Soll die Energieversorgung mit volatilen Quellen erfolgen, sind Speicher erforderlich. Erfahren Sie hier, wie Wind- und Sonnenenergie gespeichert werden.
In den nächsten Jahren muss unsere Gesellschaft die Energieversorgung auf regernative Quellen umstellen, wollen wir den Klimawandel begrenzen. Strom aus Windkraft und Solarenergie kommt bei dieser als „Energiewende“ bezeichneten Umstellung eine zentrale Rolle zu. Beide Energieträger ergänzen sich zwar hervorragend, doch ohne Speicherung lässt sich eine 100%-ige Versorgung kaum realisieren. Stromspeicher sind daher für das Gelingen der Energiewende essenziell, denn sie gleichen die Schwankungen der „volatilen“ Versorgung mit Sonnenenergie und Windkraft aus.
Pumpspeicherwerke und Batteriespeicher
Derzeit wird Wind- und Solarstrom vor allen auf zwei Wegen gespeichert: Über Pumpspeicherwerke und in Batteriespeichern verschiedener Größen. Pumpspeicherwerke sind dabei die älteren Speicher, Vorläufer wurden bereits lange vor der Industrialisierung genutzt, um Wassermühlen anzutreiben. Das Prinzip ist einfach: Ist Energie im Überschuss vorhanden, wird Wasser in ein oben liegendes Reservoir gepumpt, also seine potenzielle Energie erhöht. Bei Energiebedarf strömt das Wasser in das untere Reservoir, wobei die potenzielle in kinetische Energie umgewandelt wird. Mit der lässt sich ein Wasserrad antreiben. Oder eine Turbine, die in Drehung versetzt, wieder Strom erzeugt.
Pumpspeicherwerke zur Speicherung großer Mengen von Strom und zur Bereitstellung von Regelenergie werden bereits seit über 100 Jahren eingesetzt, für die Energiewende dürften sie aber wieder an Bedeutung gewinnen. Von Nachteil ist, dass sie unter den derzeitigen Rahmenbedingungen nicht wirtschaftlich betrieben werden können. So müssen die Betreiber „doppelte“ Netzentgelte sowohl für die Entnahme von Strom aus dem Netz als auch für die Einspeisung gespeicherten Stromes ins Netz zahlen. Auch ist es nicht leicht, die notwendigen Flächen für neue Großspeicher zur Verfügung zu stellen und viele ältere Pumpspeicherwerke haben Sanierungsbedarf.
Heim- und Gewerbespeicher
Batteriespeicher gibt es in allen Größen und Formen, von den kleinen Batterien für elektronische Geräte bis hin zu Megaspeichern für ganze Stadtteile. Von Bedeutung für die Energiewende sind Speicher ab einer Kapazität im kWh-Bereich, ausreichend, um z.B. einem Haushalt den am Tage anfallenden überschüssigen Solarstrom einer PV-Anlage am Abend zur Verfügung zu stellen. In diesem Bereich der sogenannten Heimspeicher dominieren derzeit Lithium-Ionen-Batterien, die es in verschiedenen Ausführungen gibt. Die wichtigsten sind Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt- (Li-NMC) und Lithium-Eisen-Phosphat-Speicher (Li-FePO4). Vor allem im gewerblichen Bereich sind noch Blei-Akkus, Redox-Flow-Batterien und Salzwasserbatterien im Einsatz, die allerdings aufgrund ihrer geringeren Energiedichte mehr Platz benötigen.
Alle diese Speicherarten haben Vor- und Nachteile. Bei den typischen Heimspeichern ist es vor allem das Metall Lithium, dessen Gewinnung aus Sicht des Umweltschutzes häufig kritisch betrachtet werden muss. In den vergangenen Jahren ist die Nachfrage nach Lithium und damit der Preis auch durch die weite Verbreitung von mobilen Geräten sowie durch die boomende Elektromobilität deutlich gestiegen. Aus ökologischen und ökonomischen Gründen hat daher eine Suche nach Alternativen begonnen. Der chinesische Autohersteller JAC hat Anfang 2023 ein Elektroauto auf den Markt gebracht, das von einem Natrium-Ionen-Akku angetrieben wird. Ob sich diese Alternative für die Mobilität und auch als Heimspeicher durchsetzt, wird die Zukunft zeigen.
