Energiespeicher
22.05.2024
Von Daniel Hautmann
Speicher gibt es in unterschiedlichen Ausführungen, von der kühlschrankgroßen Batterie im Keller des Einfamilienhauses über gigantische Pumpspeicherkraftwerke bis hin zu überdimensionalen Thermoskannen, die Energie in Form von Hitze einlagern. EnergieWinde stellt die wichtigsten Technologien vor.
… sind die Lastesel der Energiespeicherung. Es gibt sie seit Jahrzehnten praktisch überall auf der Welt. Das Prinzip ist denkbar einfach: In einem Oberbecken oder -see wird in einem großen Reservoir Wasser gespeichert. Der See ist über Leitungen mit einem Unterbecken verbunden. Dort gibt es ein Maschinenhaus mit Generatoren, die gleichzeitig auch als Pumpen arbeiten können. Wenn Strom im Überschuss verfügbar und daher günstig ist, wird Wasser nach oben gepumpt – also gespeichert. Wird Strom benötigt, strömt das Wasser nach unten und treibt dabei die Generatoren an. Solche Speicheranlagen zu bauen ist oft ein immenser Eingriff in die Natur. In Deutschland gibt es kaum noch Gegenden, wo sich neue Pumpspeicher bauen ließen. Zudem ist die Menge an Strom, die sich speichern lässt, überschaubar. In der Regel reicht die enthaltene Energie nur für wenige Stunden, weshalb Pumpspeicher meist nur den im Tagesverlauf schwankenden Bedarf decken können. Insgesamt sind in Deutschland 30 Pumpspeicherkraftwerke mit einer Netto-Gesamtleistung von knapp 6.500 Megawatt in Betrieb. (Foto: Picture-Alliance/dpa)
In unterirdischen Salzstöcken oder anderen geologischen Formationen wird seit Jahrzehnten Erdgas eingelagert. Deutschland verfügt über die größten Speicherkapazitäten Europas. Insgesamt sind 47 Untertagegasspeicher in Betrieb. Sie können rund 24,6 Milliarden Kubikmeter Erdgas lagern. Das entspricht einer jährlich nutzbaren Erdgasmenge (Arbeitsvolumen) von rund 230 Milliarden Kilowattstunden. Die Speicher haben also richtig Wumms, deshalb nennt man sie auch Reserveleistung oder strategische Reserve. Sie können Deutschland tagelang versorgen und Dunkelflauten überbrücken. Doch es geht nicht nur um Gas. In den Kavernen lässt sich auch Methan, Wasserstoff, Ammoniak oder anders Gas speichern. Für Energiespezialist Volker Quaschning von der Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) in Berlin sind sie „die einzig ernst zu nehmende Technologie für Langzeitspeicher“. Allerdings geht die Umrüstung auf Wasserstoff zulasten der Kapazität, da Wasserstoff pro Volumeneinheit weniger Energie enthält als Erdgas. „Die Speicherkapazität sinkt etwa um den Faktor drei.“ Gaskavernen sind gigantische Bauwerke, von denen man über der Erde allerdings bis auf die Kraftwerkstechnik inklusive Verdichter wenig sieht. Das Bild zeigt eine Testkaverne für Wasserstoff im brandenburgischen Rüdersdorf. (Foto: Andreas Prinz)
... gibt es zwar bereits seit vielen Jahrzehnten, sind aber kaum verbreitet: Weltweit existieren nur zwei Anlagen. Eine steht in den USA, de andere seit 1978 in Deutschland. Die beiden Salzkavernen des Druckluftspeicherkraftwerks im niedersächsischen Huntorf werden binnen acht Stunden auf einen Druck von 70 Bar befüllt. Die Energie, die in dieser Luftmenge steckt, würde ausreichen, um zwei Stunden lang 290 Megawatt zu produzieren. Würde. Aus Kostengründen setzt man die Anlage allerdings nur als sogenannte Minutenreserve ein. Nachteilig an dem Prozess sind die Energieverluste. Denn beim Komprimieren entsteht Wärme, die gekühlt werden muss. Und beim Entweichen der Luft entsteht Kälte, also muss die Druckluft mit Erdgas geheizt werden, damit die Turbinenkomponenten nicht vereisen. „Der Wirkungsgrad ist bescheiden, die Kosten sind relativ hoch. Die Kavernen befüllen wir besser mit Wasserstoff“, sagt Volker Quaschning. Das Bild zeigt die Instrumententafel im Kontrollraum des Kraftwerks Huntorf. (Foto: Volker Kühn)
... sind quasi die Helden unter den Speichern. Zumindest, was den kurzfristigen Speicherbedarf von bis zu 36 Stunden angeht. Sie sind besonders günstig, weil die Preise für Lithium-Ionen-Akkus in den letzten Jahren massiv gesunken sind. Das geschah vor allem durch den Boom der Elektromobilität und Skaleneffekte. Bundesweit sind mittlerweile Hunderttausende Batteriespeicher im Einsatz, vor allem in den Kellern von Einfamilienhäusern, deren Dächer Fotovoltaikanlagen schmücken. In letzter Zeit kommen zunehmend Großspeicher hinzu. Teils werden dafür ausgediente E-Auto-Akkus genutzt. In Batterien gibt es keine beweglichen Teile und sie sind praktisch wartungsfrei. Neben den günstigen und leistungsstarken Lithium-Ionen-Akkus gibt es zahlreiche weitere Alternativen. Natrium-Ionen-Batterien kommen gänzlich ohne das seltene Lithium aus. Für Energiespezialist Quaschning sind Batterien daher das „Nonplusultra unter den Speichern“. (Foto: Picture-Alliance/dpa)
