Stromspeicher
Bei elektrischen Geräten muss der Strom unmittelbar zur Verfügung stehen, wenn das Gerät eingeschaltet oder genutzt wird. Das heißt, dass Stromproduktion und -verbrauch stets im Gleichgewicht sein müssen. Das ist bei Energieträgern wie Sonne oder Wind aufgrund der wetterbedingten Schwankungen nicht gewährleistet. Daher sind Energiespeicher notwendig.
Batteriespeicher
Aus vielen Anwendungen im Alltag ist eine Speicherform gut bekannt: der Akkumulator (kurz Akku). Er ist eine bewährte elektrochemische Konstruktion. Die herkömmlichen Blei-Säure-Akkus verfügen allerdings über einen geringen Wirkungsgrad. Lithium-Ionen-Akkus sind da schon wesentlich effizienter Für den Einsatz im großen Stil, wie etwa zur Stabilisierung des Stromnetzes, sind sie zwar noch teuer. Experten erwarten allerdings, dass die Kosten für Akkus in den nächsten Jahren weiter sinken werden. Dann könnten Batteriespeicher fester Teil des Stromspeichersystems werden.
Dennoch gibt es bereits einige Projekte zu Großbatteriespeichern in Deutschland, die eine technische Machbarkeit belegen. Ein solches Projekt hat die EnBW zum Beispiel innerhalb eines Joint Venture mit Bosch 2018 realisiert: Am Kraftwerksstandort Heilbronn haben sie einen Stromspeicher für Primärregelenergie aufgebaut. Der Stromspeicher in Heilbronn besteht aus 768 Lithium-Ionen-Batteriemodulen. Er verfügt über eine maximale Leistungsabgabe von rund fünf Megawatt mit einer installierten Speicherkapazität von fünf Megawattstunden.
In Deutschland gibt es außerdem mehrere Forschungsprojekte, die den Einsatz von Batterien für die Speicherung von Ökostrom aus Windkraft in großem Maßstab erforschen. Für diese Speicher werden auch Akkus aus ausrangierten Elektroautos verwendet. Zu Großspeichern zusammengeschlossen bekommen diese am Ende ihrer Lebensdauer in Elektroautos noch eine neue Aufgabe: als Modul der Energiewende. Zudem werden so die wertvollen Rohstoffe, die in Akkus enthalten sind, weiterverwendet.
Pumpspeicher
Pumpspeicherkraftwerke liefern binnen weniger Sekunden Strom, indem Wasser aus einem höher gelegenen Speicherbecken auf tiefer liegende Turbinen geleitet wird. Umgekehrt kann überschüssiger Strom dazu benutzt werden, um Wasser aus dem unteren Becken ins obere zu pumpen – und somit den Vorrat zu sichern, wenn das Stromangebot knapp ist. Pumpspeicherkraftwerke leisten seit Jahrzehnten diese wichtige Pufferfunktion bei der Stromversorgung.
Das Prinzip im Detail: Ein Pumpspeicherkraftwerk besteht aus einem unteren und einem höher gelegenen Becken. Mithilfe von elektrischer Energie wird Wasser in das höhere Becken gepumpt – damit wird der Strom in Lageenergie umgewandelt und gespeichert. Das Hochpumpen findet in Zeiten statt, in denen entweder das Stromangebot sehr hoch ist (zum Beispiel an einem sonnigen, windreichen Tag) oder der Strombedarf niedriger ist (zum Beispiel in der Nacht).
Wird Strom im Netz gebraucht, wird das Wasser in das tiefer gelegene Kraftwerk abgelassen und treibt dort die Turbinen und die dahinterliegenden Generatoren an.
Im Zuge der Energiewende kommt den Pumpspeicherkraftwerken eine wichtige Rolle zu. Sie fangen überschüssigen Strom auf, der aus Windenergie- oder Solaranlagen stammt. Im großen Maßstab ist dieser Speichertyp derzeit der einzige, der dies kann und vor allem technisch ausgereift ist. Der Haken: Pumpspeicherkraftwerke brauchen eine bestimmte geografische Lage – und wegen der zwei Speicherbecken relativ viel Platz. Sie bedeuten deshalb einen Eingriff in die Natur. Viele Standorte in Deutschland werden bereits genutzt, und angesichts der dichten Besiedlung in Deutschland gibt es nur wenig Platz für neue Pumpspeicherkraftwerke. Beispiele für Pumpspeicherkraftwerke in Baden-Württemberg sind das Rudolf-Fettweis-Werk, die Anlagen bei Forbach (Schwarzwald) oder die Anlage in Glems bei Metzingen.