Lithium-Ionen-Akkus kommen auch als modulare Großspeicher zum Einsatz, zum Beispiel für ganze Quartiere oder für Unternehmen. Die einzelnen Speichereinheiten werden dazu meist in „Racks“ angeordnet und in Containern montiert. Diese komplexen Speichersysteme werden dann über ein aufwändiges Batteriemanagementsystem angesteuert. Derzeit wird in Baden-Württemberg einer der weltweit größten Lithiumeisenphosphat-Stromspeicher mit einer Gesamtkapazität von 250 MW errichtet. Als „Netzbooster Kupferzell“ soll er ab dem Jahr 2025 dazu beitragen, das deutsche Stromnetz stabil zu halten.
Für Großspeicher bieten auch Redox-Flow- oder Durchflussbatterien eine Alternative, denn diese lassen sich leicht auf den entsprechenden Bedarf skalieren. In China wird aktuell ein Speicher mit einer Kapazität von 800 MWh auf Basis dieser Technologie gebaut, der bei einem Stromausfall über vier Stunden Regierung, Krankenhäuser, Krisenabteilungen, Kommunikationseinrichtungen und Rettungsdienste versorgen soll.
Hybridspeicher – das Beste aus zwei Welten
Neben den reinen Batteriespeichern spielen zunehmend auch sogenannte Hybridspeicher eine Rolle. Dabei werden unterschiedliche Technologien kombiniert, z.B. elektrochemische und elektrostatische Speicherung. Angewendet wird daneben die Kombination unterschiedlicher Batteriesysteme wie Lithium-Ionen und Natrium-Schwefel, bei denen die Lithium-Akkus eine gleichmäßige Spannung garantieren, während die Natrium-Schwefel-Akkus für eine effiziente Langzeitspeicherung sorgen.
Genutzt wird zudem die Kombination von elektrischer und thermischer Energiespeicherung. Überschüssiger Strom wird dann in Wärme umgewandelt, die z.B. Wasser erhitzt („Power to heat“). In einem Pufferspeicher bleibt die Temperatur über lange Zeit hoch. Die Speicherung ist zu geringen Kosten möglich und das Wasser kann z.B. im Haushalt als Warmwasser eingesetzt werden. Dieses Prinzip – den Strom als Warmwasser zu speichern oder direkt zu nutzen – wird aber auch schon im größeren Maßstab eingesetzt, so beim Bremer Energiedienstleister SWB. Die aus überschüssigem Strom erzeugte Wärme wird hier der Fernwärmeversorgung zur Verfügung gestellt.
Strom als Wärme speichern
Die Speicherung von Stromüberschüssen als Wärme bietet ein großes Potential, denn die Wärmeerzeugung macht ca. 70 % des Energieverbrauchs im Haushalt aus. Wird z.B. eine Wärmepumpe mit Solarstrom betrieben, lässt sich der Energiebedarf drastisch senken und das Haus selbst wirkt als Speicher für die bereitgestellte Wärme. Aber auch ein einfacher elektrischer Heizstab kann den überschüssigen Solarstrom „speichern“e eele indem er das Wasser in einem gut gedämmten Pufferspeicher erwärmt.
