Energiespeicher der Zukunft

Ein großer Anteil der heute verfügbaren Energie aus erneuerbaren Quellen entfällt – neben der Bioenergie – auf die Solarenergie und die Windenergie. Diese beiden Energiequellen zeichnen sich dadurch aus, dass sie stark wetter- und saisonabhängig sind, also nicht konstant zur Verfügung stehen. Umso wichtiger ist es, diese Energien, wenn sie im Überschuss vorhanden sind, für die Zeit großen Bedarfs speichern zu können. Lernen Sie hier die derzeit existierenden und die Energiespeicher der Zukunft kennen. 

Warum Energiespeicher in Zukunft immer wichtiger werden

Während sich aus fossilen Energieträgern wie Kohle, Erdgas und Erdöl relativ konstant Energie gewinnen lässt, ist das bei den erneuerbaren Energien nicht immer der Fall. Insbesondere Sonnenenergie und Windenergie unterliegen starken Schwankungen abhängig von der Witterung und den Jahreszeiten. Eine planbare Energieerzeugung ist jedoch wichtig, nicht nur, damit Haushalte und Industrie zuverlässig versorgt werden können, sondern auch, weil das Stromnetz nur stabil arbeitet, wenn Erzeugung und Verbrauch jederzeit im Gleichgewicht sind. 

Eine Lösung für diese Aufgabe sind Energiespeicher: Sie sammeln Energie, wenn diese im Überfluss zur Verfügung steht und geben Energie ab, wenn diese benötigt wird. Das kann sowohl auf kleiner Ebene innerhalb eines Haushalts als auch auf großer Ebene im Stromnetz einer ganzen Stadt oder eines Landes geschehen. Bereits jetzt sind zahlreiche Möglichkeiten vorhanden, Energie zu speichern aber die Energiespeicher der Zukunft werden jedoch noch deutlich wirkungsvoller arbeiten müssen, um den wachsenden Anforderungen gerecht zu werden. 

Welche Speicher gibt es für erneuerbare Energien?

Für die Speicherung von erneuerbaren Energien gibt es bereits heute eine Vielzahl an unterschiedlichen Möglichkeiten. Dazu gehört beispielsweise die Speicherung von thermischer Energie in Wärmespeichern oder die Aufbewahrung elektrischer Energie in Batterien oder Kondensatoren. 

Im Wesentlichen unterscheidet man bei den Energiespeichern in Kurzzeit- und Langzeitspeicher:

• Kurzzeitspeicher haben die Besonderheit, dass sie mehrfach täglich aufgeladen und wieder entladen werden können. Wichtig ist das beispielsweise für Stromspeicher für PV-Anlagen, die jederzeit bei Bedarf Strom speichern und abgeben können müssen. 
• Langzeitspeicher können Energie hingegen über Tage oder sogar Wochen speichern. Ein Beispiel ist die Speicherung in Form von Wasserstoff.

Pumpspeicherkraftwerke als Energiespeicher

Die wichtigste der derzeitigen Speichermöglichkeiten für erneuerbare Energien ist, mit einem Anteil von über 90 %, das Pumpspeicherkraftwerk. Es arbeitet mithilfe von Wasserkraft und wird an einem Standort mit Gefälle errichtet. Auf einer Erhöhung wird ein Oberbecken (oder Speichersee) gebaut, der Wasser in ein darunter gelegenes Unterbecken abgeben kann. Das Funktionsprinzip dieses Energiespeichers ist einfach:

• Sobald mehr Strom erzeugt als verbraucht wird, wird mithilfe des überschüssigen Stroms Wasser vom Unter- ins Oberbecken gepumpt.
• Wird mehr Strom benötigt, als zur Verfügung steht, wird das Wasser aus dem Oberbecken ins Unterbecken abgelassen. Dabei läuft es über Wasserturbinen, deren Bewegung einen Generator betreibt. 
• So entsteht auf nachhaltige Weise Strom, der ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann.

Derzeit gibt es in Deutschland etwa 30 Pumpspeicherkraftwerke mit einer Gesamtleistung von über 6.500 Megawatt. Der Wirkungsgrad dieser Speicher für erneuerbare Energien beträgt etwa 75–80 %. Ein Nachteil liegt darin, dass Pumpspeicherkraftwerke nur an geeigneten Standorten errichtet werden können, die das notwendige Gefälle bieten. Somit können sie allein den Speicherbedarf nicht decken, der in Zukunft erwartet wird.

Batteriespeicher für erneuerbare Energien

Zu den wichtigen bereits angewandten Speichern für erneuerbare Energien gehören außerdem Batterien. Batteriespeicher werden hauptsächlich genutzt, um Strom aus Sonnen- oder Windenergie zu speichern. Gängig sind noch immer Blei-Säure-Batterien, die jedoch zunehmend durch Lithium-Ionen-Akkus ersetzt werden. Letztere werden bereits in großer Stückzahl in Smartphones und Laptops verbaut, kommen aber zunehmend auch für die Elektromobilität und in Solarstromspeichern zum Einsatz. 

Interessant im Hinblick auf die Zukunftsfähigkeit solcher Batteriespeicher ist vor allem die Umweltbilanz, da Aufwand, Energie- und Materialeinsatz für den Bau der Batteriespeicher verhältnismäßig hoch sind. Meist werden auch seltene Materialien eingesetzt, die aufwändig gewonnen werden müssen und deren Abbau die Umwelt beeinträchtigt. Blei beispielsweise ist ein giftiges und umweltschädliches Schwermetall, dessen unkontrollierter Austritt unbedingt vermieden werden muss. Mittlerweile sind Bleiakkus jedoch aufgrund fortschrittlicher Verfahren zu nahezu 100 % recycelbar. Lithium-Ionen-Akkus punkten mit hoher Leistungsfähigkeit, jedoch werden für den Abbau von Lithium große Mengen Wasser benötigt. Eine ressourcenschonende Produktion von Lithium-Ionen-Akkus ist möglich, bedarf jedoch der Mithilfe von Politik und Verbrauchern. 