Solarstromspeicher
In Deutschland gibt es immer mehr Haushalte, die ihren eigenen Strom erzeugen – meist mit einer Fotovoltaikanlage auf dem Dach. Auch dieser Strom kann gespeichert werden. Zu Beginn der Energiewende bekamen Besitzer von Fotovoltaikanlagen relativ viel Geld für den eingespeisten Strom, nämlich bis zu 30 Cent pro Kilowattstunde. Mit Fortschritt der Energiewende und sinkenden Kosten für Fotovoltaikanlagen sind auch die Vergütungen für eingespeisten Solarstrom gesunken, ein Stromspeicher lohnt sich deshalb heute wirtschaftlich eher. Nicht zuletzt auch, weil die Kosten für Stromspeicher durch größere Fertigungszahlen und technischen Fortschritt gesunken sind. Aus Sicht der Stromnetzbetreiber haben sie einen weiteren Vorteil: Sie entlasten das Netz von überschüssiger Energie. Heute sind Batteriespeicher für den Privathaushalt zunehmend erschwinglich, die Entwicklung ist weit fortgeschritten.
Druckluftspeicher
Bei Druckluftspeichern wird überschüssiger Strom verwendet, um Luft in unterirdische Salzstöcke oder ehemalige Gaskavernen zu pressen (Kompression). 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. Allerdings existieren im Norden Deutschlands auch viele Salzstöcke. Dort stehen auch große Windenergieanlagen, deren Strom gespeichert werden kann. Hier können – nach gründlicher Untersuchung – Kavernen für die Druckluftspeichertechnik angelegt werden.
Derzeit gibt es noch kein funktionierendes Beispiel (Stand: 2016). Die Europäische Union fördert ein europaweites Forschungsprojekt.
Power-to-Gas
Ein mögliches Speichermedium für Energie sind Gasspeicher, die Erdgas oder Wasserstoff speichern. Als Gasspeicher dient in der Regel das weitverzweigte Erdgasnetz in Deutschland, aber auch unterirdische Gasspeicher in natürlichen Hohlräumen können genutzt werden.
Eine Möglichkeit, um Strom zu speichern, ist seine Umwandlung in Gas. Auf diese Weise kann er im bestehenden Gasnetz und in den vorhandenen Speichern eingelagert werden. Aus Strom wird durch Umwandlung also Gas oder Wasserstoff. Die Power-to-Gas-Technik nutzt die Elektrolyse für die Erzeugung von Wasserstoff aus überschüssigem Strom. Dabei wird Strom eingesetzt, um Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Dann spricht man von Power-to-Gas (englisch für „Strom zu Gas").
Dieser Wasserstoff kann entweder direkt genutzt werden, beispielsweise als umweltschonender Kraftstoff für Automobile, und in industriellen Anwendungen.
Er kann aber auch zusammen mit Kohlendioxid in Methan überführt werden. Dann entsteht künstliches Erdgas, das in das Gasnetz eingespeist werden kann. Es ersetzt so fossiles Erdgas – beides dient beispielsweise in Gaskraftwerken bei Bedarf dazu, Strom zu erzeugen. Als Zwischenschritt kann das künstlich erzeugte Gas natürlich auch erst einmal in einem Speicher eingelagert werden.
Die Power-to-Gas-Technik steht heute im Zentrum vieler Akteure: In Deutschland existieren 2019 rund 30 Forschungs- und Pilotprojekte mit einer Elektrolyse-Leistung von insgesamt rund 25 Megawatt. Sie prüfen die technische Machbarkeit, arbeiten an Standardisierungen und der Wirtschaftlichkeit. Vorangetrieben werden sie von Energieunternehmen wie der EnBW, Forschungsinstituten und der Industrie. Eine Herausforderung sind die Energieverluste, die durch den zweifachen Umwandlungsprozess von Strom in Gas und umgekehrt entstehen.
Weiterführende Informationen
Plattform Power-to-Gas von der Deutschen Energie-Agentur (dena)
Power-to-Heat
Überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energien kann auch direkt der Wärmeproduktion dienen. Zum Beispiel für den Betrieb von Elektroheizungen oder Wärmepumpen. Dabei spricht man von Power-to-Heat-Anlagen (zu Deutsch: „Energie zu Wärme“). Wärme kann man besser speichern als Strom. Sie wird dann für Heizungsanlagen oder für die Warmwasserbereitung verwendet. Die Umwandlung von Strom in Wärme verhindert auch, dass Windenergie- oder Solaranlagen bei zu viel Einspeisung abschalten müssen. So wird das Netz stabil gehalten. Power-to-Heat-Anlagen haben einen hohen Wirkungsgrad und niedrige Investitionskosten. Energiewirtschaftlich sinnvoll ist der Einsatz von Power-to-Heat-Anlagen allerdings nur in Zeiten sehr hoher Einspeisung aus regenerativen Quellen. Denn elektrischer Strom stellt gegenüber Wärmeenergie eine qualitativ höherwertige Energieform dar und hat deshalb einen weitaus höheren Wert. Ökologisch sinnvoll ist Power-to-Heat, wenn der Heizstrom aus regenerativen Quellen stammt und fossile Energiequellen ersetzt.
