Einführung in Pumpspeicherkraftwerke und Wasserstoffspeicherung – Die Wahl zwischen stundenweiser und jahreszeitlicher Speicherung

Je mehr Solar- und Windenergie ausgebaut wird, desto stärker stößt das Stromnetz auf unterschiedlichen Zeitskalen an seine Grenzen – nicht nur in den nächsten Sekunden, sondern auch heute Abend, bei schlechtem Wetter in dieser Woche und aufgrund saisonaler Schwankungen. Lithium-Ionen-Batterien können Leistung (kW) und Kapazität (kWh) weitgehend unabhängig voneinander regeln, was sie ideal für Anpassungen im Bereich von Minuten bis zu einigen Stunden macht (Grundlagen zu Batterien finden Sie im Power Battery Primer). Versucht man jedoch, Energie über Tage oder Jahreszeiten allein mit Batterien zu speichern, steigt der benötigte Speicherbedarf rapide an, und die Kosten werden unwirtschaftlich. Pumpspeicherkraftwerke decken diesen längeren Zeitraum seit Langem ab, und in den letzten Jahren hat Wasserstoff als Technologie mit noch größerer Reichweite an Bedeutung gewonnen. Dieser Artikel überlässt die Grundlagen der Physik von Wasserturbinen dem Einführungsbuch Wasserkraft und stellt stattdessen Pumpspeicherkraftwerke und Wasserstoffspeicher als zwei Lösungsansätze für ein und dasselbe Problem gegenüber: „Energie speichern und später wieder in Strom umwandeln“.

Die wichtigsten Punkte in 30 Sekunden

• Pumpspeicherkraftwerke, die Wasser zwischen einem oberen und einem unteren Speicherbecken hin und her pumpen, sind eine etablierte Technologie zur Speicherung großer Kapazitäten und langer Speicherdauer. Der Wirkungsgrad liegt bei etwa 70–87 %, im Durchschnitt bei rund 80 %.

• Drehzahlgeregelte Pumpturbinen können die während des Pumpvorgangs aufgenommene Leistung stufenlos anpassen. Durch schnelles Reduzieren der Pumpleistung bei Frequenzabfall können sie das Stromnetz in dieselbe Richtung stützen wie eine Erhöhung der Generatorleistung (siehe Einführung Wasserkraft für Details).

Wasserstoff speichert Strom nicht direkt als Strom – er spaltet Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff, speichert diesen und wandelt ihn bei Bedarf mittels Brennstoffzelle oder Gasturbine wieder in Strom um. Der Wirkungsgrad liegt derzeit bei etwa 30–50 % und damit niedriger als bei Pumpspeicherkraftwerken.

Im Gegenzug ermöglicht Wasserstoff die separate Auslegung des Speichermediums (Tanks oder unterirdische Speicher) und der Energiewandlungsanlagen (Elektrolyseure, Brennstoffzellen). Dadurch ist er prinzipiell unabhängig vom Gelände und eignet sich für die Langzeitspeicherung über Wochen bis Jahreszeiten.

Die Betrachtung von Pumpspeicherkraftwerken als „effiziente Speicherung über Stunden bis Tage“ und Wasserstoff als „weniger effiziente, aber ortsunabhängige Langzeitspeicherung“ verdeutlicht ein eher komplementäres als konkurrierendes Verhältnis.

1. Das Problem der Langzeitspeicherung nach Zeitskala

Die Variabilität erneuerbarer Energien lässt sich nicht auf einer einzigen Zeitskala beschreiben. Wenige Minuten Schwankungen durch vorüberziehende Wolken, ein mehrstündiger Anstieg der Nachfrage am Abend und gleichzeitiger Abfall der Solarstromproduktion bei Sonnenuntergang, ein mehrtägiger Windausfall durch ein stationäres Tiefdruckgebiet, saisonale Unterschiede in Sonneneinstrahlung und Niederschlagsmustern – die benötigten Speicherkapazitäten variieren je nach Zeitrahmen.

