Könnte Wasser EE-Speicher-Problem lösen?

IIASA-Forscher sehen in Pumpspeicherkraftwerken weltweit viel Zukunftspotenzial

Dem Wiener Standard zufolge sehen die Autoren einer Studie des Internationalen Instituts für angewandte Systemanalyse (IIASA) in Laxenburg bei Wien in Pumpspeicherkraftwerken eine, vor allem erschwingliche, Möglichkeit, Erneuerbare Energie langfristig zu speichern – damit könnte eine Lücke beim Übergang zu regenerativen Energieformen gefüllt werden, erklären die Forscher im Fachjournal Nature Communications unter dem Titel “Global resource potential of seasonal pumped hydropower storage for energy and water storage“.

Die saisonale Pumpspeicherung von Wasserkraft (Seasonally pumped hydropower storage – SPHS) sei eine bereits etablierte, aber noch wenig genutzte Technologie, könnte eine erschwingliche und nachhaltige Lösung zur Speicherung von Energie und Wasser im Jahresmaßstab sein, so die IIASA-Studie. Im Vergleich zu anderen ausgereiften Speicherlösungen, wie z.B. Erdgas, zeigt die Studie, dass SPHS ein beträchtliches Potenzial für äußerst wettbewerbsfähige Energiespeicherkosten bietet.

“Die Energiesektoren der meisten Länder befinden sich im Übergang zu erneuerbaren Energiequellen, insbesondere zur Wind- und Sonnenenergieerzeugung”, sagt IIASA-Postdoc Julian Hunt, Hauptautor der Studie. “Diese Quellen sind intermittierend und weisen saisonale Schwankungen auf, so dass sie Speicheralternativen benötigen, um die Nachfragedeckung jederzeit zu garantieren. Kurzfristige Energiespeicherlösungen gibt es, aber die Alternative für die langfristige Energiespeicherung, die normalerweise als Lösung für die saisonalen Schwankungen bei der Stromerzeugung in Betracht gezogen wird, ist Wasserstoff, der noch nicht wirtschaftlich konkurrenzfähig ist.

Saisonale Pumpspeicherung bedeutet, dass in Zeiten hoher Wassermengen oder geringen Energiebedarfs Wasser in einen tiefen, parallel zu einem großen Fluss gebauten Speichersee gepumpt wird. Bei Wasserknappheit oder steigendem Energiebedarf wird das gespeicherte Wasser dann aus dem Reservoir zur Stromerzeugung abgegeben.

Die neue Studie ist die erste, die eine globale, hochauflösende Analyse des Potenzials und der Kosten für die SPHS-Technologie liefert. In ihrer Analyse bewerteten die Forscher das theoretische globale Potenzial für die saisonale Speicherung von Energie und Wasser mit SPHS und konzentrierten sich dabei auf die Standorte mit dem höchsten Potenzial und den niedrigsten Kosten. Sie analysierten auch verschiedene Szenarien, in denen die Speicherung von Energie und Wasser mit SPHS eine gangbare Alternative sein könnte. Die Studie umfasste topographische, Flussnetz- und Hydrologiedaten, eine Schätzung der Infrastrukturkosten und die Optimierung des Projektdesigns, um technisch machbare Kandidatenstandorte zu identifizieren.

Saisonales Pumpspeicherprojekt und Hauptkomponenten – Grafik © IIASA

Die Studie zeigt, dass die Kosten für die Wasserspeicherung bei SPHS-Anlagen zwischen 0,007 und 0,2 US$/m3, die Kosten für die langfristige Energiespeicherung zwischen 1,8 und 50 US$/MWh und die Kosten für die kurzfristige Energiespeicherung zwischen 370 und 600 US$/KW der installierten Stromerzeugungskapazität variieren, wenn man die Kosten für Damm, Tunnel, Turbine, Generator, Aushub und Land berücksichtigt. Das geschätzte Weltenergiespeicherpotential unter 50 $/MWh liegt bei 17,3 PWh, was etwa 79% des Weltstromverbrauchs im Jahr 2017 entspricht.

Die Forscher stellten fest, dass weltweit ein bedeutendes Potenzial für SPHS besteht, insbesondere im unteren Teil des Himalaya, in den Anden, den Alpen, den Rocky Mountains, dem nördlichen Teil des Nahen Ostens, dem äthiopischen Hochland, dem brasilianischen Hochland, Mittelamerika, Ostasien, Papua-Neuguinea, dem Sayan-, Yablonoi- und Stanovoy-Gebirge in Russland sowie an einer Reihe weiterer Standorte mit geringerem Potenzial.

