Speicher entlasten Stromnetz und Geldbeutel
Energiespeicher sind aus unserem Alltag nicht wegzudenken. Batterien liefern den Strom, um unsere Taschenlampen zum Leuchten und unsere Uhren zum Ticken zu bringen. Akkus versorgen unser Smartphone und unseren Laptop für viele Stunden mit Strom und auch unsere Autos würden ohne Batterien nicht starten. Sie machen elektrischen Strom auch dort verfügbar, wo keine Verbindung an das Stromnetz möglich oder praktikabel ist. Dies macht sie für ein nachhaltiges und CO2-armes Energiesystem unverzichtbar.
Windkraft und Solarenergie sind die wichtigsten Lieferanten für grünen Strom: Wie viel Strom die Anlagen produzieren, hängt allerdings stark vom Wetter ab und ändert sich von Tag zu Tag. Für eine sichere Energieversorgung muss jedoch jederzeit ausreichend Strom verfügbar sein.
Das herkömmliche Stromnetz ist für einen relativ gleichmäßigen Energiefluss ausgelegt, den Kohle- und Atomkraftwerke bieten. Das künftige Energiesystem muss sich schnell an die stark schwankende Stromerzeugung anpassen können.
Mehr Strom aus Wind und Sonne nutzen: Wie können Speicher dazu beitragen?
Wenn Wind- und Solaranlagen mehr Strom erzeugen als gerade verbraucht wird, können Stromspeicher diesen sogenannten „überschüssigen“ Strom aufnehmen und ihn bei Bedarf wieder abgeben. So erhöhen sie den Anteil nutzbaren, grünen Stroms und entlasten gleichzeitig das Stromnetz.
Auch größere Wind- oder Solarparks sind häufig an Großspeicher angeschlossen. Als sogenannte netzdienliche Speicher können Stromspeicher das Stromnetz stabilisieren. Zum Beispiel, indem sie Primärregelenergie bereitstellen und darüber die Netzfrequenz bei ungefähr 50 Hertz halten. Die für die Energiewende benötigten Speichertechnologien sind dabei so vielfältig wie ihre Anwendungsgebiete.
Kurzzeitspeicher: Viel Energie schnell verfügbar machen
Kurzzeitspeicher sollen den Strom – wie der Name schon sagt – für kurze Zeitspannen von Sekunden bis einigen Stunden speichern. Diese Speicher müssen in möglichst kurzer Zeit große Mengen Strom aufnehmen und abgeben können. Zudem muss ihre maximal mögliche Kapazität über mehrere tausend Ladezyklen möglichst stabil bleiben. Sie werden zum Beispiel in der Netzstabilisierung, bei Heimspeichern oder in Elektrofahrzeugen eingesetzt.
Für mobile Anwendungen – also Handy, Stehroller oder Elektrofahrzeug – sind Lithium-Ionen-Akkus beziehungsweise Lithium-Polymer-Akkus die derzeit wichtigsten Technologien: Sie speichern viel Energie auf relativ kleinem Raum und sind leicht gebaut.
Um das Stromnetz in größerem Maßstab zu stabilisieren, eignen sich am besten Pumpspeicherkraftwerke. Diese Technologie ist schon altbekannt und läuft jahrzehntelang stabil.
Pumpspeicherkraftwerke benötigen allerdings sehr viel Platz. Außerdem können sie nur dort gebaut werden, wo ein entsprechender Höhenunterschied vorhanden ist, wie an einem Berg.
Auch Druckluftspeicher sind eine vielversprechende Technologie. Allerdings sind sie noch recht neu und es gibt weltweit bisher nur wenige einzelne Anlagen.
Langzeitspeicher: Energievorrat für schlechte Zeiten
Langzeitspeicher sollen große Mengen Energie über Zeiträume von Tagen bis Monaten möglichst verlustarm speichern. So können sie zum Beispiel den überschüssigen Strom vom Sommer im Winter nutzbar machen, Dunkelflauten ausgleichen oder kleineren Gemeinden und Quartieren als Notfallreserve dienen.
Dazu muss die elektrische Energie zunächst in eine geeignete Form umgewandelt werden, zum Beispiel in Wasserstoff, Methan oder Methanol.
Diese Gase beziehungsweise Flüssigkeiten lassen sich in unterirdischen Hohlräumen, sogenannten Kavernen, oder speziellen Tanks über lange Zeiträume lagern. Die elektrische Energie kann aber auch in Wärme umgewandelt werden und so in Gestein oder anderen geeigneten Materialien gespeichert werden und wieder in elektrischen Strom umgewandelt werden, wenn dieser benötigt wird.
Wie sieht die Batterie der Zukunft aus?
In den vergangenen Jahren ist die Zahl der Neuzulassungen für Elektrofahrzeuge in Deutschland stark gewachsen. 2020 wurden laut Kraftfahrt-Bundesamt knapp 200.00 Elektro-Autos neu zugelassen. Das ist eine Steigerung von rund 207 Prozent im Vergleich zu 2019. Und nicht nur Deutschland hat Bedarf an batteriebetriebenen Fahrzeugen.
Hinzu kommt, dass die Lithium-Ionen-Technologie auch für mobile Anwendungen wie Laptops und Smartphones benötigt wird. In den nächsten zehn Jahren soll die Nachfrage nach Lithium und Kobalt entsprechend um mindestens das Fünffache anwachsen.
Doch die Rohstoffe sind nicht unendlich verfügbar. Darüber hinaus verursacht die verstärkte Förderung der Rohstoffe massive Umweltschäden in oftmals ohnehin schon politisch instabilen Regionen.
Alternative Batterietechnologien, die sich einfach wiederverwerten lassen und weniger kritische Rohstoffe benötigen, könnten die Umweltbilanz von Elektrofahrzeugen und mobilen Anwendungen verbessern und die steigende Nachfrage nach leistungsfähigen, kompakten Stromspeichern auch in Zukunft bedienen.
Das leisten Wärme- und Kältespeicher
Auch in der Versorgung mit Wärme oder Kälte können Energiespeicher dabei helfen, den CO2-Ausstoß zu reduzieren.
Technologien, die Energie in Form von Kälte oder Wärme speichern können, werden thermische Speicher genannt. Jeder, der eine Heizungsanlage besitzt, nutzt regelmäßig einen Wärmespeicher zur Pufferung.
Die Wärmequellen sind verschieden. In der Industrie entsteht zum Beispiel sogenannte Prozesswärme, die abgeleitet und weiterverwendet werden kann. Solarthermie-Anlagen wandeln Sonnenstrahlung in Wärme um und nutzen diese etwa dazu, das Wasser im Schwimmbecken auf die gewünschte Temperatur zu bringen.
Auch Nachtspeicherheizungen, die insbesondere in den 1950er bis 1960er Jahren in Deutschland verbreitet waren und auch heute noch in alten Häusern verbaut sind, sind thermische Speicher. Nur werden diese mit Strom betrieben, ähnlich einem Wasserkocher oder den Steinen in einer Sauna.
Ein besonders guter Wärmespeicher ist gewöhnliches Wasser, das in möglichst isolierten Behältern – vergleichbar mit einer überdimensionierten Thermoskanne – eine hohe Temperatur über mehrere Stunden oder Tage halten kann. Kältespeicher funktionieren nach demselben Prinzip, mit dem Unterschied, dass das Wasser möglichst kalt bleibt.
