Energieversorgung: Ohne Speicher keine Energiewende

Das Potenzial der erneuerbaren Energiequellen ist groß genug, um den Bedarf der Menschheit vielfach zu decken. Unter wirtschaftlichen Aspekten werden derzeit Wind- und Sonnenkraft die größten Chancen zugeschrieben. Unter günstigen Bedingungen ist ihre Verstromung bereits kostengünstiger als die von konventionellen Energieträgern wie Kohle und Kernkraft.

Wofür brauchen wir dann Energiespeicher?

Doch ganz gleich, wie effizient und preiswert ihre Nutzung auch wird – die Erzeugung von Windstrom wird immer abhängig sein vom Wetter, die von Solarstrom außerdem von Tages- und Jahreszeit. Letzteres gilt auch für die direkte Nutzung der Sonnenwärme, etwa in solarthermischen Aufdachanlagen zur Erwärmung des Leitungs- und Heizungswassers oder als Prozesswärme in der Industrie. Dabei wird sie ausgerechnet, oder auch logischerweise, genau dann am dringendsten benötigt, wenn die Sonne am wenigsten Energie liefert: im Winter.

Welche Aufgaben erfüllen Energiespeicher?

Nachhaltige Energiesysteme brauchen Speicher, damit zu jeder Jahreszeit und bei jeder Wetterlage genug Energie – in Form von Strom, Wärme oder Brennstoffen – zur Verfügung steht.

Stromspeicher werden aber schon immer benötigt, um Produktions- und Verbrauchsschwankungen im Stromnetz auszugleichen. Denn ein Stromnetz ist immer nur so lang stabil, wie die Soll-Spannung (in Europa 50 Hertz) aufrecht erhalten bleibt. Und das ist nur der Fall, wenn Einspeisung und Verbrauch im Gleichgewicht sind.

Diese Balance wird durch zahllose Stromspeicher auf allen Netzebenen gehalten: Vom Pumpspeicherkraftwerk, das Schwankungen im Gigawattbereich über mehrere Stunden ausgleichen kann bis hinunter zu Schwungmassespeichern und Kondensatoren, die winzige Abweichungen in Sekundenbruchteilen korrigieren.

Produktionsseitige Schwankungen nehmen aus den genannten Gründen mit dem Anteil von Wind- und Sonnenstrom zu. Auch der Verbrauch könnte künftig stärker schwanken, etwa wenn Millionen von E-Autos geladen werden müssen. Die Internationale Energieagentur (IEA) schätzt, dass allein die Leistung installierter Batteriespeichern bis 2030 weltweit auf 585 Gigawatt (GW) steigen muss – von 17 GW Ende 2020.

Welche Innovationen gibt es bei Stromspeichern?

Seit Jahren drängen Forschungseinrichtungen, renommierte Unternehmen und Start-ups mit sehr unterschiedlichen Lösungen für „Stromspeicher“ auf den Markt. Der Innovationsgrad reicht von der Optimierung altbewährter Methoden wie Schwungradspeichern über die Skalierung marktreifer Technologien wie Lithium-Ionen-Akkus und Redox-Flow-Speichern bis hin zur Entwicklung neuer Konzepte wie Pumpspeicherkraftwerken unter Wasser, Salzwasserbatterien oder Speicher, in denen CO₂ verflüssigt wird. Jede dieser Technologien hat ihre spezifischen Stärken und dementsprechend optimale Einsatzgebiete im Energiesystem.

Batteriespeicher

Batteriespeicher sind gewissermaßen die Allrounder unter den Stromspeichern. Am gängigsten sind Lithium-Ionen-Akkus: Sie sind mittlerweile relativ preiswert, können Strom recht schnell einspeichern und wieder abgeben und haben eine hohe Energieeffizienz: Die Batterie gibt mehr als 90 Prozent der gespeicherten Energie wieder ab. Zudem sie sind nahezu beliebig skalierbar: Sie werden als Handyakkus und in Speicherkraftwerken mit mehr als 100 GW Leistung verwendet.

Eine Alternative sind Redox-Flow-Batterien. Sie gelten als etwas nachhaltiger, weil darin weniger seltene Rohstoffe verbaut sind und ihre volle Kapazität über deutlich mehr Ladezyklen halten als Lithium-Ionen-Akkus. Allerdings sind sie bei gleicher Leistung und Kapazität deutlich größer und schwerer, weshalb sie sich nur als stationäre Speicher eignen und nur dort, wo viel Platz ist. Zudem ist ihre elektrische Effizienz etwas niedriger.

Kondensatoren

Kondensatoren zeichnen sich durch eine extrem hohe Leistungsdichte aus und können Strom um ein Vielfaches schneller speichern und abgeben als Batterien. Das gilt insbesondere für Ultrakondensatoren. Außerdem gelten sie als unempfindlicher gegen Minustemperaturen. Allerdings können sie vergleichsweise kleine Mengen an Energie speichern. Außerdem sind Kondensatoren so teuer, dass sich ihr Einsatz nur dort lohnt, wo ihre Vorteile besonders wichtig sind.

Wasserspeicher

Den Gegenpol zu Kondensatoren bilden vielleicht Pumpspeicherkraftwerke und Stauseen. In Pumpspeicherkraftwerken wird Wasser mithilfe überschüssigen Stroms in ein höher gelegenes Becken gepumpt, das bei Bedarf wieder in das dazugehörige untere Becken gelassen wird und dabei wiederum über Turbinen Strom erzeugt. Auch Staumauern sind häufig mit Wasserkraftwerken ausgestattet, die nur bei erhöhtem Bedarf Strom erzeugen.

