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Energiespeicher – Meilensteine für die Energiewende

Die Innovation von Speichertechnologien und der Ausbau von Speicherkapazitäten sind wesentliche Faktoren für eine sichere Versorgung im Zuge der Energiewende. Denn sie ermöglichen es, Wind- und Sonnenenergie entkoppelt von der Stromproduktion und -nachfrage zu nutzen.

Der massive Ausbau volatiler Energiequellen stellt die Energiewirtschaft vor immense Herausforderungen: Wind- und Solarenergieanlagen produzieren den Strom nach Wetterlage und nicht nach Bedarf. Um also Wind- und Sonnenenergie zeitversetzt nutzbar zu machen, muss der so erzeugte Strom gespeichert werden. Neue Speichertechniken und eine deutliche Steigerung der Speicherkapazitäten werden für die Versorgungssicherheit immer wichtiger – daher erforscht die Energiebranche zahlreiche neue Möglichkeiten der Energiespeicherung. Batteriespeicher, Wärmespeicher und Power-to-x-Technologien gelten derzeit als vielversprechende Lösungsansätze für die Zukunft.

en:former – der Energieblog von RWE informiert Sie über innovative Speichertechnologien und deren Bedeutung für die Energiewende. Diese Übersicht zu allen relevanten Bereichen der Energiespeicher führt Sie zu Spezialthemen und aktuellen Artikeln.

Was sind Energiespeicher?

Solarpaneele und Windkrafträder sind wetterabhängig, ohne Sonne und Wind produzieren sie keinen Strom. Erneuerbaren Strom liefern dann meist nur eher wetterunabhängige Energiequellen wie Biomasse oder Wasserkraft. Trotzdem wird ferngesehen, gekocht und beleuchtet, auch Industrieanlagen laufen zum Teil rund um die Uhr – Strom wird also zu jeder Tageszeit in unterschiedlichen Mengen, aber doch ständig benötigt.

Um unabhängig vom Wetter stetig Strom aus Erneuerbaren Energien bereitzustellen, muss der Strom gespeichert werden. Energiespeichern kommt mit dem Ausbau der Erneuerbaren Energien eine Schlüsselrolle zu, denn sie ermöglichen, aus der schwankenden Stromerzeugung der Erneuerbaren eine stetige Stromquelle zu schaffen.

Energie speichern durch Umwandlung

Energie speichern bedeutet fast immer Energie umwandeln. In einer Batterie oder einem Akkumulator beispielsweise wird Strom in chemische Energie umgewandelt. In einem Pumpspeicherkraftwerk wiederrum treibt der Strom eine Pumpe an, die das Wasser auf eine höhere Ebene befördert. Das hochgepumpte Wasser kann bei Bedarf nach unten geleitet werden und so eine Turbine zur Stromerzeugung antreiben. Auch hier wird Strom umgewandelt und zwar in potenzielle Energie.

Technische Herausforderung beim Energiespeichern

Bei der Umwandlung des Stroms in eine andere Energieform geht Energie verloren, meist in Form von Wärme. Ähnlich wie sich der Ottomotor im Auto beim Verbrennen von Benzin aufheizt und so Energie nach Außen abgibt, vergeht auch bei der Umwandlung von Strom Energie durch Erhitzung. Da sich dieser Verlust aufgrund von Reibung und Widerständen nicht völlig verhindern lässt, soll er möglichst geringgehalten werden. Wissenschaft und Forschung sind bemüht, effiziente Energiespeicher mit einem hohen Wirkungsgrad zu entwickeln. Lithium-Ionen-Akkus nehmen beispielsweise 90 Prozent der zugefügten Energiemenge auf und wandeln diese um.

Wozu werden die Energiespeicher der Zukunft benötigt?

Der Einsatz Erneuerbarer Energien hilft, Treibhausgasemissionen zu senken. Zur Erfüllung internationaler Klimaziele sind sie daher unabdingbar. Für die Versorgungssicherheit, durch eine auf den Bedarf angepasste Stromerzeugung, sorgen derzeit noch konventionelle Kraftwerke.

Hier kommen Energiespeicher ins Spiel. Sie sollen in erster Linie überschüssige Energie aus den Erneuerbaren aufnehmen und den Verbrauch zu Zeiten mit höherer Nachfrage ermöglichen. Schon jetzt erfüllen Energiespeicher eine wichtige technische Funktion, indem sie die Stromnetze stabilisieren.

