Energiespeicher: Die wichtigsten Zukunftstechniken

Energiespeicher: Die wichtigsten Zukunftstechniken

Energiespeicher sind entscheidend für das Gelingen der Energiewende. Warum wir auf verschiedene Technologien setzen müssen, erklärt Uwe Albrecht.

Ein Text von Uwe Albrecht, Geschäftsführer der Ludwig-Bölkow-Systemtechnik (LBST), einem international tätigen Beratungsunternehmen für nachhaltige Energie und Mobilität in München. Bis 2008 arbeitete Albrecht für Siemens.

Deutschland nimmt bei Ausbau und Nutzung erneuerbarer Energien eine internationale Vorreiterrolle ein. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Windenergie und Photovoltaik. Der damit erzeugte Strom fluktuiert jedoch wetterabhängig (siehe Grafik unten). Dies stellt unser Energiesystem vor neue Herausforderungen, da sich bei der Stromversorgung Angebot und Verbrauch immer entsprechen müssen.

Anzeige

Bisher übernehmen überwiegend fossile Kraftwerke den Ausgleich. Zukünftig müssen aber auch Energiespeicher eine ergänzende Rolle spielen, indem sie kurzfristig Fluktuationen in der Stromerzeugung dämpfen und langfristig in Zeiten hohen Angebots Energie speichern und diese bei großer Nachfrage oder bei zu wenig Wind und Sonne marktgerecht wieder abgeben.

In der öffentlichen Diskussion wird in diesem Zusammenhang gerne über „den besten Speicher“ diskutiert, der nun zu entwickeln sei. Den gibt es aber gar nicht.

Denn Schwankungen in der erneuerbaren Energieerzeugung kommen in ganz unterschiedlichen Größenordnungen und Zeitskalen vor. Eine Wolke schiebt sich in Sekunden vor die Sonne und verringert die Leistung einer kleinen Photovoltaikanlage für einige Minuten. Typische Variationen im Windaufkommen liegen dagegen im Bereich einiger Stunden und weisen zusätzlich ausgeprägte jahreszeitliche Unterschiede auf.

Dementsprechend muss im einen Fall nur wenig Energie über kurze Zeit gespeichert werden, dies aber dafür unter Umständen sehr oft; am anderen Ende des Spektrums steht die Speicherung sehr großer Energiemengen über lange Zeiträume zum saisonalen Ausgleich.

Den Superspeicher - gibt es nichtGrundsätzlich steht für die Speicherung elektrischer Energie eine breite Palette an Möglichkeiten zur Verfügung. Sie unterscheiden sich z.B. hinsichtlich Reaktionszeit, Speichervolumen, Ein- und Ausspeiseleistung und Entladetiefe. Aber auch andere Parameter wie Platzbedarf, Gewicht, Selbstentladung, Lebensdauer, Wirkungsgrad und selbstverständlich auch die spezifischen Kosten sind relevant. Je nach Anwendung können ganz unterschiedliche Speicherlösungen gefordert und dadurch verschiedene Speichertypen ‚ideal‘ sein.

1. Kurzzeitspeicher: Sie haben in der Regel die Aufgabe, schnell große Leistungen aufnehmen und wieder abgeben zu können. Die gespeicherte Energiemenge spielt dabei eine untergeordnete Rolle. Dafür geeignet sind z.B. Schwungräder, supraleitende Magnetenergiespeicher oder auch Hochleistungskondensatoren, die bereits heute unter anderem zum Ausgleich kurzfristiger Leistungsspitzen (im Sekundenbereich oder darunter) in Stromnetzen eingesetzt werden.

2. Batterien: Sie speichern Energie in elektrochemischer Form. Abhängig vom Batterietyp, der insbesondere durch die verwendete Elektrochemie bestimmt ist, können sie in vielen der eingangs genannten Parameter besonders gute Eigenschaften ausweisen und sind prinzipiell für ein vergleichsweise breites Spektrum an Anforderungen einsetzbar.

Besonders gute Werte eines bestimmten Merkmals gehen indes in der Regel zu Lasten anderer Eigenschaften.

So können Lithium-Ionen Batterien hohe Energie- und Leistungsdichten bei gleichzeitig hohem Zyklenwirkungsgrad und hoher Zyklenlebensdauer aufweisen, haben dafür aber höhere spezifische Kosten und erfordern mehr Aufwand für die Berücksichtigung sicherheitstechnischer Aspekte. Die ‚optimale‘ Batterie gibt es also nicht, sondern die Auswahl hängt immer von der Anwendung ab.

Dank generell schneller Reaktionszeiten und hoher Wirkungsgrade für Ein- und Ausspeicherung sind Batterien im stationären Einsatz für die häufige Speicherung kleinerer Energiemengen über kürzere Zeiträume (wenige Stunden) gut geeignet. Dies ist allerdings generell mit relativ hohen spezifischen Speicherkosten verbunden.

