche unterteilen:

1. Energiespeicherung und Kapazitätssicherung zur Optimierung des Übertragungs- und Verteilungsnetzes. Dieser Vorteil trägt dazu bei, Energieverluste zu reduzieren und die Nutzung der erzeugten Energie zu maximieren.
2. Optimieren Sie die Stromversorgung in abgelegenen Gebieten und verbessern Sie die Netzinstabilität. Dies könnte die Stromversorgungszuverlässigkeit in Gebieten, die traditionell unter Versorgungsengpässen leiden, deutlich verbessern.
3. Unterstützen Sie die Stabilität und Sicherheit von Off-Grid-/Microgrid-Anlagen, wie z. B. isolierten Stromversorgungssystemen. Dies kann sich für abgelegene oder isolierte Standorte als entscheidend erweisen, an denen ein konventioneller Netzanschluss nicht praktikabel ist.
4. Nehmen Sie am Spotmarkt für Strom teil und steuern Sie die Qualität des Stroms: Dies hilft Unternehmen dabei, ihre Stromkosten zu senken, sich gegen Preisschwankungen bei Strom und Kraftstoff abzusichern und umweltfreundlich zu wirtschaften.
5. Nehmen Sie an Netznebendienstleistungen teil, um die Netzstabilität zu verbessern: Einige LDES-Systeme verfügen über eine rotierende Trägheit und können an der Frequenzregulierung und anderen Nebendienstleistungen teilnehmen.

Bei der Langzeit-Energiespeicherung (LDES) wird ein starkes Wachstum erwartet

Obwohl sich einige neue LDES-Technologien noch in der Anfangsphase befinden, prognostizieren der International Long Duration Energy Storage Council (LDES Council) und McKinsey vor dem Hintergrund der beschleunigten Energiewende, dass LDES ab 2025 weltweit in großem Maßstab installiert werden. Die installierte Gesamtkapazität wird voraussichtlich 30 bis 40 GW erreichen (Gesamtkapazität von 1 TWh), was dem 6- bis 8-fachen der aktuellen öffentlichen Kapazität entspricht, wobei 951 TP3T der Installationen verteilt sein werden.

Bis 2030 wird die Durchdringungsrate erneuerbarer Energien voraussichtlich 601–701 TWh erreichen, und die kumulierte installierte Kapazität von LDES wird voraussichtlich 150–400 GW erreichen (Gesamtkapazität von 5–10 TWh).

Bis 2040 soll die weltweit installierte LDES-Kapazität auf 1,5 bis 2,5 TW (Gesamtkapazität 85 bis 140 TWh) steigen, was etwa dem 8- bis 15-Fachen der derzeitigen Gesamtspeicherkapazität entspricht. Dies würde die CO2-Emissionen um 1,5 bis 2,3 Milliarden Tonnen pro Jahr reduzieren und etwa 101 bis 151 TWh der derzeitigen Emissionen des Energiesektors ausmachen.

Die gespeicherte Energie entspricht 101 TP3T der weltweiten Stromproduktion, wobei das Marktvolumen eine Billion US-Dollar übersteigt. Dies bedeutet auch, dass die Gesamtinvestitionen in LDES bis 2040 1,5 bis 3 Billionen US-Dollar erreichen werden. Bis 2021 beliefen sich die Gesamtinvestitionen in große LDES-Unternehmen auf 2,5 Milliarden US-Dollar und haben sich damit in den letzten vier Jahren fast verdoppelt.

Insgesamt wird der steigende Anteil erneuerbarer Energien die Installationskapazität und die Marktentwicklung von LDES erheblich fördern. Der Zeitpunkt, an dem erneuerbare Energien einen Marktanteil von 60 % bis 70 % im Stromnetz erreichen, könnte ein wichtiger Meilenstein für die Entwicklung von LDES sein.

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