Energiespeicher der Zukunft: So gelingt die Energiewende

Die Energiewende kann nur funktionieren, wenn es uns gelingt, den aus Solar oder Wind gewonnenen Strom effizient und kostengünstig zu speichern. Genau das ist derzeit noch ein Problem, doch es wird eifrig daran geforscht, dies zu ändern. Erfahren Sie in diesem Beitrag, welche Arten von Energiespeichern es derzeit gibt und wofür sie sich am besten eignen.

Wasserstoff-Tank
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Für Strom aus Wind und Sonne braucht es effiziente Energiespeicher

Das erwartet Sie in diesem Beitrag

Ein erster Überblick – diese Systeme gibt es

Energie lässt sich auf verschiedenste Weise speichern. Manche Speicherarten wie Pumpspeicher sind bereits lange bekannt, andere kamen im Verlauf der Jahre neu dazu. Hinsichtlich ihrer technischen Wirkungsweise lassen sich folgende Energiespeicher unterscheiden:

  • mechanische Energiespeicher (Pumpspeicher, Druckluftspeicher, Schwungradspeicher)
  • thermische Energiespeicher (sensible Wärmespeicher, Latentspeicher, thermochemische Speicher)
  • chemische Energiespeicher (Power-to-Gas-Speicher, Power-to-Liquid-Speicher, Power-to-Chemicals-Speicher)
  • elektrische Energiespeicher (magnetische Speicher, Superkondensatoren)
  • elektrochemische Energiespeicher (Batteriespeicher, Hybrid-Flow-Batteriespeicher)

Energiespeicher lassen sich nicht nur nach Energieform, sondern auch nach Speicherdauer klassifizieren. Manche eignen sich nur als Kurzzeitspeicher, anderen können als Langzeitspeicher genutzt werden. Beide Speicherarten haben ihre Daseinsberechtigung. Während mit Kurzzeitspeichern tageszeitliche Schwankungen ausgeglichen werden können, lassen sich mit Langzeitspeichern Energievorräte aufbauen (zum Beispiel für den Winter).

Teil 1: Mechanische Energiespeicher

Mechanische Energiespeicher basieren auf den Lehren von Isaac Newton, die Idee dahinter ist also bereits einige hundert Jahre alt. Die bekanntesten mechanischen Energiespeicher sind sicherlich Pumpspeicherkraftwerke oder Wasserkraftwerke ganz allgemein. Darüber hinaus wird noch mit Druckluftspeichern oder Schwungradspeichern experimentiert, um den aus Photovoltaik- oder Windkraftanlagen gewonnenen Strom zu speichern.

Pumpspeicherkraftwerke

Mit Pumpspeicherkraftwerken lässt sich Strom in großem Maßstab speichern. Die Technik dahinter ist wesentlich älter als Photovoltaik oder (moderne) Windkraft. Energie wird hierbei dadurch gewonnen, dass Wasser von einem höheren zu einem niedrigeren Niveau fließt und dabei einen Generator antreibt. Zu Zeiten, in denen genügend Strom vorhanden ist, wird das Wasser dann wieder von unten nach oben gepumpt.

Pumpspeicherkraftwerke benötigen sehr viel Platz und können sich zudem nicht überall errichtet werden. Daher eignen sie sich nur bedingt für die Energiewende, zumindest in Deutschland. In Norwegen oder in der Schweiz sieht das anders aus, dort lässt sich sehr viel Strom aus Wasserkraft gewinnen. Apropos Wasserkraft: Neben Pumpspeicherkraftwerken gibt es noch Laufkraftwasserkraftwerke, Gezeitenkraftwerke, Strömungskraftwerke oder Wellenkraftwerke, mit denen sich Strom erzeugen lässt.

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Stausee mit Staudamm für ein Pumpwasserkraftwerk

Druckluftspeicher

In Druckluftspeicher-Anlagen wird Energie in Form von komprimierter Luft gespeichert. Das kann in einem Tank, vor allem aber auch in unterirdischen Kavernen der Fall sein. Weltweit gibt es aber erst höchstens eine Handvoll dieser Anlagen und in Deutschland nur eine in Huntdorf. Sie gelten dennoch als eine Option für die Zukunft, insbesondere an der Nordsee- oder Ostseeküste gibt es hohe Potenziale – denn dort lässt sich Windenergie perfekt mit unterirdischen Salzstockkammern kombinieren.

