Stromspeicher: Grüner Strom rund um die Uhr

Die Energiewende in Deutschland hängt in erster Linie von der Nutzung erneuerbarer Energien ab. Das Ziel der Bundesregierung: Bis 2045 soll Deutschland treibhausgasneutral werden. Um dies zu erreichen, soll der Anteil erneuerbarer Energien am Stromverbrauch bis 2030 auf 80 Prozent steigen – das entspricht rund 600 Terawattstunden (TWh) grünen Stroms. Aktuell gewinnt Deutschland rund 58 Prozent des Stroms aus Wind, Sonne, Wasser und Biomasse.

Der Ausbau von Wind- und Solaranlagen wird deshalb mit Hochdruck vorangetrieben. Und damit das Stromsystem auch in Zukunft sicher und flexibel bleibt, sind neben dem Netzausbau auch leistungsfähige Speicherlösungen notwendig. Denn wenn mehr grüner Strom erzeugt als aktuell benötigt wird, greifen Netzbetreiber ein und nehmen Wind- und Photovoltaikanlagen vom Netz. Sie stabilisieren so das Stromnetz und sorgen für einen Ausgleich zwischen Erzeugung und Nachfrage. Aber es geht auch grüne Energie verloren. Mit einer ausreichenden Anzahl von Speichern könnten Netzbetreiber Windkraft- und Photovoltaikanlagen bei temporär zu hoher Stromproduktion häufiger am Netz lassen. „Überproduzierter“ Strom würde einfach „eingelagert“ und bei Bedarf aufgebraucht werden.

Bruttostromerzeugung in Deutschland nach Energieträger in den Jahren 2000 bis 2023. Werte für das Jahr 2023 vorläufig. (Quelle: Statista)

Stromspeicher werden in unterschiedlichen Größenordnungen eingesetzt – als Großspeicher in Form von Pumpspeicherkraftwerke und Großbatteriespeicher oder als Kleinspeicher, zum Beispiel in Kombination mit einer PV-Anlage fürs Eigenheim. Batteriespeicher sind die am weitesten verbreitete Speichertechnologie. Es gibt aber noch weitere Möglichkeiten. Hier ein Überblick:

Superkondensatoren, auch Ultrakondensatoren oder Supercaps genannt, sind besonders leistungsfähige Kondensatoren, die Energie blitzschnell speichern und wieder abgeben können. Sie arbeiten nicht mit chemischen Reaktionen wie Batterien, sondern nutzen physikalische Prozesse in sogenannten Doppelschicht-Kondensatoren (EDLC). Dadurch sind sie ideal für Anwendungen, die eine schnelle Energieabgabe erfordern, zum Beispiel bei Spannungsschwankungen im Stromnetz. Obwohl sie weniger Energie speichern als Batterien, punkten sie mit hoher Leistungsdichte und langer Lebensdauer.

Der Einsatz von Superkondensatoren ist zwar noch Zukunftsmusik, aber die Forschung macht große Fortschritte. Schon bald könnten sie eine wichtige Rolle in der Energieversorgung spielen. Ein faszinierendes Beispiel kommt vom Massachusetts Institute of Technology (MIT): Dort wurden umweltfreundliche Superkondensatoren aus Zement und Wasser entwickelt. Diese könnten direkt in Betonstrukturen integriert werden und so eine nachhaltige Energiespeicherung in Gebäuden und Straßen ermöglichen.

Bei Druckluftspeichern wird überschüssiger Strom verwendet, um Luft mittels Kompression in unterirdische Salzstöcke oder ehemalige Gaskavernen zu pressen. Wird Strom im Netz gebraucht, fließt dann die Druckluft durch eine Turbine wieder ab und erzeugt dabei Strom. Um den Wirkungsgrad weiter zu verbessern, kann die bei der Kompression entstehende Wärme zusätzlich genutzt werden (sogenannte adiabate Druckluftspeicher). Diese Art der Energiespeicher nennt man auch CAES-Kraftwerke (Compressed Air Energy Storage).

Ähnlich wie bei den Pumpspeicherkraftwerken sind Druckluftspeicher ortsabhängig. Ideal für die Nutzung als Druckluftspeicher sind ehemalige Salzstollen oder Salzstöcke, von denen es auch im Norden Deutschlands einige gibt. Derzeit gibt es weltweit aber nur zwei Druckluftspeicher: Einer davon befindet sich in Huntorf in Niedersachsen. Ein weiteres spannendes Pilotprojekt ist momentan im nordrhein-westfälischen Ahaus im Bau: Dort entsteht ein neuer Druckluftspeicher, der 2027 in Betrieb gehen soll.

Schwungradspeicher könnten in Zukunft eine wichtige Rolle in der Stromversorgung spielen. In Kombination mit anderen Energiespeichern wie chemischen Batterien oder Pumpspeicherkraftwerken bieten Schwungradspeicher eine flexible und nachhaltige Lösung, um den Umstieg auf erneuerbare Energien zu unterstützen und die Stromnetze zu entlasten.

