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Speicher

Über diesen Artikel

Lesezeit

4 Minuten

Veröffentlichung

28.04.2021

Letztes Update

18.08.2022

Speicher für mehr Flexibilität im Stromsektor | Speichertechnologien im Überblick

Inhalt des Wiki-Artikels

Speicher für die Energiewende in Deutschland

In Deutschland wird die Energiewende von nuklearen und fossilen Energieträgern hin zu erneuerbaren Energien vollzogen. Um die Fluktuationen bei der Einspeisung von Wind- und Solarenergie auszugleichen, sind intelligente Netze und leistungsfähige Speicher erforderlich. Das Bundeswirtschaftsministerium sieht die Forschung als Grundlage für die Zukunft der Energiespeicher und Kostensenkungspotenziale. Seit 2012 wird die Technologieentwicklung von der Bundesregierung im Rahmen der „Förderinitiative Energiespeicher“ unterstützt.1

Flexibilität und Netzstabilität durch Stromspeicher

Bis zum Jahr 2050 sollen 80 Prozent des Stroms aus regenerativen Energiequellen kommen. Vor allem die Windenergie und die Photovoltaik tragen einen großen Teil zur Umstellung der Stromerzeugung auf erneuerbare Energien bei. Ein flexibles Stromsystem ist notwendig, um Schwankungen bei der Stromgewinnung auszugleichen. Energiespeicher dienen dazu, zu sonnigen oder windigen Zeiten Strom aufzunehmen, damit dieser nachts oder bei Windstille wieder ins Netz eingespeist werden kann: Speicher ermöglichen es, Erzeugung und Verbrauch zeitlich zu entkoppeln. Außerdem sind Stromspeicher geeignet, die Regelleistung zu erbringen – sie können also dazu beitragen, die Netzfrequenz stabil zu halten.

Die Regelleistung wird auch Regelenergie genannt. Gemeint ist damit Energie, die Netzbetreiber vorhalten müssen, um Leistungsschwankungen im Stromnetz auszugleichen. Es gibt positive und negative Regelleistung. Positive Regelenergie bezeichnet die elektrische Energie, die bei einer nicht vorhersehbaren, gesteigerten Stromnachfrage zusätzlich ins Netz eingespeist wird. Übersteigt stattdessen die ins Netz eingespeiste die in der gleichen Zeit entnommene Menge an Energie, muss der Netzbetreiber dem Netz Strom entziehen – in diesem Fall spricht man von negativer Regelleistung.

Verantwortlich für den Leistungsausgleich des Stromnetzes sind die Übertragungsnetzbetreiber in ihrer jeweiligen Regelzone. Sie nutzen dazu drei verschiedene Qualitäten an Regelleistung. Primärregelenergie dient zur schnellen Stabilisierung des Netzes, sie muss innerhalb von 30 Sekunden verfügbar sein. Bis zu fünf Minuten darf es dauern, bis Sekundärregelenergie vollständig einsetzbar ist. Die dritte Regelleistungsqualität ist die Minutenreserve. Bei ihr darf die Vorlaufzeit maximal 7,5 Minuten betragen und sie muss mindestens 15 Minuten lang in voller Höhe abrufbar sein.2

Speichertechnologien im Überblick

Für die Zwischenspeicherung von elektrischer Energie stehen diverse Speichertechnologien zur Verfügung. Grundsätzlich wird zwischen Kurzzeit- und Langzeitspeichern unterschieden. Kurzzeitspeicher haben gewöhnlich ein geringeres Speichervolumen, sie können mehrmals an einem Tag Strom aufnehmen und wieder abgeben. Zu den Kurzeitspeichern zählen zum Beispiel Batterien, Kondensatoren und Schwungradspeicher. Diese sogenannten Leistungsspeicher sind dazu geeignet, kurzfristige Schwankungen auszugleichen und die Regelleistung zu erbringen. In Sekunden- bis Minutenschnelle gleichen sie Leistungsschwankungen aus. Daneben gibt es Verschiebespeicher, die lediglich ein bis zwei Zyklen täglich durchlaufen können. Sie sind darauf ausgelegt, einen Ausgleich innerhalb eines Tages zu schaffen. Zu den Verschiebespeichern zählen unter anderem Batterien, Druckluftspeicher und Pumpspeicherkraftwerke. Langzeitspeicher sind so konzipiert, dass sie Energie über Wochen hinweg speichern können. Sie verfügen in der Regel über ein wesentlich größeres Speichervolumen als Kurzeitspeicher. Speicher, die Energie über mehrere Tage oder Wochen bevorraten, sind dazu gedacht, längere Phasen, in denen kein Wind weht oder die Sonne wenig scheint, zu überbrücken. Langzeitspeicher durchlaufen mehrere Zyklen pro Jahr, zu ihnen zählen unter anderem chemische Speicher wie Wasserstoff oder Methan und Speicherwasserkraftwerke.

