Die Rolle von Wärmespeicherkraftwerken in der zukünftigen Stromversorgung

Im Folgenden wird ein Ausbaupfad der deutschen Stromversorgung bis zum Jahr 2040 vorgestellt, in dessen Ablauf insgesamt 21 GW Dampfturbinen und 49 GW Gasturbinen sowie 105 GWp Photovoltaikleistung als Wärmespeicherkraftwerke mit insgesamt 70 GW Nennleistung realisiert werden (Tab. 1). Unter Einbeziehung aller übrigen erneuerbaren Energie- und Speichertechnologien wird damit im Jahr 2040 ein erneuerbarer Anteil von 90 % an der jährlichen Stromerzeugung erreicht. Der Pfad wurde mit dem Modellinstrument ELCALC berechnet [6]. Der verbleibende fossile Restanteil wird in Form von Erdgas in den Gasturbinen der Wärmespeicherkraftwerke zugeführt. Durch die hochflexiblen Wärmespeicherkraftwerke bleibt eine Nettoengpassleistung von 70 GW trotz Stilllegung oder Umbau der bisherigen fossilen Kraftwerke erhalten.

Die Pfadmodellierung (Abb. 3 oben) startet im Jahr 2020 mit etwa 40 % erneuerbarem Anteil an der jährlichen Bruttostromerzeugung von 646 TWh/a und einer Spitzenlast von 83 GW. Das Referenzjahr 2020 ist charakterisiert durch eine bereits merklich schwankende Residuallast, die durch fossile thermische Kraftwerke gedeckt werden muss, durch erhebliche Stromexporte in die Nachbarländer und durch relativ wenige, unregelmäßige Lade-Entladezyklen der Pumpspeicherkraftwerke, da diese nur wenige und unregelmäßige Überschüsse zu verarbeiten haben. Dies gilt unter der anfangs beschriebenen Annahme, dass die Pumpspeicher nur tatsächliche physikalische Stromüberschüsse verarbeiten.

Der Nettostromverbrauch von 551 TWh/a wurde aus Gründen der Vergleichbarkeit in allen Modelljahren unverändert beibehalten. Fossile thermische Kraftwerke werden im Lauf der Zeit sukzessiv durch erneuerbare Kraftwerke ersetzt. Bis zum Jahr 2030 wurde vorrangig Leistung aus Photovoltaik sowie onshore- und offshore-Windkraftwerken hinzugefügt. Außerdem wurden bis 2030 knapp 11 GW Wärmespeicherkraftwerke zugebaut. Abb. 3 (Mitte) zeigt für 2030 deutlich die Rückkehr regelmäßiger Speicherzyklen für Pumpspeicherkraftwerke ebenso wie für Wärmespeicherkraftwerke, die dem starken Ausbau der Photovoltaik mit ihren typischen täglichen Produktionszyklen geschuldet ist. Exportüberschüsse verschwinden größtenteils, weil einige große, schwer regelbare Grundlastkraftwerke außer Betrieb gehen. Die bis dahin ausschließlich durch fossile Kraftwerke gedeckten Stromlücken werden zunehmend von Wärmespeicherkraftwerken via Photovoltaik-Direktstrom, Speicherbetrieb und Zufeuerung in Dampf- und Gasturbinen abgedeckt.

Bis 2040 wird eine konventionelle Kraftwerksleistung von 70 GW durch Wärmespeicherkraftwerke ersetzt, ohne Einbußen der heimischen Nettoengpassleistung hinnehmen zu müssen und ohne den deutschen Erdgasverbrauch zu erhöhen oder den Bedarf an Biomasse überstrapazieren zu müssen. Das Modell geht von einer Zufeuerung im Wärmespeicher mit Biomasse und dem Betrieb der Gasturbinen mit Erdgas aus. Die verschiedenen Betriebsweisen der Wärmespeicherkraftwerke sind in der modellierten Zeitreihe für das Jahr 2040 in Abb. 3 (unten) gut zu erkennen: in der Nacht vom 7.9. übernehmen die WSK eine kurze Stromlücke von nur wenigen Stunden. Vom 16. bis 18.9. herrscht dagegen eine längere Dunkelflaute, die durch Zufeuerung in die Wärmespeicher überbrückt wird, so dass die Dampfturbinen über längere Zeit in Grundlast laufen. Wird eine höhere Leistung nachgefragt, kommen die Gasturbinen und die Wärmerückgewinnung aus der Abhitze zum Einsatz.

An den meisten anderen Tagen arbeiten die Dampfturbinen im typischen Mittellastbetrieb abwechselnd mit direkt durchgeleitetem Photovoltaikstrom, wobei die Dampfturbinen entweder aus dem Wärmespeicher oder mit Zufeuerung betrieben werden. Es wird deutlich, dass die regelmäßigen Stromüberschüsse aus der Photovoltaik gut durch die Pufferspeicher (Wärme- und Pumpspeicher) verarbeitet und die verbleibenden Stromlücken der Residuallast zuverlässig durch die Wärmespeicherkraftwerke geschlossen werden können.

Bis zum Jahr 2040 übernehmen Wärmespeicherkraftwerke in unserem Modell mit 70 GW installierter Leistung und 213 TWh Jahresproduktion etwa 35 % der deutschen Stromversorgung und garantieren jederzeit ausreichende Nettoengpassleistung zur Deckung der maximalen Residuallast. Die restlichen 55 % erneuerbarer Energie stammen aus dem weiteren Ausbau erneuerbarer Energiequellen und den verfügbaren Pumpspeicherkraftwerken.