Die Energiespeicher der Zukunft

In diesem Artikel liest du folgendes rund um die Energiespeicher der Zukunft:

• Die Energiespeicher der Zukunft
• Was ist ein Energiespeicher?
• Gängige Energiespeicher
• Gibt es bei der Energiespeicherung einen Optimierungsbedarf
• Mögliche Energiespeicher der Zukunft
• Welcher Energiespeicher ist tatsächlich zukunftsfähig?

Die Energiespeicher der Zukunft

Um die Energiewende voranzutreiben und unseren Nachkommen eine weitestgehend intakte Umwelt zu überlassen, muss der Einsatz erneuerbarer Energien zur nachhaltigen Strom- und Wärmeerzeugung stärker vorangetrieben werden. Da die Energiegewinnung durch Sonne und Wind saisonal- und wetterbedingt schwankt, sind Stromspeicher die Brückentechnologie der Energieversorgung. Aber wie kannst du überschüssige elektrische Energie längere Zeit speichern? In diesem Beitrag erfährst du, welche Technologien es gibt und wie die Energiespeicher der Zukunft aussehen könnten.

Was ist ein Energiespeicher?

Ein Energiespeicher nimmt Energie auf und gibt sie bei Bedarf zu einem späteren Zeitpunkt wieder ab. Nach der Energieabgabe (dem Entladen) kann er wieder neu geladen werden. Aktuell gibt es grundsätzlich 2 Arten, elektrische Energie zu speichern, nämlich in

• Kurzzeit- und
• Langzeitspeichern.

Kurzzeitspeicher (Batteriespeicher, Druckluftspeicher, Pumpspeicherkraftwerke) sind in der Lage, an einem Tag wiederholt Energie aufzunehmen und abzugeben.

Langzeitspeicher (Wasserstoff/Methan, große Speicherwasserkraftwerke) hingegen speichern elektrische Energie über Tage oder Wochen.

Gängige Energiespeicher

Um eine Netzstabilität zu garantieren, nutzt das deutsche Stromversorgungssystem heute vor allem große Pumpspeicher. Durch sie werden erneuerbare Energien grundlastfähig. Zudem machen sie Grundlastkraftwerke (zum Beispiel Braunkohlekraftwerke) überflüssig. Große Pumpspeicher gleichen Erzeugung und Verbrauch aus. Batteriespeicher eignen sich für die Bereitstellung von Primärregelleistung, weil sie große Leistungsänderungen schnell umsetzen können.

Pumpspeicherkraftwerke

Wird elektrische Energie benötigt, fließt das Wasser von einem Oberbecken in ein Unterbecken. Eine Wasserturbine nutzt die dadurch freigesetzte potenzielle Energie, um einen Generator zum Laufen zu bringen. Dadurch erzeugt dieser Strom, der ins Stromnetz eingespeist wird. Derzeit dürften Pumpspeicherkraftwerke (PSW) eine der wirtschaftlichsten Möglichkeiten sein, elektrische Energie zu speichern. Außerdem ist Wasser eine erneuerbare Energie und somit auch eine nachhaltige Art der Energieerzeugung.

In Deutschland gibt es 30 Pumpspeicherkraftwerke mit einer Netto-Gesamtleistung um die 6.500 Megawatt. Die Stromspeicherkapazität wird vor allem von technisch ausgereiften Pumpspeichern übernommen. Bislang sind sie die einzige großtechnische Speichertechnologie für Strom und das seit rund 100 Jahren.

Batteriespeicher

Batteriespeicher sind elektrochemische Speicher, die sich in der Praxis bereits bewährt haben. Lithium-Ionen-Akkus sind dabei, Blei-Säure-Batterien abzulösen. Batteriespeicher werden bevorzugt zur Speicherung von Strom aus Solaranlagen und Windanlagen eingesetzt.