Sekunden bis Minuten | Frequenzregelung, kurzzeitige Angebots-Nachfrage-Lücken | Lithium-Ionen-Batterien, Schwungräder |

Stunden bis ein halber Tag | Abendliche Verschiebung der Solarstromproduktion, Spitzenlastabdeckung | Lithium-Ionen-Batterien, Pumpspeicherkraftwerke |

Tage bis Wochen | Anhaltendes Schlechtwetter, mehrtägiger Windausfall | Pumpspeicherkraftwerke (große Speicherkapazität), Wasserstoff |

Wochen bis Jahreszeiten | Saisonale Angebots-Nachfrage-Lücken | Wasserstoff (großtechnisches, langfristiges Speichermedium) |

Batterien ermöglichen eine relativ flexible Auslegung von Leistung (kW) und Kapazität (kWh) durch die Anzahl der Zellen, allerdings steigen die Kosten mit zunehmender Kapazität nahezu proportional an. Pumpspeicherkraftwerke und Wasserstoffspeicher nutzen die „potenzielle Energie des Wassers“ bzw. die „chemische Energie der Wasserstoffmoleküle“, wodurch sich die Kostenkurve für den Ausbau der Speicherkapazität von der bei Batterien unterscheidet. Daher können beide Technologien eine führende Rolle bei der Langzeitspeicherung spielen.

2. Pumpspeicherkraftwerke – Eine etablierte Technologie mit hoher Kapazität im Überblick

Die Grundlagen der Pumpspeicherkraftwerke und die Physik der Turbine wurden bereits im Einführungsartikel Wasserkraft erläutert. Hier liegt der Fokus auf ihrer Leistungsfähigkeit als Speichertechnologie.

Die speicherbare Energiemenge lässt sich anhand des Wasservolumens V, der effektiven Fallhöhe H und des Gesamtwirkungsgrades \eta abschätzen:

Die Kapazität, die einer Batterie in kWh entspricht, wird durch das effektive Speichervolumen der oberen und unteren Speicherbecken sowie die Fallhöhe bestimmt. Die Leistung (kW) hingegen hängt von der Nennleistung der Pumpturbine und des Motorgenerators ab. Die Möglichkeit, diese beiden Komponenten unabhängig voneinander zu dimensionieren, ist eine Gemeinsamkeit von Pumpspeicherkraftwerken und Batterien. Bei Pumpspeicherkraftwerken sind jedoch die Einschränkungen durch Gelände und Wasserrechte Voraussetzung für die Kapazitätsauslegung.

Der Wirkungsgrad – der Anteil der Energie, der nach einem vollständigen Pumpzyklus (Laden) und einer vollständigen Erzeugung (Entladen) zurückgewonnen wird – ergibt sich aus dem Produkt von Pumpenwirkungsgrad, Turbinenwirkungsgrad, Motorgeneratorwirkungsgrad und Rohrleitungsverlusten. Gemessene Werte liegen üblicherweise im Bereich von 70–87 %, mit einem Mittelwert um 80 %. Dies ist ein etablierter Wert, der auf jahrzehntelanger Betriebserfahrung beruht und mit dem Wirkungsgrad von Lithium-Ionen-Batterien vergleichbar ist oder leicht darunter liegt.

Pumpenturbinen mit fester Drehzahl verbrauchen während des Pumpvorgangs annähernd konstant Leistung. Daher eignen sie sich schlecht, um überschüssigen erneuerbaren Strom, der in unregelmäßigen Mengen auftritt, optimal zu nutzen. Pumpspeicherkraftwerke mit variabler Drehzahl verwenden Leistungselektronik, um die Drehzahl kontinuierlich anzupassen. Dies ermöglicht eine präzise Steuerung der Pumpleistung. Bei Frequenzabfall kann die Pumpmenge schnell reduziert werden, wodurch das Stromnetz in die gleiche Richtung wie die Erzeugungskapazität gestützt wird. In Japan gilt das Kraftwerk Kannagawa (TEPCO) in der Präfektur Gunma als eines der weltweit größten Pumpspeicherkraftwerke. Es ist mit einer effektiven Fallhöhe von 653 m und – auf dem Papier – sechs Motor-Generator-Einheiten mit je 470.000 kW Nennleistung ausgelegt. Die maximale Leistung bei Betrieb aller Einheiten beträgt 2,82 Millionen kW. Derzeit sind die Einheiten 1 und 2 in Betrieb und erreichen eine maximale Leistung von 940.000 kW. Die technischen Details zu Pumpspeicherkraftwerken, einschließlich Drehzahlregelung und Kapazitätserweiterung, finden Sie im entsprechenden Abschnitt der Einführung in die Wasserkraft.