... werden seit weit über 50 Jahren entwickelt und sind vielversprechende Kandidaten für die Energiespeicherung, insbesondere im stationären Bereich erneuerbarer Energien. In den Systemen erfolgt die Energiespeicherung mittels zweier Flüssigkeiten in externen Tanks. Daher auch ihr Beiname: Flussbatterie. Die Flüssigkeiten ermöglichen eine einfache Skalierbarkeit. Nachteilig ist, dass diese Akkus Pumpen und Hydraulikkomponenten haben, das macht sie aufwendig und anfällig. Eine innovative Entwicklung auf diesem Gebiet ist die Verwendung von Salzlösungen anstelle von Vanadium, das bisher häufig als Elektrolyt in Redox-Flow-Batterien eingesetzt wurde. Forscher haben erfolgreich gezeigt, dass Salze wie Bromid und Chlorid eine kostengünstigere und umweltfreundlichere Alternative darstellen können. Dennoch scheint das Potenzial gering. „Ich erwarte keinen großen Durchbruch“, sagt Volker Quaschning. (Foto: Picture-Alliance/dpa)
... werden immer wieder als gute Speicheralternative gehandelt. Mal sind es Betonblöcke, die von einem Kran bewegt werden, mal fahren Züge Berge rauf und runter. Dann wieder sind Bergwerke im Gespräch, in denen Lasten auf- und abgesenkt werden, oder sogar Lagerhäuser. Immer geht es darum, sogenannte potenzielle Energie zu speichern, auch Lageenergie genannt. So soll in einem stillgelegten Bergwerk in Finnland namens Gravistore-System ein Gewicht von Elektromotoren nach oben gezogen werden, wenn viel Strom zur Verfügung steht. Wird hingegen Strom abgefragt, wird das Gewicht in den Schacht gesenkt. Die Motoren fungieren dann als Generatoren, die Strom erzeugen. Dirk Uwe Sauer vom Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen (RWTH) ist skeptisch, was solche Speicher angeht: „Das braucht unfassbar viel Platz und hat viele bewegliche Teile. Die Energiedichte ist sehr gering. Belastbare Zahlen für die Kosten der Energiespeicherung sind von unabhängiger Seite kaum zu bekommen.“ Das Bild zeigt eine Mine in Finnland, in der ein Schwerkraftspeicher zum Einsatz kommen könnte. (Foto: Picture-Alliance/dpa)
… gibt es in verschiedenen Ausführungen. Die einen dienen dazu, Strom in Form von Hitze in gigantischen Thermobehältern einzulagern und bei Bedarf in Turbinen rückzuverstromen. Die anderen speichern sogenannte Prozesswärme, etwa in der Stahl- oder Kunststoffindustrie. Während erstere einen eher schlechten Wirkungsgrad haben, also teuer sind, sind letztere eine sinnvolle Ergänzung, findet Dirk Uwe Sauer. Anwendung könnten sie etwa in Kohle- oder Gaskraftwerken finden. „Solche Speicher können immer nur sinnvoll parallel zum klassischen Kraftwerksbetrieb gefahren werden, der ja jetzt relativ schnell abnimmt.“ 400 Terawatt Wärme fließen in Deutschland jährlich in die industrielle Produktion – etwa ein Fünftel des gesamten Energieverbrauchs. Wärmespeicher können enorme Energiemengen einlagern, die sonst meist ungenutzt in die Umwelt entweichen würden. Sogenannte Hochtemperaturspeicher arbeiten teils mit Gestein, teils mit Salzen oder anderen Flüssigkeiten. Sie helfen, die Dampfbereitstellung in industriellen Heizkraftwerken flexibler und effizienter zu machen. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) arbeiten gerade an einem neuen Speichermaterial: Sie setzen auf ein leitfähiges Flüssigmetall und wollen so die industrielle Produktion dekarbonisieren. Die Forscher nutzen Temperaturen von über 700 Grad Celsius – so heiß ist Lava. „Die Wärmeleitfähigkeit von Flüssigmetallen ist 100-mal größer als die von anderen Materialien. Sie können Energie also extrem gut transportieren und weitergeben“, sagt Klarissa Niedermeier, Verfahrenstechnikerin am KIT. (Foto: Picture-Alliance/dpa)
... sind eine besondere Form des Wärmespeichers. In Fachkreisen heißen die Anlagen auch Pit Thermal Energy Strorage (PTES). Eine solche Anlage wurde gerade im schleswig-holsteinischen Meldorf angeschlossen. Sie fasst 43.000 Kubikmeter Wasser. Das ist bis zu 90 Grad heiß und speist das örtliche Nahwärmenetz. Damit das Becken mit seiner riesigen Oberfläche nicht auskühlt, liegt eine 40 Zentimeter dicke Isolier- und Abdeckschicht darauf. Die Anlage hat einen Durchmesser von rund 100 Metern, ist elf Meter tief und bedeckt eine Fläche von 18.000 Quadratmetern – etwa 18 Fußballplätze. Auf Temperatur bringt das Erdbecken die Abwärme einer Druckerei. Dazu kommt die Energie aus einem Blockheizkraftwerk und einem Gaskessel, der mit Biogas beheizt wird. Eine Solarthermieanlage ist in Planung, und später sollen zudem noch Wärmepumpen und stromgespeiste Erhitzer angeschlossen werden. (Foto: Picture-Alliance/dpa)