Solarstromspeicher sind noch relativ teuer. Daher ist ihr Einsatz nicht immer wirtschaftlich. Für die kommenden Jahre werden aber Kostensenkungen erwartet. Zudem bietet die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) das Förderprogramm 270 an. Wenn du eine Photovoltaikanlage und einen Solarstromspeicher kaufst, gibt es von der KfW für den Speicher zusätzliche Gelder. Auch viele Bundesländer fördern Stromspeicher.

Werden Solarbatterien nicht fachgerecht entsorgt, schaden sie der Umwelt. Denn Blei und Lithium sind Umweltgifte. Der Rohstoff Lithium ist umstritten, da die weltweiten Reserven begrenzt sind. Zudem wird zum Abbau in Minen sehr viel Wasser benötigt. Gleiches betrifft natürlich auch den Akku des Elektroautos als Stromspeicher. Allerdings wird daran gearbeitet, Akkus, die nicht mehr die für den Einsatz im Elektroauto erforderliche Leistung bringen, als stationäre Stromspeicher umzuwandeln. Denn sie haben dann immer noch mehr als 70 bis 80 Prozent Energieinhalt und können wahrscheinlich um die 10 Jahre lang als elektrische Speicher eingesetzt werden.

Gibt es bei der Energiespeicherung einen Optimierungsbedarf

Lithium-Ionen-Akkus sind technisch ausgereift. Allerdings könnten Kapazität, Gewicht und Lebensdauer optimiert werden. Weltweit wird daran geforscht, Batterien zu entwickeln, die mit weniger oder anderen Rohstoffen auskommen und kleiner sowie leistungsstärker sind. Bedingt durch die weltweit wachsende Elektromobilität werden zur Herstellung benötigte Rohstoffe knapp.

Es ist daher davon auszugehen, dass Lithium-Ionen-Batterien den weltweiten Bedarf in naher Zukunft nicht mehr allein decken können. Dann wird es aber auch nicht zu den prognostizierten Preissenkungen kommen. Schließlich bestimmen auch hier Angebot und Nachfrage den Preis.

Mögliche Energiespeicher der Zukunft

Durch die Energiewende kommt es zur Sektorkopplung. Das heißt, dass sich Anwendungen aus den Bereichen Strom, Wärme und Mobilität auf Basis erneuerbarer Energien vernetzen. Hierbei spielen Energiespeicher in Zukunft eine entscheidende Rolle.

Unter dem Oberbegriff „Power-to-X" werden bereits zahlreiche innovative Lösungsansätze entwickelt. „Power“ steht hier stellvertretend für Stromüberschüsse, die in gewissen zeitlichen Abständen auftreten. Der Buchstabe „X“ bezieht sich auf die verschiedenen Energieformen oder den Einsatzzweck. Die Power-to-X-Technologien lassen sich wie folgt einteilen:

• Power-to-Gas (Erzeugung von Gas aus Strom)
• Power-to-Heat (Erzeugung von Wärme aus Strom)
• Power-to-Liquid (Erzeugung von flüssigem Kraftstoff aus Strom)

Power-to-Gas

Power-to-Gas verknüpft die Strom- und Gasinfrastruktur und erhöht den Anteil erneuerbarer Energien an der Energieversorgung. Unter dem Einsatz von erneuerbarem Strom wird CO₂-frei (CO₂: Kohlenstoffdioxid/Kohlendioxid) Wasserstoff oder Methan erzeugt. Bislang ist der Einsatz von Power-to-Gas-Technologien zur saisonalen Energiespeicherung mehr oder weniger alternativlos. Noch ist Power-to-Gas nicht wirtschaftlich realisierbar. Schätzungen gehen davon aus, dass dies in 10 bis 20 Jahren der Fall sein wird.

Power-to-Heat

Das Ziel ist es, Strom aus erneuerbaren Energien im Wärmesektor zu etablieren. Dazu sollen beispielsweise großtechnische Durchlauferhitzer oder elektrische Industrieöfen und Elektrodenkessel beitragen. Aber auch Stromdirekt- und Speicherheizungen sowie elektrische Wärmepumpen gehören zum Konzept. Vor allem Wärmepumpen und Kessel können in Leistungsgrößen von wenigen Kilowatt bis hin zu mehreren Megawatt eingesetzt werden. So lassen sich sowohl einzelne Gebäude als auch ganze Stadtteile mit Raumwärme und Warmwasser erneuerbar versorgen. Leider sind auch Power-to-Heat-Anlagen aktuell kaum wirtschaftlich.