Ein Nachteil: Wird komprimierte Luft wieder dekomprimiert, entsteht eine hohe Kälte. Damit der Generator nicht gefriert, muss er deshalb mit Gas beheizt werden. Ein Vorteil: Die Energie ist sofort verfügbar, wenn man sie braucht. Außerdem sind keine solch gravierende Eingriffe in die Natur notwendig, wie sie bei Pumpspeicherkraftwerken notwendig sind.

Schwungradspeicher

Schwungradspeicher eignen sich insbesondere für die kurze Energiespeicherung der Windkraft. Bei ihnen wird die Energie in Form von Rotationskraft gespeichert – im Detail durch ein sich schnell um die eigene Achse drehendes Schwungrad. Durch Reibungskräfte verliert diese Technik sehr schnell an Energie, weshalb sie sich nicht für eine Langzeitspeicherung eignet. Eher für das Abfedern von Lastspitzen.

Je schneller sich das Schwungrad dreht, desto mehr Energie lässt sich speichern. Üblich sind 20.000 bis 60.000 Umdrehungen pro Minute, es gibt aber auch Anlagen mit 100.000 Umdrehungen pro Minute. Irgendwann macht aber das Material jedoch die hohe Anzahl an Umdrehungen nicht mehr mit. Die Rotationsenergie lässt sich durch Abbremsen des Rotors wieder in Strom zurückverwandeln, das kann innerhalb von Bruchteilen von Sekunden geschehen.

Teil 2: Thermische Energiespeicher

Thermische Energiespeicher – also Wärmespeicher – braucht es, um die aus Solarthermien oder Abwärme gewonnene Energie über einen längeren Zeitraum nutzbar zu machen. Auch Strom aus erneuerbarer Energie kann auf diese Weise geparkt werden. Es existieren eine Vielzahl an Technologien, um Wärme zu speichern. Als Speichermedium dienen Wasser, Stahl, Flüssigsalze, Keramik, Vulkangestein, Thermoöl oder Phasenwechselmaterialien.

Die Deutsche-Energie-Agentur (dena) unterscheidet in einer Studie von 2021 über thermische Energiespeicher zwischen drei Speicherkonzepten:

  • Sensible Wärmespeicher: Durch Temperaturveränderung des Speichermediums
  • Latente Wärmespeicher: Nutzung des Phasenwechsels des Speichermediums (von fest zu flüssig)
  • Thermochemische Wärmespeicher: Wärmespeicherung in Form von reversiblen thermo-chemischen Reaktionen

Unterscheiden lassen sich thermische Energiespeicher zudem hinsichtlich der Speicherdauer (Langzeit oder Kurzzeit), der Verortung (zentral, dezentral oder gebäudeintegriert) sowie der Anwendung (Wärme- oder Kälteversorgung, Kopplung mit verschiedenen Wärmenetzsystemen).

Geothermisches Kraftwerk
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Geothermisches Kraftwerk für die Gewinnung von Energie aus Erdwärme

Folgende Wärmespeicher hat die dena für ihre Studie identifiziert:

WärmespeicherFunktionsweise
HeißwasserspeicherSpeicherung von heißem Wasser in einem isolierten Behälter unterschiedlicher Größe und Form. Gibt es als kleine Speicher für den Hausgebrauch bis hin zu Großwasserspeichern für die saisonale Wärmespeicherung in Wärmenetzen.
KieswasserspeicherHier dient ein Gemisch aus Kies und Wasser als Wärmespeicher. Dienen überwiegend als Langzeitwärmespeicher oder Zwischenspeicher für solare Nahwärmenetze.
AquiferspeicherHier wird Wärme in wasserführenden Gesteinsformationen in 100 bis 500 Metern Tiefe gespeichert. Das Wasser lässt sich zum Beispiel mit Hilfe von Solarthermien erwärmen.
ErdwärmesondenspeicherHier dient das Erdreich als Wärmespeicher, die Übertragung der Wärme erfolgt über die Sonden. Häufig in Kombination mit Photovoltaik- oder Solarthermie-Anlagen.
Power-to-Heat-AnlagenUmwandlung von elektrischer Wirkleistung in Wärme, zum Beispiel mit Widerstands-Heißwasserkessel (Tauchsieder-Prinzip) oder Elektroden-Heißwasserkessel
Kalte NahwärmeMit Hilfe von Wärmepumpen wird die Umgebungswärme (zwischen 10-25 Grad Celsius) auf das für die Warmwasser- und Heizungswärme erforderliche Niveau gebracht. Kann gut mit regenerativen Energien kombiniert werden.
EisspeicherDienen als Wärmequelle oder saisonale Wärmespeicher. Gibt es für Ein- und Zweifamilienhäuser oder größere Gebäude. Lassen sich in ein kaltes Nahwärmenetz einbinden.
Phasenwechselmaterial (PCM)Latentwärmespeicher, die einen hohen Anteil an Wärme- und Kälteenergie speichern und als Wärme je nach Bedarf phasenverschoben wieder abgeben.
SorptionsspeicherWärmespeicherung durch chemisch reversible Reaktionen oder den Sorptionsprozess. Zeichnet sich durch eine besonders hohe Energiedichte aus.
SaltX-AnlagenHier dient Salz als Speichermedium. Die Energie wird chemisch gespeichert, indem feuchtes Salz durch einen Trocknungsprozess erhitzt und so vom Wasser getrennt wird.