“Bedenken über die Unterbrechung und Saisonalität von Wind und Sonne können berechtigt sein, sind aber manchmal auch übertrieben”, sagt der IIASA-Forscher Edward Byers, ein Koautor der Studie. “Diese Studie zeigt, dass ein extrem hohes Potenzial für die Nutzung von SPHS in einem Großteil der Welt besteht, da sie eine leicht verfügbare, erschwingliche und nachhaltige Lösung zur Unterstützung des Übergangs zu nachhaltigen Energiesystemen und zur Überwindung realer und vermeintlicher Hindernisse für einen hohen Anteil der erneuerbaren Energieerzeugung bietet.

Die Studie befasst sich auch mit einigen der potenziellen Umweltprobleme im Zusammenhang mit der Wasserkraft. Da die SPHS-Stauseen tief liegen und nicht

innerhalb des Flusslaufs, sondern parallel zu diesem gebaut werden, können die Auswirkungen auf die Umwelt und die Landnutzung ebenfalls bis zu 10 bis 50 Mal geringer sein als bei traditionellen Wasserkraftwerken.

Hunt sagt: “Angesichts der Notwendigkeit eines Übergangs zu einer nachhaltigeren Welt mit geringeren CO2-Emissionen werden erneuerbare Energien und Energiespeicherung in naher Zukunft eine wichtige Rolle spielen. Angesichts des enormen ungenutzten und billigen Potenzials der SPHS wird sie bald eine wichtige Rolle bei der jährlichen Speicherung von Energie und Wasser spielen”, sagt Hunt.

Abstract des Artikels in Nature Communications

Das saisonale Missverhältnis zwischen Stromangebot und -nachfrage nimmt aufgrund der erweiterten Nutzung von Wind-, Sonnen- und Wasserkraftressourcen zu, was wiederum das Interesse an kostengünstigen saisonalen Energiespeichern erhöht. Die saisonale Pumpspeicherung von Wasserkraft (SPHS) kann eine langfristige Energiespeicherung zu relativ niedrigen Kosten und mit einem Zusatznutzen in Form von Süßwasserspeicherkapazität bieten. Wir präsentieren die erste Schätzung der globalen Bewertung des SPHS-Potenzials unter Verwendung einer neuartigen Methodik zur Standortbestimmung von Anlagen, die auf hochauflösenden topographischen und hydrologischen Daten basiert. Hier zeigen wir, dass die Kosten des SPHS zwischen 0,007 und 0,2 US$/m an gespeichertem Wasser, 1,8 bis 50 US$/MWh an gespeicherter Energie und 370 bis 600 US$/kW an installierter Stromerzeugung variieren. Dieses Potenzial ist ungleichmäßig verteilt, wobei die Bergregionen ein wesentlich größeres Potenzial aufweisen. Die geschätzte weltweite Energiespeicherkapazität unter einem Preis von 50/MWh beträgt 17,3 PWh, was etwa 79% des weltweiten Stromverbrauchs im Jahr 2017 entspricht.

Während eine Reihe von Energiespeichertechnologien zur Verwaltung von Stromnetzen entwickelt werden, erfüllen die meisten Technologien nur kurzfristige Zyklen (täglich oder kürzer). Pumpspeichersysteme für Wasserkraft (PHS) sind derzeit die ausgereifteste und am weitesten verbreitete Methode zur großtechnischen Speicherung von Elektrizität. Die weltweit installierte PHS-Stromerzeugungskapazität beträgt ~165 GW und stellt die überwiegende Mehrheit der weltweiten Stromspeicherung dar, von denen 25 GW als gemischte Anlagen identifiziert wurden, die auch konventionelle, auf Stauseen basierende Wasserkraftwerke sind. Häufig wird PHS als eine Technologie angesehen, die Energie für tägliche oder wöchentliche Zyklen und bis zu Monaten speichern kann; die Technologie kann jedoch auch über jährliche und mehrjährige Zyklen betrieben werden. Angesichts der derzeitigen Kostenreduzierung bei anderen Technologien, die tägliche Energiespeicherung bieten (insbesondere Batterien), wird erwartet, dass PHS als saisonale Energie- und Wasserspeicher-Alternative an Bedeutung gewinnen wird.

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