Trotz der hohen Investitionskosten gehören Wasserkraftwerke dank ihrer jahrzehntelangen Nutzungsdauer letztlich zu den kostengünstigsten Energiespeichern. Große Wasserkraftwerke können über Stunden und Tage hohe Leistungen bereitstellen und sogar jahreszeitliche Schwankungen von Erneuerbaren ausgleichen.

Weitere Stromspeicher

Neben den genannten gibt es zahllose weitere Technologien, die zur Stabilität der Stromversorgung beitragen können. So wird etwa in Dänemark ein Wärme- und Kältespeicher erprobt, der tagsüber überschüssigen Strom aus Solarenergie nutzen soll, um Basaltgranulat in einem Tank zu erhitzten und in einem weiteren zu kühlen. Der Temperaturunterschied kann dann nachts genutzt werden, um Strom zu erzeugen. Viele dieser Technologien wurden auf dem en:former bereits vorgestellt.

Wird nur Strom gespeichert?

Bei der Energiewende geht es nicht nur um Strom. Im Gegenteil: In Deutschland beispielsweise wird mehr als die Hälfte der Energie als Wärme genutzt. Nur ein kleiner Teil davon wird bisher aus erneuerbaren Quellen bezogen. Die Geothermie, also die Nutzung der Wärme im Erdinnern, könnte Abhilfe schaffen. Hierbei wäre die Produktion unabhängig von Wetter und Jahreszeit, nicht aber das Nutzungsprofil, sodass es sich lohnen könnte, im Sommer geförderte Wärme für den Winter zu speichern.

Ein weiterer Ansatz sieht vor Wärme, (sowie Kälte) künftig vermehrt elektrisch, zum Beispiel über Wärmepumpen, zu erzeugen. Experten sagen, dass die Speicherkosten für Wärmeenergie im Schnitt etwa halb so hoch liegen wie bei Strom. Auch hier könnte es sich also lohnen, Erzeugungs- und Bedarfsprofil durch Wärme-, statt Stromspeicher zu synchronisieren, zumal auch Wärmespeicher der Stromerzeugung dienen können.

Bisher sind Wärme- und Kältespeicher allerdings eher selten. Einige Logistiker aber nutzen bereits Zeiten des Stromüberschusses, um ihre Kühlhäuser sozusagen auf Vorrat zu kühlen.

Geht es bei Power-to-X nicht auch ums Speichern von Energie?

Unter dem Oberbegriff Power-to-X, kurz PtX, werden verschiedene Technologien zusammengefasst. Dabei werden mittels erneuerbaren Stroms chemische Reaktionen erzwungen, aus denen Gase oder Flüssigkeiten resultieren.

Ein Nachteil aller PtX-Technologien ist, dass sie eine vergleichsweise niedrige Effizienz haben: Es lässt sich also ein relativ kleiner Teil der aufgewandten Energie nutzen. Als Hoffnungsträger gelten sie deshalb vor allem bei Anwendungen, die sich nicht so einfach elektrisieren lassen wie die Eisenbahn oder die Raumwärme.

Insbesondere für kommerzielle Flugzeuge sind heutige Stromspeicher schlicht und ergreifend zu schwer. In bestimmten Industriezweigen wie der Zement– oder der Stahlproduktion können fossile Brennstoffe aufgrund der notwendigen chemischen Prozesse nicht vollständig durch grünen Strom ersetzt werden. Hier können PtX-Technologien zur Dekarbonisierung beitragen.

Wasserstoff

Der bekannteste PtX-Prozess ist wohl die Wasserstoff-Elektrolyse, bei der durch Aufspaltung von Wasser reines H₂ gewonnen wird. Ist der Strom nachhaltig erzeugt, nennt man es „grünen Wasserstoff“. Das Gas kann in begrenztem Maße ins Erdgasnetz gespeist werden. Künftig soll es aber eigene Wasserstoffnetze geben. Das Gas eignet sich als Treibstoff für Verbrennungsmotoren, Turbinen und Brennstoffzellen – also etwa zum Heizen, zur Stromerzeugung und zum Betrieb von Transportmitteln.

Synthetische Kraftstoffe

Zur Herstellung synthetischer Kraftstoffe wird der Wasserstoff mit Kohlenstoffen verbunden. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Dieselkraftstoff, Methanol und Flugbenzin herstellen. Die zusätzlichen Verarbeitungsschritte senken noch einmal die Energieeffizienz. Daher lohnt sich ihr Einsatz vor allem dann, wenn eine Umrüstung auf andere Energieträger zu aufwändig ist.

Allerdings werden Prozesse erforscht, die den Energieaufwand senken: In Österreich werden Urzeitorganismen in ausgebeuteten Gaskavernen genutzt, um aus grünem Wasserstoff und abgeschiedenem CO₂ ohne zusätzlichen Energieaufwand nachhaltiges Methan zu gewinnen, das dann wie herkömmliches Erdgas verwendet werden kann.

Nicht weniger innovativ sind Ansätze, die Sonnenwärme direkt – also ohne den Umweg der Stromproduktion – zur Brennstoff- oder Schwefelsäureproduktion zu nutzen.