Batteriespeicher
Aus vielen Anwendungen im Alltag ist eine Speicherform gut bekannt: der Akkumulator (kurz Akku). Er ist eine bewährte elektrochemische Konstruktion. Die herkömmlichen Blei-Säure-Akkus verfügen allerdings über einen geringen Wirkungsgrad. Lithium-Ionen-Akkus sind da schon wesentlich effizienter Für den Einsatz im großen Stil, wie etwa zur Stabilisierung des Stromnetzes, sind sie zwar noch teuer. Experten erwarten allerdings, dass die Kosten für Akkus in den nächsten Jahren weiter sinken werden. Dann könnten Batteriespeicher fester Teil des Stromspeichersystems werden.
Dennoch gibt es bereits einige Projekte zu Großbatteriespeichern in Deutschland, die eine technische Machbarkeit belegen. Ein solches Projekt hat die EnBW zum Beispiel innerhalb eines Joint Venture mit Bosch 2018 realisiert: Am Kraftwerksstandort Heilbronn haben sie einen Stromspeicher für Primärregelenergie aufgebaut. Der Stromspeicher in Heilbronn besteht aus 768 Lithium-Ionen-Batteriemodulen. Er verfügt über eine maximale Leistungsabgabe von rund fünf Megawatt mit einer installierten Speicherkapazität von fünf Megawattstunden.
In Deutschland gibt es außerdem mehrere Forschungsprojekte, die den Einsatz von Batterien für die Speicherung von Ökostrom aus Windkraft in großem Maßstab erforschen. Für diese Speicher werden auch Akkus aus ausrangierten Elektroautos verwendet. Zu Großspeichern zusammengeschlossen bekommen diese am Ende ihrer Lebensdauer in Elektroautos noch eine neue Aufgabe: als Modul der Energiewende. Zudem werden so die wertvollen Rohstoffe, die in Akkus enthalten sind, weiterverwendet.
Pumpspeicher
Pumpspeicherkraftwerke liefern binnen weniger Sekunden Strom, indem Wasser aus einem höher gelegenen Speicherbecken auf tiefer liegende Turbinen geleitet wird. Umgekehrt kann überschüssiger Strom dazu benutzt werden, um Wasser aus dem unteren Becken ins obere zu pumpen – und somit den Vorrat zu sichern, wenn das Stromangebot knapp ist. Pumpspeicherkraftwerke leisten seit Jahrzehnten diese wichtige Pufferfunktion bei der Stromversorgung.
Das Prinzip im Detail: Ein Pumpspeicherkraftwerk besteht aus einem unteren und einem höher gelegenen Becken. Mithilfe von elektrischer Energie wird Wasser in das höhere Becken gepumpt – damit wird der Strom in Lageenergie umgewandelt und gespeichert. Das Hochpumpen findet in Zeiten statt, in denen entweder das Stromangebot sehr hoch ist (zum Beispiel an einem sonnigen, windreichen Tag) oder der Strombedarf niedriger ist (zum Beispiel in der Nacht).
Wird Strom im Netz gebraucht, wird das Wasser in das tiefer gelegene Kraftwerk abgelassen und treibt dort die Turbinen und die dahinterliegenden Generatoren an.
Im Zuge der Energiewende kommt den Pumpspeicherkraftwerken eine wichtige Rolle zu. Sie fangen überschüssigen Strom auf, der aus Windenergie- oder Solaranlagen stammt. Im großen Maßstab ist dieser Speichertyp derzeit der einzige, der dies kann und vor allem technisch ausgereift ist. Der Haken: Pumpspeicherkraftwerke brauchen eine bestimmte geografische Lage – und wegen der zwei Speicherbecken relativ viel Platz. Sie bedeuten deshalb einen Eingriff in die Natur. Viele Standorte in Deutschland werden bereits genutzt, und angesichts der dichten Besiedlung in Deutschland gibt es nur wenig Platz für neue Pumpspeicherkraftwerke. Beispiele für Pumpspeicherkraftwerke in Baden-Württemberg sind das Rudolf-Fettweis-Werk, die Anlagen bei Forbach (Schwarzwald) oder die Anlage in Glems bei Metzingen.