Energiespeicher sichern Strombetrieb

Stromnetze können Strom nicht speichern, sondern nur transportieren. Dazu ist eine konstante Frequenz von 50 Hertz Voraussetzung. Schon kleine Änderung der Frequenz von 0,2 Hertz stellt das sensible Netz vor Probleme, größere Abweichungen können zu Stromausfällen führen. Mehr Verbrauch lässt die Frequenz senken, höhere Erzeugung diese steigen. Stromerzeugung und -verbrauch müssen daher immer genau aufeinander abgestimmt sein.

Erneuerbare Energien wie Windkrafträder oder Photovoltaikanlagen stellen durch ihren volatilen Charakter die Stromnetzte vor zusätzliche Herausforderungen. Besonders bei extremen Wetterlagen, wie Sturm, überfordert die Menge an Strom aus Windkraft das Netz. Doch auch an Tagen ohne besondere Wetterereignisse sorgen Wolken oder schwächer wehender Wind für kurzfristige Anpassungen in der Stromproduktion. Das Aufrechterhalten der Netzfrequenz wird durch den steigenden Anteil der Erneuerbaren Energien am Strommix noch anspruchsvoller.

Zu viel und zu wenig Strom im Netz kann zu Problemen wie Ausfällen, so genannten Blackouts, führen. Energiespeicher sichern das Stromnetz ab, indem sie überschüssigen Strom kurzfristig aufnehmen und bei Bedarf wieder an das Netz zurückführen. Sie bieten dem Netz damit einen Puffer in beide Richtungen. Batteriespeicher helfen schon jetzt dabei, das Stromnetz konstant stabil zu halten.

Welche Speichermöglichkeiten gibt es derzeit?

Die beiden derzeit am häufigsten eingesetzten Energiespeicher sind Pumpspeicherkraftwerke und Batteriespeicher. Ein Problem mit den derzeit vorhandenen Energiespeichern ist häufig eine schlechte Rentabilität. Damit sich das Speichern des überschüssigen Stroms rechnet, müsste der Strompreis zu Zeiten mit hoher Nachfrage weit über dem bei geringer Nachfrage liegen. Der Preisunterschied ist derzeit aber zu gering, weshalb viele Energiespeicher nicht rentabel betrieben werden können. Dadurch entsteht ein Paradoxon, in dem immer mehr Energiespeicher benötigt werden, sich Bau und Betrieb aber momentan wirtschaftlich häufig nicht lohnen.

Pumpspeicher: Strom mit Wasser gespeichert

Insbesondere das Geschäft mit Pumpspeichern ist davon betroffen. Neben den fehlenden Preisunterschieden sind Pumpspeicher stark von den geografischen Gegebenheiten abhängig. Ein Ausbau in Deutschland ist daher nicht absehbar. Aktuell sind diese Energiespeicher aber noch am häufigsten im Einsatz.

Der überschüssige Strom treibt bei einem Pumpspeicherkraftwerk eine oder mehrere Pumpen an. Damit wird Wasser an einen höher gelegenen Punkt befördert. Währenddessen wird der Strom in potenzielle Energie umgewandelt, da er bei Bedarf durch Antrieb einer Turbine erzeugt wird. Je höher das Wasser gepumpt wird, desto mehr ist die potenzielle Energie. Diese Energie wird beim Herabfallen des Wassers als Bewegungsenergie (kinetische Energie) wieder freigesetzt.

Kapazitäten von Batteriespeichern global wachsend

Batteriespeicher stabilisieren die Stromnetze und sorgen für mehr Flexibilität bei der Stromerzeugung. Ein schneller Wechsel zwischen Aufnahme und Abgabe von Strom stellt für Batterien größenunabhängig kein Problem dar. Batteriespeicher ermöglichen eine schnelle Reaktion auf Schwankungen im Stromverbrauch und bieten Flexibilität an der Stelle zwischen Erzeuger und Verbraucher.

Aufgrund ihrer Flexibilität sind Batteriespeicher vor allem in Bereichen sinnvoll einsetzbar, bei denen Strom unvorhergesehen schnell aufgenommen und wieder abgegeben werden muss. Dazu zählen beispielsweise Notstromsysteme in Krankenhäusern.