3. Langzeitspeicherung mit Wasserstoff – Stromspeicherung in Form von Molekülen

Die Grundidee der Wasserstoffspeicherung besteht darin, überschüssige Energie zur Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff zu nutzen, diesen komprimiert, verflüssigt oder unterirdisch zu speichern und ihn bei Bedarf mithilfe von Brennstoffzellen oder wasserstoffbetriebenen/mitbefeuerten Gasturbinen wieder in Strom umzuwandeln. Dieser gesamte Prozess wird als Wasserstoffspeicherung bezeichnet. Power-to-Gas-to-Power (P2G2P). Wasserstoff, der mit Strom aus erneuerbaren Energien wie Solar- oder Windenergie erzeugt wird, wird als „grüner Wasserstoff“ bezeichnet. Sein charakteristisches Merkmal sind die geringen CO₂-Emissionen während der Produktion.

Zu den Elektrolyseurtypen gehören die alkalische Wasserelektrolyse, die Polymerelektrolytmembran-Wasserelektrolyse (PEM) und Festoxid-Elektrolysezellen (SOEC), die bei höheren Temperaturen arbeiten. Die alkalische Wasserelektrolyse ist hinsichtlich Skalierbarkeit und Erfahrung führend, während PEM eine überlegene Reaktionsfähigkeit bieten soll und sich daher gut für schwankende erneuerbare Energien eignet. Der erzeugte Wasserstoff wird zur Speicherung und zum Transport mitunter in eine andere chemische Form – Hochdruckgas, flüssigen Wasserstoff oder Ammoniak – umgewandelt.

Neben der Stromerzeugung mit Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEFC) oder Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) wird für großtechnische Anwendungen auch die Stromerzeugung mit wasserstoffbetriebenen Gasturbinen in Betracht gezogen. Der Gesamtwirkungsgrad von Elektrolyse und Rückumwandlung liegt bei einer einfachen Konfiguration bei etwa 48 % (bei einem Elektrolysewirkungsgrad von ca. 80 %). Die Brennstoffzelleneffizienz liegt bei etwa 60 %. Die in der Literatur angegebenen Werte für Gesamtsysteme variieren zwischen 28 % und 52 %. Einige Studien sprechen von Werten im 60er-Bereich für fortschrittlichere Elektrolyseure in Kombination mit Festoxidsystemen und sogar über 80 % für zukünftige Hocheffizienzsysteme. Aktuell weist die gängige Konfiguration jedoch eine geringere Gesamteffizienz als Pumpspeicherkraftwerke auf.

Ein führendes Demonstrationsprojekt in Japan ist das Fukushima Hydrogen Energy Research Field (FH2R), das im März 2020 in Namie, Präfektur Fukushima, eröffnet wurde. Es kombiniert eine 20-MW-Solaranlage mit einer der weltweit größten alkalischen Wasserelektrolyseanlagen der 10-MW-Klasse (6 MW Nennleistung, 10 MW maximale Leistungsaufnahme). Diese Anlage kann im Nennbetrieb 1.200 Nm³ Wasserstoff pro Stunde produzieren. Das soll ausreichen, um etwa 560 Brennstoffzellenfahrzeuge zu betanken. (Brennstoffzellenfahrzeuge) und die Anlage dient als Demonstrationsstandort zur Validierung der gesamten Technologiekette, die überschüssigen erneuerbaren Strom in Wasserstoff umwandelt, diesen speichert und nutzt.

Abbildung 2 – Wasserstoff speichert Elektrizität durch Umwandlung in eine molekulare Form. Da sowohl bei der Elektrolyse als auch bei der Rückumwandlung Verluste auftreten, ist der Wirkungsgrad geringer als bei Pumpspeicherkraftwerken. Die Trennung des Speichermediums von der Erzeugungsanlage eignet sich jedoch für die langfristige Speicherung in großem Maßstab.

4. Vergleich der beiden Technologien

Ansprechgeschwindigkeit | Sekunden bis Minuten (schneller mit drehzahlvariablen Einheiten) | Abhängig von den Anlaufeigenschaften des Elektrolyseurs/der Brennstoffzelle |

Technologische Reife | Ausgereift (jahrzehntelange kommerzielle Betriebserfahrung) | Demonstrations- und Scale-up-Phase |

Sekundäre Anwendungen | Synchroner Kondensatorbetrieb, Schwarzstart | Vielseitigkeit als industrieller Wasserstoff und Kraftstoff |

Betrachtet man allein die Effizienz, ist Pumpspeicherkraftwerk im Vorteil, aber dieser Vorteil ist bedingt – „wenn geeignetes Gelände vorhanden ist“. Wasserstoff tauscht Effizienz gegen die Möglichkeit des Einsatzes auf flachem Gelände oder in Gebieten mit bestehender Infrastruktur und bietet Vielseitigkeit, die es ihm ermöglicht, neben der Stromerzeugung auch für andere Anwendungen (industrieller Rohstoff, Brennstoffzellenfahrzeuge, zukünftige Kraftstoffnutzung) genutzt zu werden. Anstatt dass das eine das andere ersetzt, ist es sinnvoller, sie als sich ergänzende Technologien zu betrachten, abhängig von Gelände, Nachfrage und vorhandener Infrastruktur.