Solarstromspeicher
In Deutschland gibt es immer mehr Haushalte, die ihren eigenen Strom erzeugen – meist mit einer Fotovoltaikanlage auf dem Dach. Auch dieser Strom kann gespeichert werden. Zu Beginn der Energiewende bekamen Besitzer von Fotovoltaikanlagen relativ viel Geld für den eingespeisten Strom, nämlich bis zu 30 Cent pro Kilowattstunde. Mit Fortschritt der Energiewende und sinkenden Kosten für Fotovoltaikanlagen sind auch die Vergütungen für eingespeisten Solarstrom gesunken, ein Stromspeicher lohnt sich deshalb heute wirtschaftlich eher. Nicht zuletzt auch, weil die Kosten für Stromspeicher durch größere Fertigungszahlen und technischen Fortschritt gesunken sind. Aus Sicht der Stromnetzbetreiber haben sie einen weiteren Vorteil: Sie entlasten das Netz von überschüssiger Energie. Heute sind Batteriespeicher für den Privathaushalt zunehmend erschwinglich, die Entwicklung ist weit fortgeschritten.
Druckluftspeicher
Bei Druckluftspeichern wird überschüssiger Strom verwendet, um Luft in unterirdische Salzstöcke oder ehemalige Gaskavernen zu pressen (Kompression). 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. Allerdings existieren im Norden Deutschlands auch viele Salzstöcke. Dort stehen auch große Windenergieanlagen, deren Strom gespeichert werden kann. Hier können – nach gründlicher Untersuchung – Kavernen für die Druckluftspeichertechnik angelegt werden.
Derzeit gibt es noch kein funktionierendes Beispiel (Stand: 2016). Die Europäische Union fördert ein europaweites Forschungsprojekt.
Power-to-Gas
Ein mögliches Speichermedium für Energie sind Gasspeicher, die Erdgas oder Wasserstoff speichern. Als Gasspeicher dient in der Regel das weitverzweigte Erdgasnetz in Deutschland, aber auch unterirdische Gasspeicher in natürlichen Hohlräumen können genutzt werden.
Eine Möglichkeit, um Strom zu speichern, ist seine Umwandlung in Gas. Auf diese Weise kann er im bestehenden Gasnetz und in den vorhandenen Speichern eingelagert werden. Aus Strom wird durch Umwandlung also Gas oder Wasserstoff. Die Power-to-Gas-Technik nutzt die Elektrolyse für die Erzeugung von Wasserstoff aus überschüssigem Strom. Dabei wird Strom eingesetzt, um Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Dann spricht man von Power-to-Gas (englisch für „Strom zu Gas").
Dieser Wasserstoff kann entweder direkt genutzt werden, beispielsweise als umweltschonender Kraftstoff für Automobile, und in industriellen Anwendungen.
Er kann aber auch zusammen mit Kohlendioxid in Methan überführt werden. Dann entsteht künstliches Erdgas, das in das Gasnetz eingespeist werden kann. Es ersetzt so fossiles Erdgas – beides dient beispielsweise in Gaskraftwerken bei Bedarf dazu, Strom zu erzeugen. Als Zwischenschritt kann das künstlich erzeugte Gas natürlich auch erst einmal in einem Speicher eingelagert werden.
Die Power-to-Gas-Technik steht heute im Zentrum vieler Akteure: In Deutschland existieren 2019 rund 30 Forschungs- und Pilotprojekte mit einer Elektrolyse-Leistung von insgesamt rund 25 Megawatt. Sie prüfen die technische Machbarkeit, arbeiten an Standardisierungen und der Wirtschaftlichkeit. Vorangetrieben werden sie von Energieunternehmen wie der EnBW, Forschungsinstituten und der Industrie. Eine Herausforderung sind die Energieverluste, die durch den zweifachen Umwandlungsprozess von Strom in Gas und umgekehrt entstehen.
Weiterführende Informationen
Plattform Power-to-Gas von der Deutschen Energie-Agentur (dena)
Power-to-Heat
Überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energien kann auch direkt der Wärmeproduktion dienen. Zum Beispiel für den Betrieb von Elektroheizungen oder Wärmepumpen. Dabei spricht man von Power-to-Heat-Anlagen (zu Deutsch: „Energie zu Wärme“). Wärme kann man besser speichern als Strom. Sie wird dann für Heizungsanlagen oder für die Warmwasserbereitung verwendet. Die Umwandlung von Strom in Wärme verhindert auch, dass Windenergie- oder Solaranlagen bei zu viel Einspeisung abschalten müssen. So wird das Netz stabil gehalten. Power-to-Heat-Anlagen haben einen hohen Wirkungsgrad und niedrige Investitionskosten. Energiewirtschaftlich sinnvoll ist der Einsatz von Power-to-Heat-Anlagen allerdings nur in Zeiten sehr hoher Einspeisung aus regenerativen Quellen. Denn elektrischer Strom stellt gegenüber Wärmeenergie eine qualitativ höherwertige Energieform dar und hat deshalb einen weitaus höheren Wert. Ökologisch sinnvoll ist Power-to-Heat, wenn der Heizstrom aus regenerativen Quellen stammt und fossile Energiequellen ersetzt.