Das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS arbeitet außerdem derzeit innerhalb der Arbeitsgruppe „Recycling und Grüne Batterie“ an Konzepten, die eine Rückführung der Rohstoffe in die Batterieproduktion ermöglicht. Auch Kondensatoren, wie sie heute bereits für E-Fahrzeuge genutzt werden, kommen als Energiespeicher der Zukunft infrage. Sie sind langlebiger als Batterien und haben nur einen geringeren Kapazitätsverlust. 

Die Energiespeicher der Zukunft

Es gibt auch heute schon viele Lösungsansätze für die Energiespeichersysteme der Zukunft. Derzeit sind sie jedoch noch zu teuer und damit unwirtschaftlich, so dass weitere Forschung notwendig ist. Große Hoffnung wird auf Wasserstoff zur Speicherung erneuerbarer Energien gesetzt – auch von der Bundesregierung. Diese hat einen „Handlungsrahmen für die künftige Erzeugung, den Transport, die Nutzung und Weiterverwendung von Wasserstoff und damit für entsprechende Innovationen und Investitionen“ geschaffen. Der große Vorteil: Wasserstoff verbrennt emissionsfrei ‒ es entsteht nur Wasser ‒ und das Gas liefert im Vergleich mit Benzin pro Kilogramm fast die dreifache Energie. 

Wichtig für die Energiespeicher der Zukunft ist der Fokus auf Strom, da dieser unter anderem mithilfe von Solar- und Windenergie klimaneutral erzeugt werden kann. Hier werden intensiv die Power-to-X-Technologien (PtX) erforscht und weiterentwickelt, wobei das X für andere Zustandsformen (Gas, Wärme etc.) steht. Auf diese Weise soll Strom zu Spitzenzeiten umgewandelt, gespeichert und dann bei Bedarf weiterverwendet werden. Die folgenden drei PtX-Technologien sind von besonderer Wichtigkeit.

Power-to-Gas

Die Technologie Power-to-Gas nutzt erneuerbaren Strom, um Gas zu erzeugen, beispielsweise indem Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespaltet wird. Der gewonnene Wasserstoff darf derzeit in einem Verhältnis von bis zu 1:9 ins Erdgasnetz eingespeist oder zu 100 % zu synthetischen Gasen wie Methan weiterverarbeitet werden. Außerdem lässt sich Wasserstoff über lange Zeit speichern, zum Beispiel unter hohem Druck in Druckgasspeichern oder bei Temperaturen von –253 °C als Flüssigkeit. Diese Technologie scheint als Energiespeicher der Zukunft vielversprechend, kann derzeit jedoch noch nicht wirtschaftlich eingesetzt werden. 

Power-to-Heat

In diesem Verfahren wird mithilfe von Strom Wärme erzeugt. Möglichkeiten dazu gibt es viele: Durchlauferhitzer, elektrische Wärmepumpen (die mit Strom betrieben werden), Elektrodenkessel etc. Auch die Technologie Power-to-Heat arbeitet derzeit in großem Maßstab häufig noch nicht wirtschaftlich, kann jedoch genutzt werden, um Heizwärme zu produzieren und Wasser zu erhitzen. Wärmepumpen hingegen sind eine besonders effiziente und bereits heute kostengünstige Form der Umwandlung von Strom in Wärme.

Power-to-Liquid

In diesem Verfahren wird Strom genutzt, um Flüssigkraftstoff herzustellen, zum Beispiel für den Einsatz in der Luftfahrt. Dazu wird Wasser mithilfe von Strom per Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten (wie im Power-to-Gas-Verfahren). Anschließend reagiert der Wasserstoff mit Kohlenstoffdioxid. Dabei entsteht in mehreren Umwandlungsschritten ein Synthesegas, das wiederum mit unterschiedlichen Verfahren zu Kerosin aufgearbeitet werden kann. In Norwegen ist derzeit eine große Produktionsanlage geplant, die 2023 mit der Produktion beginnen und die Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens belegen soll.

Weitere Möglichkeiten für Energiespeicher in der Zukunft

Neben den genannten gibt es noch zahlreiche weitere Lösungsansätze, um Energiespeichersysteme für die Zukunft zu schaffen, darunter etwa Ideen wie die Betonkugel auf dem Meeresgrund, aus der mit einer Pumpe bei einem Stromüberschuss Wasser gefördert wird, das bei einem Strommangel wieder nachläuft und dabei Generatoren betreiben kann – ganz ähnlich wie bei einem Pumpspeicherkraftwerk. 

Bei der Metallhybridspeicherung wird Wasserstoff chemisch an Metalle gebunden, um den diesen bei Bedarf wieder freizusetzen. Auch die Elektromobilität gilt als möglicher Energiespeicher der Zukunft: Schließlich werden voraussichtlich mit dem Ausbau der Elektromobilität zahllose Batteriespeicher auf den Straßen unterwegs sein, die bei Bedarf vom Stromnetz angezapft werden könnten (bidirektionales Laden). 

Fazit: Die bekannten Energiespeicher und ihre derzeitige Anzahl werden nicht ausreichen, um erneuerbare Energien stabil und zuverlässig nutzen zu können. Es ist daher richtig und wichtig, dass in Zukunft der Fokus auf die Forschung an Energiespeichersystemen gelegt wird.