Energiespeichersysteme: Der Dreh- und Angelpunkt der Energiewende

Lässt sich mit erneuerbaren Energien allein eine Versorgungssicherheit für Deutschland schaffen? Ja, das geht! Eine der wichtigsten Stellschrauben, um das zu schaffen, sind jedoch effiziente Speichertechnologien.

Autor Lena Strauß, 25.06.19

Übersetzung Lena Strauß:

Bis 2035 sollen 55 bis 60 Prozent unseres Stroms aus erneuerbaren Energiequellen fließen, so lautet das erklärte Ziel der Energiewende in Deutschland. Ein überambitonierter Plan? Für eine deutliche Senkung unserer CO2-Emissionen keinesfalls! Dennoch halten einige eine Abkehr von den fossilen Energieträgern für riskant. Kritiker bemängeln vor allem die schwankende Verfügbarkeit von Strom aus erneuerbaren Energiequellen. Dass viele erneuerbare Energien Schwankungen unterliegen ist klar und lässt sich gut anhand der Sonnenenergie nachvollziehen: Die Produktion von Solarstrom ist insbesondere in den Mittagsstunden des Sommerhalbjahres hoch, in den Abendstunden des Winterhalbjahres ist sie dagegen sehr gering – also genau dann, wenn der Strombedarf der Bevölkerung am höchsten ist. Von solchen Schwankungen sind neben der Photovoltaik auch die Solarthermie, die Wind- sowie die Wellenenergie betroffen. Die höchste Verfügbarkeit innerhalb der regenerativen Energiequellen geht schließlich von Biomasse, Geothermie und Wasserkraft aus.

Dennoch kann mit erneuerbaren Energiequellen eine zuverlässige Stromversorgung gewährleistet werden, und zwar unter zwei Voraussetzungen:

1. Unser Energieversorgungssystem wird flexibler. Wenn die Energiegewinnung aus Sonne und Wind beispielsweise nicht ausreicht, schaffen erneuerbare Energiequellen mit hoher Verfügbarkeit einen Ausgleich. Flexibilisierte Biogasanlagen können solche Engpässe überbrücken.

2. Energiespeichersysteme kommen zum Einsatz. Überschüssige Energie wird dann für eine spätere Nutzung gespeichert, nämlich für den Fall, wenn der Bedarf die aktuelle Produktion übersteigt.

Energiespeicherung: Ein Problem mit vielen Lösungsansätzen

Tatsächlich gibt es im Bereich Energiespeicherung schon etliche Lösungen. Hier kann man schnell den Überblick verlieren. Deshalb möchte RESET mehr Klarheit in das Sammelsurium an Möglichkeiten bringen:

1. Grundsätzlich wird zwischen Kurz- und Langzeitspeichern unterschieden. Die Spannbreite reicht dabei von Subsekunden bis hin zu ganzen Jahren. 

2. Weitere Charakteristika sind die Speicherkapazität – wie viele Kilowattstunden in einem Kilogramm des Speichermediums stecken – sowie der Wirkungsgrad – wie viel der gespeicherten Energie schlussendlich als elektrische Energie verfügbar ist. Ausspeicherdauer, Speicherkapazität und Wirkungsgrad hängen wesentlich von der Art des Speichersystems ab: elektrisch, chemisch bzw. elektrochemisch, mechanisch oder thermisch. 

3. Eine ultimative Superlösung gibt es bislang nicht, aber für eine flexiblere Energieversorgung, die auf verschiedenen Quellen aufbaut, sind auch unterschiedliche Technologien gefragt. Elektrische Energiespeicher sind zum Beispiel Kondensatoren, die Energie zwar nur für ein sehr kurzes Zeitfenster speichern können, dafür aber äußerst effizient sind. Für die Speicherung von erneuerbaren Energien haben elektrochemische Speicher wie Batterien (z.B. Lithium-Ionen-Akkus) bereits eine höhere Relevanz, denn sie können Tagesschwankungen ausgleichen. So soll in Florida bis 2021 die größte solarbetriebene Batterie der Welt stehen. Allerdings sind Batterien in der Regel nicht gerade nachhaltig, da sowohl der Rohstoffabbau für die Produktion als auch die Entsorgung des Endprodukts ethisch bedenklich bzw. umweltbelastend ist. In Deutschland sind Pumpspeicher, die neben Druckluftspeichern zu den mechanischen Energiespeichern zählen, der Klassiker unter den Speichersystemen. Sie befördern Wasser mithilfe der überschüssigen Energie aus regenerativen Quellen einen Hang hinauf in einen Stausee hinein. Bei Bedarf lässt man das Wasser durch die Schwerkraft wieder nach unten fließen, wodurch über Turbinen Energie erzeugt wird. Eine andere, viel gefeierte Technologie – zumindest was die hohe Speicherkapazität und Ausspeicherdauer anbelangt – nennt sich Power-to-Gas. Dabei werden Wasserressourcen durch Energie in einem elektrolytischen Verfahren zu gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Der Wasserstoff lässt sich dann als Energieträger speichern und später zurückverwandeln. Jedoch ist das Verfahren nicht sonderlich wirtschaftlich, da der Umwandlungsprozess energetisch gesehen sehr verlustbehaftet ist.