Power-to-Liquid

Bei der Elektrolyse werden CO₂ und Wasser zu Wasserstoff umgewandelt. Dieser kann direkt verwendet, aber auch gespeichert werden. Der Wasserstoff ist jederzeit wieder in elektrische Energie umwandelbar. Die Weiterverarbeitung in Gas und synthetischen Kraftstoff ist ebenfalls möglich. Erfolgt die Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Energien, erhältst du beispielsweise einen synthetischen Öko-Kraftstoff.

In Norwegen soll jetzt die erste Produktionsanlage im industriellen Maßstab entstehen. Ab Produktionsbeginn im Jahr 2023 ist die Herstellung von jährlich 10 Millionen Litern geplant, ab 2025 sollen es dann bereits 100 Millionen Liter sein. Die europäischen Projektpartner wollen beweisen, dass das wirtschaftlich machbar ist.

Carnot-Batterie

Neben den hier genannten Speichermöglichkeiten gibt es viele weitere innovative Ansätze –beispielsweise die Carnot-Batterie. Dieser Energiespeicher ist noch in der Entwicklungsphase. Dabei wird Strom in einem Hochtemperaturspeicher in Wärme umgewandelt. Flüssigsalz, Steine oder Flüssigmetalle sollen diese dann nahezu verlustfrei speichern. Über einen Dampfkraftprozess ist die Umwandlung in Strom wieder möglich.

Akkus aus Stein

Kein Witz – auch Steine könnten die Energiespeicher der Zukunft sein. Amerikanische Forscher haben Ziegelsteine so modifiziert, dass sie Strom speichern und weitergeben. Eine eigens aus Nanofasern eines elektrisch leitfähigen Kunststoffs entwickelte Beschichtung durchdringt das poröse Innere der Steine.

In Verbindung mit Solarzellen sollen 50 Ziegelsteine 5 Stunden lang eine Notbeleuchtung betreiben. Im Juni 2019 wurde in Hamburg-Altenwerder ein Energiespeicher eingeweiht, der aus rund 1.000 Tonnen Vulkangestein besteht. Eine mit Strom betriebene Widerstandsheizung und ein Gebläse erzeugen einen Heißluftstrom, der die Vulkansteine auf 750 Grad Celsius aufheizt. Der elektrothermische Energiespeicher (ETES) kann die gespeicherte Energie über eine Dampfturbine bei Bedarf wieder in Strom umwandeln. 130 Megawattstunden thermische Energie sind rund eine Woche speicherbar. In naher Zukunft sollen bereits mehrere Gigawattstunden gespeichert werden. Das reicht aus, um mehrere 100.000 Haushalte mit Strom zu versorgen.

Welcher Energiespeicher ist tatsächlich zukunftsfähig?

Je mehr erneuerbare Energien für die Energieversorgung eingesetzt werden, desto wichtiger werden auch Energiespeicher. Die aktuell zur Verfügung stehenden Techniken werden das allein nicht stemmen können.

Es gibt inzwischen viele Lösungsansätze und zahlreiche kleine wie große Forschungsprojekte für die Energiespeicher der Zukunft. Allerdings sind sie oft noch zu teuer oder befinden sich in der Planungs- und Entwicklungsphase. Bei Energiespeichern bestimmen deswegen aktuell die Forschung und Entwicklung das Geschehen. Vor allem der wirtschaftliche Einsatz und die Marktreife sind noch problematisch. Wasserstoff scheint hierbei die besten Chancen zu haben. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie hat mit der nationalen Wasserstoffstrategie einen „Handlungsrahmen für die künftige Erzeugung, den Transport, die Nutzung und Weiterverwendung von Wasserstoff und damit für entsprechende Innovationen und Investitionen“ geschaffen.