Energiespeicher: Die Schlüsseltechnologie für die Energiewende

Die Energiewende hin zu erneuerbaren Energiequellen ist ein zentraler Baustein für den Klimaschutz. Doch Wind- und Solarenergie haben einen entscheidenden Nachteil: Ihre Verfügbarkeit schwankt je nach Wetterlage und Tageszeit. An windigen und sonnigen Tagen wird oft mehr Strom erzeugt als verbraucht wird, während zu anderen Zeiten Engpässe entstehen können. Hier kommen Energiespeicher ins Spiel – sie sind die Schlüsseltechnologie, um erneuerbare Energien grundlastfähig zu machen und eine stabile Energieversorgung zu gewährleisten.

Warum Energiespeicher unverzichtbar sind

Energiespeicher erfüllen im Energiesystem der Zukunft mehrere wichtige Funktionen:

• Ausgleich von Erzeugungsschwankungen: Speicher nehmen überschüssigen Strom auf und geben ihn wieder ab, wenn die Nachfrage das Angebot übersteigt.
• Netzstabilisierung: Schnell reagierende Speicher können Frequenz- und Spannungsschwankungen im Stromnetz ausgleichen.
• Erhöhung des Eigenverbrauchs: Für Betreiber von Photovoltaikanlagen ermöglichen Speicher eine höhere Eigenverbrauchsquote und größere Unabhängigkeit.
• Versorgungssicherheit: Bei Netzausfällen können Speicher als Notstromversorgung dienen.
• Kostenoptimierung: Durch zeitlich verschobenen Stromverbrauch können Preisvorteile genutzt werden.
• Reduzierung des Netzausbaubedarfs: Lokale Speicher können Netzengpässe vermeiden und den Bedarf an neuen Übertragungsleitungen verringern.

Verschiedene Speichertechnologien im Überblick

Es gibt keine "One-Size-Fits-All"-Lösung für die Energiespeicherung. Verschiedene Technologien haben unterschiedliche Stärken und eignen sich für verschiedene Anwendungen. Hier ein Überblick über die wichtigsten Speichertechnologien:

1. Elektrochemische Speicher (Batterien)

Batteriespeicher sind derzeit die am weitesten verbreitete Speichertechnologie für dezentrale Anwendungen:

• Lithium-Ionen-Batterien: Hohe Energiedichte, hoher Wirkungsgrad (bis zu 95%) und sinkende Kosten machen sie zur bevorzugten Technologie für Heimspeicher und größere stationäre Anwendungen. Die Lebensdauer liegt typischerweise bei 10-15 Jahren bzw. 5.000-8.000 Vollzyklen.
• Redox-Flow-Batterien: Bei diesen Systemen wird die Energie in flüssigen Elektrolyten gespeichert. Vorteil: Leistung und Kapazität sind unabhängig voneinander skalierbar, und die Lebensdauer ist mit über 20 Jahren sehr hoch. Nachteil: geringere Energiedichte und höhere Kosten.
• Natrium-Schwefel-Batterien: Arbeiten bei hohen Temperaturen (300-350°C) und eignen sich für großtechnische Anwendungen. Sie zeichnen sich durch niedrige Materialkosten und lange Lebensdauer aus.

2. Mechanische Speicher

Diese Technologien nutzen mechanische Prinzipien zur Energiespeicherung:

• Pumpspeicherkraftwerke: Die bislang wichtigste Großspeichertechnologie. Wasser wird in ein höher gelegenes Becken gepumpt und später zur Stromerzeugung wieder abgelassen. Vorteile: sehr große Kapazitäten, lange Lebensdauer, schnelle Reaktionszeiten. Nachteil: hoher Flächenbedarf und geografische Einschränkungen.
• Druckluftspeicher: Luft wird unter hohem Druck in unterirdischen Kavernen gespeichert und bei Bedarf zur Stromerzeugung wieder entspannt. Vorteile: große Kapazitäten, lange Speicherdauer. Nachteile: vergleichsweise niedriger Wirkungsgrad bei konventionellen Systemen (adiabatische Systeme mit Wärmespeicherung erreichen höhere Wirkungsgrade).
• Schwungradspeicher: Energie wird in rotierenden Massen gespeichert. Vorteil: extrem schnelle Reaktionszeiten, hohe Leistung, viele Zyklen. Nachteil: begrenzte Speicherdauer durch Reibungsverluste.

3. Thermische Speicher

Diese Speicher nutzen Temperaturunterschiede zur Energiespeicherung:

• Warmwasserspeicher: Die einfachste und verbreitetste Form der thermischen Energiespeicherung, geeignet für Heizungssysteme und Solarthermie.
• Hochtemperaturspeicher: In konzentrierenden Solarkraftwerken werden häufig geschmolzene Salze als Wärmespeichermedium eingesetzt, um auch nach Sonnenuntergang Strom erzeugen zu können.
• Eisspeicher: Nutzt die Phasenübergangsenergie von Wasser zu Eis und umgekehrt. Besonders geeignet für Wärmepumpenanwendungen.