Batterien als bewährte Technologie

Einige der für den Stromsektor nutzbaren Speicher existieren bereits lange und werden weiterentwickelt, bei anderen handelt es sich um recht neue Technologien. Batterien werden bereits sehr lange genutzt, auch in vielen anderen Bereichen. Zum Ausgleich von Fluktuationen kamen im Stromsektor zunächst vor allem Blei-Säure-Batterien zum Einsatz, inzwischen werden aber auch Lithium-Ionen-Batterien häufig genutzt. Ihr Vorteil ist ihr hoher Gesamtwirkungsgrad von circa 85 Prozent. Von Nachteil ist, dass Batterien für einen großtechnischen Einsatz noch zu kostenintensiv sind. Für die Zukunft werden sinkende Kosten prognostiziert.

Pumpspeicherkraftwerke

Pumpspeicherkraftwerke speichern potenzielle Energie in Form von Wasser: Überschüssiger Strom wird genutzt, um Wasser von einem tiefer- in ein höhergelegenes Becken zu pumpen. Wird es abgelassen, treibt es Turbinen mit angeschlossenem Generator an, so dass sich die potenzielle Energie zurück in Strom umwandelt. In Deutschland ist das Pumpspeicherkraftwerk bisher die einzige Speichertechnologie, die in einem nennenswerten Umfang zur Speicherung von Strom genutzt wird.

Diabatische und adiabatische Druckluftspeicher

Druckluftspeicher arbeiten nach dem Prinzip der Kompression. Angetrieben von überschüssigem Strom pressen Kompressoren Luft in unterirdische Salzstöcke oder einstige Gaskavernen. Herrscht Strombedarf, wird die unter Druck stehende Luft über eine Turbine abgelassen und so der Strom zurückgewonnen. Damit möglichst viel Energie in einem Hohlraum gespeichert werden kann, muss das Druckverhältnis groß sein. Die Kompression hat hohe Temperaturen zur Folge. Da diese nicht nur belastend für Gestein oder Salzablagerungen sein können, sondern noch dazu Kompressoren und Turbinen aus Hochtemperaturmaterialien erfordern würden, wird die Luft nach der Komprimierung gekühlt.

Bei der diabatischen Druckluftspeicherung wird die Wärme an die Umgebung abgeführt. Der Nachteil dieser Variante ist, dass der gekühlten Druckluft beim Abfließen wieder Wärme zugeführt werden muss, um ein Vereisen der Turbine zu verhindern. Die benötigte Wärme wird in der Regel durch das Verbrennen fossiler Energieträger erzeugt. Durch den Speicher werden also Treibhausgase verursacht, zudem liegt der Wirkungsgrad bei nur 40 bis 50 Prozent.

Adiabatische Druckluftspeicher nutzen die Wärme und erreichen auf diese Weise einen höheren Wirkungsgrad. Die Wärme wird der Luft wird vor dem Speicherhohlraum entzogen und in einen Wärmespeicher geleitet. Beim Ablassen wird die Wärme aus dem Speicher der Luft vor der Turbine wieder zugeführt. Adiabatische Druckluftspeicher verursachen keine Treibhausgase und arbeiten effizienter als diabatische Druckluftspeicher, sie erreichen Wirkungsgrade von 65 bis 75 Prozent.

Power-to-Gas

Power-to-Gas-Anlagen wandeln Wasser mittels elektrischer Energie in Wasserstoff um. Dieser kann einer weiteren Umwandlung in Methan unterzogen werden. Der Vorteil von Power-to-Gas besteht darin, dass Wasserstoff in begrenzter Menge und Methan ohne Abstriche in das bereits vorhandene Erdgasnetz eingespeist werden können. Bei Bedarf werden die Gase rückverstromt. Allerdings ist die Technologie momentan noch sehr teuer, während die Wirkungsgrade niedrig sind.

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