Batteriespeicher nehmen damit eine Schlüsselrolle für den Ausbau der Erneuerbaren Energien ein: Sowohl im kleinen Rahmen, als Energiespeicher für eine private PV-Anlage, als auch im großen Stil mit etlichen Solarmodulen wie in den USA. Dafür spricht auch, dass der Ausbau der Gesamtspeicherkapazität weltweit rasant wächst. Nicht nur führende Konzerne wie Tesla oder LG erweitern ihre Produktion, sondern auch Europa plant, Batteriespeicher selber zu bauen.

Für den Bau von Batteriespeichern sind große Mengen an Batterien unbedingt notwendig. Die Systeme werden häufig in Schiffscontainern verbaut, darin befinden sich mehr als hundert Batteriemodule. Ein Batteriemodul enthält wiederum je 100 Lithium-Ionen-Zellen, vergleichbar mit denen aus dem Automotive-Bereich. Ein Batteriespeicher besteht aber meistens aus mehreren Schiffscontainern. Der Batteriespeicher, den RWE am Pumpspeicherkraftwerk Herdecke betreibt, umfasst beispielsweise drei solcher Schiffscontainer und somit etwa 55.000 einzelne Batteriezellen. Das entspricht einer Kapazität von sieben Megawattstunden, die eine Stunde lang den durchschnittlichen Bedarf von 17.000 Haushalten decken könnten.

Batterie- und Pumpspeicher gekoppelt

Der beschriebene Batteriespeicher in Kombination mit dem Pumpspeicherkraftwerk ist ein gutes Beispiel für die Sicherung des Netzbetriebs: Die kurzfristige Speicherung ist bei Batteriespeichern vollkommen ausreichend, solange die Grundlast aus konventionellen Energiequellen stammt. Kombiniert mit einem Pumpspeicher kann aber auch Strom aus Erneuerbaren langfristig gespeichert werden. Der Batteriespeicher hält in erster Linie die Netzfrequenz konstant, während der Pumpspeicher überschüssigen Energie für einen längeren Zeitraum aufnimmt.

Intelligente Netze verbinden alle Stromerzeuger

In Zukunft sollen intelligente Netze das Verhältnis zwischen der produzierten und verbrauchten Strommenge koordinieren. So kommen Erzeuger, Verbraucher und Speicheranbieter zusammen. Zukünftig könnten daher sogar E-Autos Teil dieser intelligenten Stromnetze werden. Dabei sollen die Batterien der Autos überschüssige Energie aufnehmen. Mittels Smart Grids können die Erneuerbaren besser in das Stromnetz integriert werden. Dazu gehören private Photovoltaikanlagen auf Hausdächern genauso wie die Stromlieferanten der großen Energieversorger. Zukünftig könnten so auch E-Autos Energiespeicher innerhalb eines Smart Grids werden.

Was ist der Energiespeicher der Zukunft?

Bevor Autos mit Elektroantrieb großflächig als Energiespeicher auftreten können, müssen sie sich weiter durchsetzen. Andere Energiespeicher der Zukunft haben das mit ihnen gemein: Zwar gibt es zahlreiche Überlegungen zu innovativen Energiespeichern, aber über eine Pilotanlage haben es bisher die wenigsten hinausgeschafft.

Die Herausforderung für den Energiespeicher der Zukunft ist, dass er vielfältige Anforderungen erfüllen muss. Neben einer langfristigen und zuverlässigen Speicherdauer und -kapazität muss er vielseitig einsetzbar und bestenfalls an bestehende Infrastrukturen anknüpfbar sein. Außerdem sollte der Energiespeicher keine zusätzlichen Emissionen verursachen, da sonst die Speicherung von nahezu emissionsfreien Erneuerbaren wenig sinnvoll ist.

Power-to-X: Erneuerbarer Strom wird zum Kraftstoff

Damit Strom gespeichert werden kann, muss er fast immer umgewandelt werden. Beispielsweise, wenn der Strom zur Elektrolyse verwendet wird und Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Die im Strom enthaltene Energie wird so umgewandelt und im Wasserstoff gespeichert. Diese Energie kann dann bei Bedarf auf unterschiedliche Arten wiederverwendet werden.