4. Chemische Speicher

Diese Technologien wandeln elektrische Energie in chemische Verbindungen um:

• Wasserstoff: Mittels Elektrolyse wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Der Wasserstoff kann gespeichert und später in Brennstoffzellen oder Gasturbinen verstromt werden. Vorteile: sehr große Speicherkapazitäten, lange Speicherdauer, Sektorenkopplung möglich. Nachteile: vergleichsweise niedriger Gesamtwirkungsgrad.
• Power-to-Gas: Wasserstoff kann mit CO2 zu synthetischem Methan (SNG) weiterverarbeitet werden, das ins bestehende Erdgasnetz eingespeist werden kann. Vorteil: Nutzung vorhandener Infrastruktur. Nachteil: zusätzliche Umwandlungsverluste.
• Power-to-Liquid: Erzeugung von flüssigen Kraftstoffen aus Strom, Wasser und CO2. Besonders interessant für schwer elektrifizierbare Bereiche wie die Luftfahrt.

Aktuelle Entwicklungen und Trends

Die Speichertechnologien entwickeln sich rasant weiter. Hier einige aktuelle Trends:

1. Sinkende Kosten bei Batteriespeichern

Die Preise für Lithium-Ionen-Batterien sind in den letzten zehn Jahren um mehr als 85% gesunken. Dieser Trend setzt sich fort, wenn auch mit abnehmender Geschwindigkeit. Gleichzeitig verbessern sich Lebensdauer und Leistungsparameter kontinuierlich.

2. Sektorenkopplung und Power-to-X

Die Verknüpfung der Sektoren Strom, Wärme, Verkehr und Industrie bietet vielfältige Speichermöglichkeiten. Besonders Wasserstoff gewinnt als universeller Energieträger an Bedeutung, wie die Nationale Wasserstoffstrategie der Bundesregierung zeigt.

3. Zweitnutzung von Elektrofahrzeugbatterien

Ausgediente Batterien aus Elektrofahrzeugen haben oft noch 70-80% ihrer ursprünglichen Kapazität und können als stationäre Speicher ein "zweites Leben" erhalten, bevor sie recycelt werden.

4. Virtuelle Kraftwerke und Smart Grids

Durch die Vernetzung vieler dezentraler Speicher können diese als "virtuelles Kraftwerk" gemeinsam gesteuert werden und so auch Systemdienstleistungen erbringen, die traditionell von Großkraftwerken bereitgestellt wurden.

Praxisbeispiele und Anwendungen

1. Heimspeicher für Photovoltaikanlagen

Batterie-Heimspeicher mit Kapazitäten von typischerweise 5-15 kWh ermöglichen Eigenheimbesitzern, den selbst erzeugten Solarstrom auch abends und nachts zu nutzen. Die Wirtschaftlichkeit verbessert sich kontinuierlich durch sinkende Batteriepreise und steigende Strompreise.

2. Quartierspeicher und Mieterstromlösungen

Größere Speicher für Mehrfamilienhäuser oder ganze Wohnquartiere ermöglichen Skalenvorteile und können zusätzliche Einnahmen durch Netzdienstleistungen generieren.

3. Industrielle Speicherlösungen

Unternehmen mit hohem Energiebedarf können durch Speichersysteme Lastspitzen kappen und so Netzentgelte reduzieren. Zudem bieten Speicher Schutz vor Stromausfällen und ermöglichen die optimierte Nutzung von Eigenerzeugungsanlagen.

4. Großspeicher für Netzdienstleistungen

Großbatterien im Megawattbereich bieten Systemdienstleistungen wie Frequenzregelung und Regelenergie an. Ein bekanntes Beispiel ist der 2018 in Betrieb genommene Batteriespeicher in Jardelund (Schleswig-Holstein) mit einer Leistung von 48 MW und einer Kapazität von 50 MWh.

Herausforderungen und Lösungsansätze

Trotz der vielversprechenden Entwicklungen gibt es noch einige Herausforderungen zu meistern:

1. Wirtschaftlichkeit

Obwohl die Kosten sinken, rechnen sich Speicherlösungen nicht in allen Anwendungsfällen. Anpassungen des regulatorischen Rahmens, wie die Befreiung von Speichern von der doppelten Belastung mit Netzentgelten, können die Wirtschaftlichkeit verbessern.

2. Rohstoffverfügbarkeit

Für Lithium-Ionen-Batterien werden kritische Rohstoffe wie Lithium, Kobalt und Nickel benötigt. Forschung an alternativen Batterietechnologien (z.B. Natrium-Ionen-Batterien) und effizientes Recycling sind wichtige Ansätze.

3. Langzeitspeicherung

Für saisonale Schwankungen werden Speichertechnologien benötigt, die Energie über Wochen oder Monate hinweg speichern können. Chemische Speicher wie Wasserstoff oder synthetisches Methan bieten hier großes Potenzial.