Teil 3: Chemische Energiespeicher

Chemische Energiespeicher sind sicherlich die Schlüsseltechnologie der Energiewende. Hierbei spielt der grüne Wasserstoff eine herausragende Rolle. Dieser entsteht durch die Hydrolyse von Wasser mit Strom aus erneuerbaren Energien. Mit der heute verfügbaren Technik kann Wasserstoff zwar noch nicht verwendet, doch lässt sich dieser zum Beispiel in synthetische Kraftstoffe umwandeln oder in Gas. Man spricht hierbei von Power-to-Gas oder Power-to-Liquid-Anlagen.

Wasserstofftank
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Wasserstoff lässt sich quasi klimaneutral verbrennen

Der große Vorteil von chemischen Energiespeichern liegt in der Eignung als Langzeitspeicher. Ist der grüne Strom erst einmal in Wasserstoff oder die oben genannten Produkte umgewandelt, lässt er sich beliebig lange lagern. Allerdings geht durch die Umwandlung jede Menge Energie verloren. Man rechnet damit, dass am Ende höchstens noch 40 Prozent der eingesetzten Energie übrigbleibt. Immerhin können die bereits vorhandenen Lagerkapazitäten genutzt werden.

Teil 4: Elektrische Energiespeicher

Elektrische Energiespeicher speichern die elektrische Energie ohne vorherige. Zu den Speichertechnologien zählen zum Beispiel supraleitende magnetische Speicher oder Kondensatoren:

  • Bei Spulen wird die Energie in elektromagnetischen Feldern gespeichert. Um diese Felder nahezu verlustfrei aufrechtzuerhalten, ist ein sehr geringer Innenwiderstand notwendig. Dies wird z. B. mit Supraleitern realisiert, indem diese auf extrem niedrige Temperatur abgekühlt werden.
  • Die Energiespeicherung in einem Kondensator beruht auf der Aufrechterhaltung eines elektrischen Feldes, in welchem Energie gespeichert ist. Im Zusammenhang der Energiespeicherung sind vor allem Superkondensatoren von Bedeutung.

Der Vorteil bei elektrischen Energiespeichern ist, dass keine Verwandlung der Energieform stattfinden muss. Dabei gibt es immer größere oder kleinere Wandlungsverluste. Der Nachteil: Elektrische Energiespeicher besitzen eine niedrige Energiedichte und sind recht teuer. Sie sind daher derzeit eher ein Nischenprodukt.

Ladestation für Elektrofahrzeuge
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Ladestation für Elektrofahrzeuge

Teil 5: Elektrochemische Energiespeicher

Hier finden wir uns in der weiten Welt der Batterien und Akkus wieder, wie sie zum Beispiel für E-Autos, aber auch für die Speicherung von Strom aus Photovoltaik-Anlagen benötigt werden. Zu nennen sind zum Beispiel:

  • Lithium-Ionen-Batterien
  • Nickelbasierte Batterien
  • Blei-Säure-Batterien
  • Hochtemperaturbatterien
  • Redox-Flow-Batterien

Elektrochemische Systeme bestehen aus Elektroden, die über einen Elektrolyten miteinander verbunden sind. Dieser fungiert als ionenleitende Phase. Ihnen kann elektrische Energie entnommen werden, Akkus können zusätzlich noch Strom einspeichern.

Bei elektrochemischen Energiespeichern lassen sich Niedertemperatur- und Hochtemperatur-Batterien unterscheiden. Ferner wird noch zwischen externen und internen Speichern unterschieden, letzteres trifft für die meisten Batterien zu.

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