Das mechanische System speichert elektrische Energie in Form von kinetischer Energie. Dabei wird das Schwungrad mit überschüssigem Strom beschleunigt und die Energie als Rotationsenergie gespeichert. Sobald die Energie benötigt wird, wandelt ein Generator das Rad wieder in elektrischen Strom um. Schwungradspeicher sind besonders langlebig und überstehen viele Ladezyklen ohne Leistungsverlust.

Die Fähigkeit von Stromspeichern, Energie über verschiedene Zeiträume hinweg zu speichern, ist entscheidend für die Stabilität des Stromnetzes. Je nach Speichertyp unterscheidet sich die Dauer, für die Energie bereitgehalten werden kann:

• Leistungsspeicher speichern Energie für Sekunden oder Minuten und dienen dazu, das Stromnetz bei kurzfristigen Lastspitzen zu stabilisieren. Ein typisches Beispiel sind Batteriespeicher in Frequenzregelungsanlagen, die schnell auf Schwankungen im Netz reagieren. Moderne Lithium-Ionen-Batterien wie jene im Tesla Powerpack oder Megapack kommen hier zum Einsatz, um Netzausfälle zu verhindern und die Netzfrequenz konstant zu halten.

• Verschiebungsspeicher speichern Energie für mehrere Stunden und ermöglichen es, die Erzeugung und den Verbrauch zeitlich zu entkoppeln. Diese Speicher sind besonders nützlich, um Energie zu nutzen, wenn sie gebraucht wird – etwa abends, nachdem Solarstrom tagsüber erzeugt wurde. Beispiele dafür sind Pumpspeicherkraftwerke wie das Pumpspeicherkraftwerk Forbach, welche eine effiziente Möglichkeit bieten, Energie über Stunden oder sogar Tage zu verschieben.

• Langzeitspeicher können Energie über Wochen oder sogar Monate hinweg speichern, was sie ideal für saisonale Schwankungen macht, wenn Wind und Sonne nicht ausreichend verfügbar sind. Hier kommen Technologien wie Wasserstoffspeicher ins Spiel, bei denen Strom in Wasserstoff umgewandelt und bei Bedarf wieder rückverstromt wird. Ein aktuelles Beispiel ist der H2Mare-Projektansatz in Deutschland, der die langfristige Speicherung von Wasserstoff aus Offshore-Windenergie erforscht.

Wenn es um die Speicherkapazität geht, liegen Pumpspeicherkraftwerke weit vorn: rund 30 Pumpspeicherkraftwerke besitzt Deutschland mit einer Kapazität von etwa 24 Gigawattstunden (GWh) und einer Leistung von rund 10 Gigawatt (GW). Ihr Prinzip ist einfach: Mit überschüssigem Strom wird Wasser in höher gelegene Becken gepumpt. Bei Strombedarf wird das Wasser wieder abgelassen und treibt Turbinen an, die erneut Strom erzeugen. Diese bewährte Technologie mit hoher Speicherkapazität stabilisiert seit Jahrzehnten die Stromnetze. Zu den größten Anlagen in Deutschland zählen die Pumpspeicherkraftwerke Goldisthal in Thüringen und Markersbach in Sachsen mit einer Netto-Nennleistung von 1.052 bzw. 1.045 Megawatt.

Batteriespeicher speichern Strom und geben ihn bei Bedarf wieder ab. Die Systeme sind sehr flexibel und verfügen über eine schnelle Reaktionszeit – ideale Voraussetzungen für die Integration erneuerbarer Energien in das Stromnetz. Aktuell machen Batteriespeicher fürs Eigenheim mit 83 Prozent noch den größten Anteil an der gesamten Speicherkapazität aus, aber Großbatteriespeicher werden immer relevanter. Ihr Anteil liegt derzeit bei knapp 13 Prozent .

Energie kann auf unterschiedlichste Weise gespeichert werden – nicht nur in Form von elektrischer Energie. Es gibt auch Wärme- und Gasspeicher. Die Speichertechnologien unterscheiden sich vor allem in ihrer Funktionsweise, ihrer Kapazität, ihrer Reaktionszeit und ihrem Einsatzzweck:

Wärmespeicher speichern Energie in Form von Wärme. Dazu gehören einfache Warmwasserspeicher, die Wärme direkt im Wasser speichern. Latentwärmespeicher nehmen Wärme durch Änderung des Aggregatzustandes auf, zum Beispiel beim Schmelzen eines Materials. Thermochemische Speicher nutzen chemische Reaktionen, um Wärme zu speichern und bei Bedarf wieder abzugeben.

Gasspeicher sind Anlagen, die überschüssige Energie in Form von Gas speichern. Ein Beispiel sind Power-to-Gas-Anlagen (siehe Infokasten), die überschüssigen Strom in Wasserstoff oder Methan umwandeln. Diese Gase können gespeichert und bei Bedarf wieder zur Energieerzeugung genutzt werden. Erdgasspeicher funktionieren ähnlich: Sie speichern Erdgas in unterirdischen Hohlräumen und halten es so lange bereit, bis es gebraucht wird. Druckluftspeicher hingegen nutzen überschüssige Energie, um Luft unter hohem Druck in speziellen Behältern zu speichern. Wenn Energie benötigt wird, wird die Druckluft freigesetzt und treibt Turbinen zur Stromerzeugung an.