5. Die Perspektive des Stromnetzes

Aus Sicht des Netzbetriebs sind weder Pumpspeicherkraftwerke noch Wasserstoffspeicher „Kraftwerke“ – beides sind „Zeitverschiebungsanlagen“. Reaktionen im Sekunden- bis Minutenbereich, wie die Frequenzregelung, lassen sich am besten mit Batterien oder drehzahlvariablen Pumpspeicherkraftwerken aufgrund ihrer überlegenen Reaktionsgeschwindigkeit realisieren. Energieverschiebungen im Stunden- bis Tagesbereich sind mit Pumpspeicherkraftwerken, die einen höheren Wirkungsgrad aufweisen, am besten möglich. Und bei länger andauernden Schwankungen, die die Speicherkapazität von Batterien oder Pumpspeicherkraftwerken allein nicht ausgleichen kann – beispielsweise bei mehrtägigem Schlechtwetter oder einer saisonalen Angebotslücke –, bietet sich die Speicherung von Energie aus molekularen Quellen wie Wasserstoff an.

In Marktmodellen wie dem Regelleistungsmarkt werden für jede angestrebte Reaktionszeit unterschiedliche Produktkategorien von Regelleistung definiert. Die Abstimmung der idealen Zeitskala einer Speichertechnologie auf das jeweilige Marktmodell ist entscheidend, um das Potenzial jeder Technologie optimal auszuschöpfen. Die Details dieses Marktsystems werden in der Einführung in virtuelle Kraftwerke (VPP) und der Einführung in Netzträgheit und Frequenzregelung erläutert.

Zusammenfassung: Abwägung zwischen Effizienz und Standortwahl

Pumpspeicherkraftwerke, ausgestattet mit etablierter Technologie und hohem Wirkungsgrad, ermöglichen Energietransfers innerhalb von Stunden bis wenigen Tagen. Wasserstoff ist zwar weniger effizient, bietet aber durch die flexible Entkopplung des Speichermediums von der Erzeugungsanlage die Möglichkeit, langfristige, großflächige Speicher zu realisieren, die mit Pumpspeicherkraftwerken nicht möglich sind, und seine Anwendungsmöglichkeiten über die Stromerzeugung hinaus zu erweitern.

Bei der Bewertung eines großflächigen Speicherprojekts sollten folgende Punkte geprüft werden:

1. Welcher Zeitraum wird angestrebt – Stunden, Tage oder Jahreszeiten?

2. Wie verhält sich der Wirkungsgrad im Vergleich zu Pumpspeicherkraftwerken?

3. Inwieweit hängt die Auslegung von den Standortbedingungen (Gelände, Land, bestehende Infrastruktur) ab?

4. Kann die Technologie über die Stromerzeugung hinaus auch für andere Zwecke genutzt werden (industrielle Nutzung, Verwendung als Brennstoff)?

Wenn Sie diese vier Punkte berücksichtigen, können Sie Pumpspeicherkraftwerke und Wasserstoffspeicher nicht als Konkurrenz zwischen „alt“ und „neu“ betrachten, sondern als sich ergänzende Technologien, die für unterschiedliche Zeiträume geeignet sind.

Referenzen

• U.S. Energy Information Administration – Großbatterien und Pumpspeicherkraftwerke geben etwa 80 % des gespeicherten Stroms zurück
• NREL – Pumpspeicherkraftwerke, jährliche Technologie-Baseline
• TEPCO Renewable Power – Repräsentative Wasserkraftwerke (Kraftwerk Kannagawa)
• Toshiba Energy Systems & Solutions – Fukushima Hydrogen Energy Research Field (FH2R)
• NEDO – Materialien zum Fukushima Hydrogen Energy Research Field
• Agentur für natürliche Ressourcen und Energie – Wasserstoffpolitik
• IEA – Wasserstoff
• International Hydropower Association – Pumpspeicherkraftwerke