Bei Energiespeichersystemen steht die Wirtschaftlichkeit meist im Vordergrund. Die Kosten für Anschaffung und Betrieb des Speichers können enorm sein. Außerdem findet beim Auf- oder Entladen des Speichers häufig eine Energieumwandlung statt, die nicht ohne thermische Verluste auskommt. Auch während der tatsächlichen Speicherdauer kann es zu Energieverlusten kommen. Innovationen im Bereich Energiespeicherung mischen die Branche jedoch ordentlich auf. RESET hat bereits viele dieser innovativen Ansätze unter die Lupe genommen und stellt hier die spannendsten Technologien vor.

Back to basics: Salz und Steine

Eine Methode, um erneuerbare Energien für die spätere Nutzung parat zu haben, ist deren Speicherung in Form von Wärmeenergie. Ein spannender Ansatz ist die Speicherung der Wärmeenergie in geschmolzenem Salz. Dieses Konzept existiert seit Jahrzehnten in Salzschmelzen, wurde nun aber weiterentwickelt: Mithilfe der überschüssigen Energie aus erneuerbaren Quellen wird eine Temperaturdifferenz geschaffen. Die Wärme wird dabei in geschmolzenem Salz und die Kälte in einer frostschutzähnlichen Flüssigkeit gespeichert. Bei Bedarf wird die thermische Energie in elektrische Energie zurückverwandelt.

© Siemens Gamesa Renewable Energy Im Hamburger Hafen wird ein neuer Energiespeicher aus 1.000 Tonnen Gestein erprobt.

Ein ebenfalls neuartiges Speichermedium wird demnächst in Hamburg in Betrieb genommen: Ein 1.000 Tonnen schwerer Steinspeicher, der sich in einem Isolierbehälter befindet, soll den täglichen Energiebedarf von rund 1.500 Haushalten decken. Aufgrund des preiswerten Ausgangsmaterials soll diese Technologie günstiger sein als andere Speichertechnologien.

Molekulares Potenzial für Solarkraft

Wie sieht es bei den Solaranlagen auf dem eigenen Hausdach aus? Das Einspeisen überschüssiger Energie ins Stromnetz erweist sich derzeit als wenig lukrativ, aber oft kann der Erzeuger selbst produzierte Solarenergie gar nicht verbrauchen. Das Startup Gensoric aus Rostock hat sich zum Einspeichern der so gewonnenen Energie Gedanken gemacht. Über einen Biokatalysator im Keller des Hauses wird die Solarenergie unter Zugabe von Wasser- und Kohlenstoffdioxidmolekülen zum Energieträger Methanol umgewandelt. Das gespeicherte Methanol kann bei Bedarf wiederum als Brennstoff genutzt werden. Das neuartige, ressourcenschonende Verfahren wurde bereits ausgezeichnet und wird von der EU unterstützt.

Ein anderer Ansatz stammt von einem Forscherteam der schwedischen Technischen Hochschule Chalmers, genannt Molecular Solar Thermal Energy Storage (MOST). Hier wird ein eigens konzipiertes Molekül, bestehend aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff, zu einem energiereichen Isomer, sobald es mit Sonnenenergie bestrahlt wird. Das Isomer befindet sich also in der Solarzelle selbst und kann in einem kreisförmigen Prozess vom Dach an die Heizungsanlage des Hauses weitergegeben werden. Die Energie ist in dieser Form theoretisch bis zu 18 Jahre lang speicherbar.