Neben „Power to heat“ bietet auch „Power to gas” – die Umwandlung von Strom in wieder verstrombare oder brennbare Gase – eine Möglichkeit, Strom aus erneuerbaren Quellen für die spätere Nutzung aufzubewahren. Ein Nachteil der Power-to-gas-Technologie besteht allerdings in der Effizienz. So liegt der Wirkungsgrad der Wasser-Elektrolyse bei ca. 70 % – die entstehende Abwärme kann anderweitig genutzt werden. Wird der entstehende Wasserstoff in der Brennstoffzelle wieder in Strom umgewandelt, liegt der Wirkungsgrad bei ca. 60 %, auch hier fallen 40 % Abwärme an. Der Gesamtwirkungsgrad des Speicherzyklus liegt somit bei etwa 40 %, bezogen auf den ursprünglich zur Verfügung stehenden Strom. Die Lagerung des Wasserstoffs unter hohem Druck oder die Weiterverarbeitung, z.B. zum ungefährlicheren Methan, bringen weitere Verluste mit sich. Wasserstoff als Speicher ist also nur sinnvoll, wenn ausreichend überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energien zur Verfügung steht, der nicht effizienter gespeichert werden kann. Wird Wasserstoff mit fossilen Energieträgern erzeugt, ist seine Umweltbilanz katastrophal, ein sinnvoller Beitrag zur Energiewende kann so nicht geleistet werden.
Alternative Stromspeicher
Neben den bisher genannten Arten von Stromspeichern bestehen zahlreiche weitere Möglichkeiten, überschüssige Energie für eine spätere Verwendung aufzubewahren. So gibt es Ideen, alte Bergwerke in der Form zu nutzen, dass bei hohem Stromangebot in den stillgelegten Schächten Lasten hochgezogen werden, die dann – ähnlich wie das Wasser im oberen Reservoir eines Pumpspeicherwerkes – eine hohe potenzielle Energie beinhalten. Fehlt es an Strom, werden die Lasten herabgelassen und treiben dabei Turbinen an.
Auch mittels Dampf lässt sich Strom speichern. Ist der im Überschuss vorhanden, wird Dampf erzeugt, auf einen Druck von etwa 60 Bar komprimiert und in einem Hochdrucktank gespeichert. Soll die Energie dann wieder abgerufen werden, treibt der Hochdruckdampf die Maschine in die umgekehrte Richtung an, die nun wieder Strom erzeugt. Man spricht hier von einem thermomechanischen Speicher.
Eine andere Form des Power-to-heat-Gedankens ist die Speicherung von überschüssigem Strom aus erneuerbaren Energien als Wärme in Vulkansteinen oder Flüssigsalz. Diese Substanzen können Wärme aufbewahren und diese über einen langen Zeitraum wieder zur Stromerzeugung abgeben. Die Anlage muss man sich als einen gigantischen Heizlüfter vorstellen, der das Speichermaterial erhitzt. Momentan sind diese Verfahren noch unwirtschaftlich, in Zukunft kann sich das aber ändern.
Auf besonders clevere Art nutzen sogenannte Eisen-Luft-Batterien eine elektrochemische Reaktion. Jede Zelle ist mit einem nicht-brennbaren Elektrolyt auf Wasserbasis gefüllt. Beim Aufladen wird Rost in elementares Eisen umgewandelt. Beim Entladen sorgt der Luftsauerstoff dafür, dass sich wieder Rost bildet. Zwar hat dieser Speicher einen enormen Platzbedarf, die Speicherkosten sind aber deutlich geringer als z.B. bei Lithium-Ionen-Batterien.
Einen komplett anderen Ansatz verfolgen schwedische Forscher, die Solarstrom in einer Verbindung speichern, ganz ohne elektrochemische Reaktion. Bei Sonneneinstrahlung wandelt sich diese zu einem energiereichen Isomer um (eine Verbindung aus den gleichen Bestandteilen aber mit anderer Struktur und anderen Eigenschaften). Die so gespeicherte Energie kann zu einem beliebigen Zeitpunkt wieder freigesetzt werden.
Geforscht wird derzeit auch an Batterien auf der Basis von Mikroorganismen. Auch wenn fraglich ist, ob diese im großen Maßstab als Teil des Energiesystems zum Einsatz kommen, für kleinere Anwendungen wie tragbare Geräte bieten sie jedoch einiges Potential.
Der kleine Exkurs ist längst nicht vollständig, verdeutlicht aber, dass es viele Wege gibt, Strom zu speichern und dass hier noch lange nicht alle Möglichkeiten ausgereizt sind.
