CO2-Footprint of a Novel Pumped Hydro Energy Storage System

Zur Einhaltung des Pariser Klimaabkommens hat die erneuerbare Energieerzeugung eine zentrale Bedeutung. Der dafür notwendigen Transformation des Energiesystems sind nachhaltige Energiespeicher von hoher Relevanz. Eine neuartige Energiespeicher-Technologie ist Stored Energy in the Sea (StEnSea), welche am Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE) entwickelt wird. Bei StEnSea wird das gleiche Prinzip wie bei Pumpspeicherkraftwerken (PSW) angewendet, mit dem Unterschied, dass das untere Speicherbecken durch eine hohle Betonkugel realisiert wird, die auf dem Meeresboden installiert wird.
In dieser Arbeit wird der CO2-Äquivalent-Fußabdruck (CO2e) der StEnSea-Technologie berechnet und mit dem von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) verglichen. Für die LIB werden insbesondere die beiden Zellchemien Nickel-Mangan-Cobalt (NMC) und Lithium-Eisenphosphat (LFP) analysiert, da diese die größten Marktanteile haben. Der Fußabdruck setzt sich aus zwei Komponenten zusammen, die einzeln für die Technologien berechnet werden, aber im Vergleich beide berücksichtigt werden müssen. Zum einen entstehen bei der Produktion, d.h. vor der Inbetriebnahme, Emissionen und zum anderen durch den Betrieb des Speichersystems. Für einen fairen Vergleich werden die Systeme mit der gleichen Spezifikation ausgelegt und die Analyse wird für den gleichen Anwendungsfall und Betrachtungszeitraum durchgeführt. Aus den Analysen geht hervor, dass StEnSea einen CO2e-Fußabdruck von 2.184 tCO2e pro Einheit in der Produktion hat, was einem spezifischen Fußabdruck von 98 kgCO2e/kWhinstalliert entspricht. Der größte Anteil der CO2e-Emissionen stammt mit 83% aus dem Herstellungsprozess der Betonkugel. Die restlichen 17% fallen auf das technische System. Im Bereich der Betonkugel können signifikante CO2e-Einsparungen durch den Einsatz von alternativen Materialien erzielt werden. Durch den Einsatz von Net-Zero Circulation Concrete (NZC) können bei der Produktion von der Betonkugel die Emissionen auf null gesenkt werden, was noch einige Jahre in der Entwicklung benötigt, damit die erforderten Mengen für StEnSea produziert werden können.
Im Vergleich zu den Batterien haben die StEnSea-Speicher eine deutlich höhere Lebensdauer und unterliegen keiner zyklischen Alterung. Um diese Aspekte zu berücksichtigen, wird ein Vergleich mit gleichen Anwendungsfällen durchgeführt und der Betrachtungszeitraum mit 50 Jahren auf die erwartete Lebensdauer von StEnSea-Kugeln festgelegt. Bereits bei Anwendungsfällen mit geringer Zyklenzahl liegen die spezifischen Emissionen auf dem gleichen Niveau. Für eine steigende Zyklenzahl sinken die spezifischen Emissionen von StEnSea unterhalb derer von NMC-Batterien. Im Vergleich zu LFP-Batterien, bei denen heute schon weniger Emissionen anfallen und die Zyklenfestigkeit höher ist, sind die spezifischen Emissionen in etwa doppelt so hoch. Hier würde der gleiche Effekt, den man für die NMC-Batterien beobachten kann, erst eintreten, wenn Anwendungen mit höherer Zyklenzahl berücksichtigt würden. Die aufgezeigten Unterschiede sind jedoch nicht so groß, dass eine Technologie deswegen aus zukünftigen Vergleichen ausgeschlossen werden sollte.