Die netzstabilisierende Wirkung von Schwungmasse

Auch unter den sogenannten Schwungmassenspeichern gibt es neuartige Ansätze. Diese Systeme speichern elektrische Energie als Rotationsenergie. So hat die Firma Adaptive Balancing Power das Adaptive Flywheel entwickelt. Es hat den Vorteil, dass es aufgrund seiner Bauform an die jeweilige Anwendung angepasst und dennoch unter Serienbedingungen gefertigt werden kann. Da diese Art von Speicher die Energie nur für ein paar Minuten speichern kann, ist sie vor allem für den Ausgleich von Netzschwankungen von Bedeutung.

Bestehende Strukturen und ihr „zweites Leben“

Und was passiert eigentlich mit der ganzen Infrastruktur für fossile Energien, wenn diese bald nicht mehr sind? Tatsächlich gibt es bereits Ansätze, den überholten Strukturen ein neues, nachhaltigeres Leben als Speichertechnologie einzuhauchen. Auf diese Weise lassen sich Kosten und Ressourcen sparen. So beschäftigt sich ein Startup in Schottland damit, stillgelegte Bergwerke als mechanische Energiespeicher nutzbar zu machen. In den alten Minenschächten werden Gewichte mittels Energie an Seilen nach oben bewegt und im Bedarfsfall zur Energieumwandlung wieder nach unten gelassen. In Deutschland entdeckt man außerdem, dass alte Kohlekraftwerke beste Voraussetzungen bieten, um erneuerbare Energien thermisch zu speichern.

© Gravitricity Ausgediente Minenschächte können mithilfe der Schwerkraft erneuerbare Energien speichern.

Nicht weniger interessant ist das „zweite Leben“ ausgedienter E-Auto-Batterien: Im Amsterdamer Fußballstadion dienen sie als Speichermedien, um vor allem bei Großveranstaltungen Energielastspitzen aufzufangen. Aber selbst intakte Batterien von Elektroautos könnten zu Standzeiten als temporäre Energiespeicher genutzt werden. Eine solche Vehicle-to-Grid-Lösung verfolgt das Münchner Unternehmen The Mobility House.

Auch was das Speichermaterial anbelangt, kommen Forscher auf ungewöhnliche Ideen der Wiederverwertung; Eierschalen, die normalerweise im Biomüll landen, eignen sich beispielsweise hervorragend für die Herstellung von kostengünstigen Lithium-Ionen-Kondensatoren.

Welche Hindernisse sind noch zu überwinden?

Der Mythos, dass eine vollständige Stromversorgung aus erneuerbaren Energiequellen nicht möglich sei, kann also getrost begraben werden. Es gibt bereits eine Menge effizienter Speichertechnologien, die die Energiewende entscheidend vorantreiben könnten. Trotz der vorhandenen Lösungen muss aber noch einiges passieren, damit die Sache richtig in Fahrt kommt. Das größte Problem sind vermutlich die fehlenden Anreize. Fossile Energien werden in Deutschland weiterhin stark subventioniert. Außerdem erhalten diejenigen, die erneuerbare Energien ins Stromnetz einspeisen, eine bedarfsunabhängige, feste Vergütung. Damit sehen zum Beispiel Windkraftbetreiber keinen ausreichenden Nutzen darin, direkt in Speichertechnologien zu investieren.

© Hochtief Solutions Das Konzept der Kugelpumpspeicher müsste unter realen Bedingungen getestet werden.

Viele Innovationen stecken zudem noch in der Testphase. So hat das Fraunhofer-Institut ein Pumpspeichersystem getestet, bei dem riesige Betonkugeln am Meeresgrund zum Einsatz kommen. Das Projekt, das zunächst am Bodensee durchgeführt wurde, ist mittlerweile ausgelaufen und müsste nun unter realen Bedingungen, sprich im Ozean, erprobt werden.

Mehr Unterstützung wäre nötig, um den Übergang solcher Entwicklungen in die Praxis zu beschleunigen. Da die Bereiche Energieerzeugung, Wärmeversorgung und Verkehrswesen aber zunehmend zusammenwachsen, dürfte das Thema Energiespeicherung künftig bedeutender werden denn je. Das Stichwort lautet hier „Sektorenkopplung“. Auch eine verstärkte Zusammenarbeit auf internationaler Ebene wäre im Energiesektor vonnöten. Vor allem der Politik kommt daher eine tragende Rolle zu. Sie kann die richtigen Hebel und Gelder in Bewegung setzen, damit sinnvolle Maßnahmen und Förderungen die Energiewende voranbringen.

Autorin: Lena Strauß, RESET-Redaktion (Juni 2019)

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