Ein Beispiel: Der Stromerzeuger stellt Strom zur Elektrolyse bereit und ein Chemieunternehmen nutzt den Wasserstoff zur eigenen Produktion. Alternativ kann der Wasserstoff auch eine Brennstoffzelle antreiben oder anderweitig energetisch verwendet werden. Diese Form der Sektorkopplung und Umwandlung des Stroms in ein anderes Medium nennt man Power-to-X.

Beim sogenannten Power-to-Gas-Verfahren wird Strom in Wasserstoff oder ein anderes Gas umgewandelt. Der Strom kann auch in Wärmeenergie oder mittels Wasserstoff in flüssige Kraftstoffe umgewandelt werden. Diese Verfahren heißen analog Power-to-Heat und Power-to-Liquid. Dieser gekoppelte Umwandlungsprozess unterstützt die Energiewende, da Strom aus Erneuerbaren gespeichert und in anderen Prozessen emissionsfreundlich eingesetzt werden kann. Auch wenn es paradox klingt, auf diese Weise kann Wind auch im Winter wärmen.

Flüssiges Salz als Energiespeicher

Bei Power-to-X-Projekten muss in der Regel neue Infrastruktur geschaffen werden. Tanks für die Speicherung von Wasserstoff sind nur ein Beispiel dafür. Ein anderer Ansatz ist der Anschluss der Energiespeicher an bestehende Infrastrukturen wie beispielsweise Kohlekraftwerke. In einem gemeinsamen Projekt bauen RWE, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt und die RWTH Aachen eine Pilotanlage. Dabei wird ein bestehendes Kohlekraftwerk zu einem Hybridkraftwerk mit Wärmespeicher umgebaut.

Mit überschüssigem Strom aus Erneuerbaren soll in einem elektrischen Erhitzer Flüssigsalz auf Temperaturen von bis zu 600 Grad Celsius erhitzt werden. Danach wird das heiße Flüssigsalz in einem Tank gespeichert. Wird Strom benötigt, wird das heiße Flüssigsalz zur Erzeugung von Wasserdampf genutzt, der gemeinsam mit dem Dampf aus der Kohleverbrennung das Kraftwerk antreibt. Der Vorteil: Salz speichert Energie deutlich besser als Wasser. Das System hat das Potenzial die bestehenden Kraftwerke auch über die Zeit des Kohlestroms hinaus zu erhalten. So könnten die Wärmespeicher die Kohleverfeuerung perspektivisch komplett ersetzen.

Eisen statt Kohle verbrennen

Ein Projekt an der TU Eindhoven (TU/e) knüpft ebenfalls an eine bestehende Infrastruktur an. Das Besondere: Die Wissenschaftler der TU/e erforschen Feststoffe als Brennmittel und Energieträger. Konkret haben sie einen kreisförmigen Prozess entwickelt, in dem Eisenpulver zunächst verbrannt wird und dabei Energie abgibt. Vom verbrannten Eisen bleibt Eisenoxid, auch als Rost bekannt, übrig. Dieses kann mittels einer chemischen Reaktion mit Wasserstoff wieder in den Ausgangszustand zurückgebracht werden. Dafür wird Energie benötigt, die aus erneuerbaren Quellen stammen kann, und so im Eisenpulver gespeichert wird.

Zusammenfassung und Überblick Energiespeicher

Energiespeicher sollen in Zukunft vorwiegend Energie aus erneuerbaren Quellen, speziell Wind- und Solarenergie speichern. Damit bilden Energiespeicher mehrere wichtige Aspekte ab:

  • Sie machen Strom aus Erneuerbaren flexibel nutzbar
  • Energiespeicher sorgen für einen stabilen Netzbetrieb
  • Verschiedene Sektoren werden durch das Speichern von Energie verbunden (Power-to-X)
  • Energiespeicher unterstützen den verminderten Ausstoß von CO2

Nicht alle Technologien der Energiespeicherung sind für den industriellen Einsatz ausgereift, der wirtschaftliche Betrieb nicht immer gewährleistet. Industrie und Wissenschaft arbeiten gemeinsam an diversen Projekten, um den Energiespeicher der Zukunft zu entwickeln. Wir halten Sie hier auf dem Laufenden und informieren Sie ständig über neuen Entwicklungen bei Energiespeichern.

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