3. Großspeicher: Für die Speicherung großer Energiemengen kommen Pumpspeicher, Druckluftspeicher und die Speicherung in Form von chemischer Energie in Frage. Pumpspeicher gibt es schon sehr lange. Die größte existierende Anlage in Deutschland hat mit einem Gigawatt so viel elektrische Leistung wie ein Großkraftwerk, die es bei vollem Speicher 8,5 Stunden lang bereitstellen kann. Alle deutschen Pumpspeicher zusammen verfügen über eine Speicherkapazität von 40 Gigawattstunden, was etwa dem durchschnittlichen deutschen Strombedarf einer halben Stunde entspricht. Pumpspeicher sind vergleichsweise kostengünstige Speicher - aufgrund des massiven landschaftlichen Eingriffs ist ein Ausbau aber nur sehr eingeschränkt möglich.

In Druckluftspeichern wird Energie mechanisch in gasdichten Salzkavernen in Form von Druckluft gespeichert und bei Bedarf in einer Turbine wieder zu Strom gemacht. Die bei der Verdichtung anfallende Wärme muss ebenfalls gespeichert und bei der Rückverstromung eingesetzt werden. Geschieht dies nicht, muss die für die Expansion notwendige Wärme von außen, z.B. über einen mit Erdgas betriebenen Brenner zugeführt werden.

Druckluftspeicher mit Wärmespeicher werden „adiabatische Druckluftspeicher“ genannt und in Pilotprojekten bereits betrieben. Pumpspeicherkraftwerke und Druckluftspeicher eignen sich für eine kurz- bis mittelfristige Speicherung größerer Energiemengen, etwa als „Stundenspeicher“ für den Lastausgleich.

4. Speicher für die Superflaute: Für die langfristige Speicherung großer Energiemengen in Höhe des deutschen Stromverbrauchs mehrerer Stunden oder Tage (d.h. Energiemengen von Terawattstunden) kann nur die Umwandlung in einen chemischen Energieträger die erforderlichen Potentiale bereitstellen. Dafür wird Wasser unter Stromeinsatz via Elektrolyse in seine chemischen Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Der gasförmige Wasserstoff kann in großen Mengen kostengünstig in unterirdischen Salzkavernen über längere Zeiträume sicher gespeichert werden.

Daher rührt der mittlerweile gern verwendete englische Begriff „Power-to-Gas“. Wie andere chemische Brennstoffe, die wir heute verwenden (z.B. Erdgas, Benzin), ist Wasserstoff ein universeller Energieträger, der aus den unterschiedlichsten Primärenergien hergestellt und bei Bedarf sowohl im stationären als auch im mobilen Bereich eingesetzt werden kann.

Die effizienteste energetische Verwendung erfolgt in Brennstoffzellen zur Strom- und Wärmebereitstellung. Perspektivisch kommen hierfür jedoch auch effiziente Gas- und Dampfturbinen sowie stationäre Gasmotoren in Frage, die alle schnell regelbar sind. Zusätzlich ist Wasserstoff auch ein wichtiger Rohstoff z.B. für die chemische, petrochemische und metallverarbeitende Industrie.

Komplexes Energiesystem braucht angepasste LösungenDamit wird deutlich, dass der Einsatz von Speichern zu einem wichtigen – wenn nicht gar dem entscheidenden Element der Energiewende wird. Das Anwendungsspektrum reicht dabei von kleineren Batteriespeichern, die kurzfristige Schwankungen dezentraler Photovoltaikanlagen glätten bis hin zu Großspeichern, die in Zeiten hohen Windaufkommens große Energiemengen speichern und diese erst nach Tagen oder Wochen wieder zur Verfügung stellen.

Die Komplexität des Energiesystems spiegelt sich auch in den Anforderungen an entsprechende Speicherlösungen wider. Alle Lösungen müssen sinnvoll in den Systemzusammenhang eingebettet werden. Insbesondere Großspeicher benötigen signifikante Vorlaufzeiten mehrerer Jahre für deren Test und den Ausbau der erforderlichen Infrastruktur. Erste Pilotprojekte werden gestartet. Wir müssen heute handeln, damit uns in der nächsten Dekade angepasste und marktreife Lösungen zur Verfügung stehen.

Weitere Kolumnen von Uwe Albrecht:

- Warum Wasserstoffautos den Durchbruch schaffen

- Fracking: Drei Gründe warum wir es lassen sollten

Anzeige
Zur Startseite
-0%1%2%3%4%5%6%7%8%9%10%11%12%13%14%15%16%17%18%19%20%21%22%23%24%25%26%27%28%29%30%31%32%33%34%35%36%37%38%39%40%41%42%43%44%45%46%47%48%49%50%51%52%53%54%55%56%57%58%59%60%61%62%63%64%65%66%67%68%69%70%71%72%73%74%75%76%77%78%79%80%81%82%83%84%85%86%87%88%89%90%91%92%93%94%95%96%97%98%99%100%