Wie lässt sich Strom speichern gegen Dunkelflauten?
Wie kann Strom bei Dunkelflauten gespeichert werden? Von Batteriespeichern bis Wasserstoff: Die besten Speichertechnologien für eine stabile Energieversorgung.
Immer mehr Strom wird aus erneuerbaren Energien erzeugt. Um die Energieversorgung bei Dunkelflauten stabil zu halten, braucht es jede Menge Stromspeicher.
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Ein Stromsystem, das zunehmend auf erneuerbare Energien setzt, muss auf Zeiten ohne Wind und Sonne vorbereitet sein. Schon heute treten solche Dunkelflauten auf, und ihre Häufigkeit wird mit dem steigenden Anteil erneuerbarer Energien weiter zunehmen. Um die Energieversorgung zu sichern, sind intelligente Speicherlösungen notwendig. Diese lassen sich in kurzfristige, mittelfristige und langfristige Speicher unterteilen. Wir haben die gängigsten Speichersysteme für Strom zusammengefasst.
Inhaltsverzeichnis
Kurzfristige Speicher: Sekunden bis Stunden
Kurzfristige Speicher gleichen Schwankungen im Stromnetz aus und sorgen für Netzstabilität. Hierzu zählen verschiedene Batterie- und mechanische Speichertechnologien.
Lösung #1: Batteriespeicher
Lithium-Ionen-Batterien dominieren derzeit den Markt. Sie sind effizient (80-90 % Wirkungsgrad) und flexibel einsetzbar. Sie werden in Haushalten, industriellen Anwendungen und zunehmend auch als Netzspeicher genutzt. Ein Vorteil ist ihre schnelle Reaktionszeit, wodurch sie kurzfristige Schwankungen effektiv ausgleichen.
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Neben Lithium-Ionen-Batterien werden auch Natrium-Ionen-Akkus erprobt. Diese nutzen Natrium, das weltweit in großer Menge verfügbar ist und damit günstiger als Lithium ist. Ein Nachteil ist jedoch die geringere Energiedichte: Um dieselbe Energiemenge zu speichern, benötigen Natrium-Ionen-Batterien mehr Platz. Daher sind sie momentan eher für stationäre Anwendungen interessant.
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Redox-Flow-Batterien bieten eine weitere Alternative. Diese Akkus speichern Energie in chemischen Verbindungen, die in separaten Tanks gelagert werden. Ihr Vorteil liegt in der nahezu unbegrenzten Skalierbarkeit und der hohen Lebensdauer, da sich die Elektrolyte austauschen lassen. Aufgrund ihrer komplexen Bauweise und der zusätzlichen Komponenten wie Pumpen und Tanks sind sie jedoch eher für große, stationäre Anwendungen geeignet.
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Das waren jetzt nur drei Systeme für Batteriespeicher. Wirklich erfolgreich auf dem Markt sind eigentlich bislang nur die Lithium-Ionen-Akkus. Da der Rohstoff Lithium nicht endlos und überall verfügbar ist, werden andere Batterie-Typen erforscht und erprobt. Nach Angaben von Maximilian Fichtner vom Helmholtz-Institut Ulm wird man Lithium zunehmend durch Natrium ersetzen – bekannt etwa als ein Bestandteil von Natriumchlorid, also Kochsalz.
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Lösung #2: Superkondensatoren
Superkondensatoren speichern Energie durch elektrische Felder statt chemischer Reaktionen. Dadurch können sie Energie extrem schnell aufnehmen und wieder abgeben. Diese Eigenschaft macht sie ideal für Anwendungen, die kurzfristige Leistungsspitzen abfangen müssen, wie etwa beim Bremsenergierückgewinnungssystem von Elektrofahrzeugen oder zur Stabilisierung der Netzfrequenz.
Allerdings können Superkondensatoren nur geringe Energiemengen speichern. Daher eignen sie sich nicht als primäre Energiespeicher, sondern eher als Ergänzung zu anderen Technologien, um sehr kurzfristige Schwankungen auszugleichen.
Lösung #3: Schwungradspeicher
Schwungradspeicher nutzen rotierende Massen zur Energiespeicherung. Ein Elektromotor bringt eine schwere Scheibe in Rotation, wobei die kinetische Energie gespeichert wird. Bei Energiebedarf wird das Schwungrad abgebremst, um die gespeicherte Energie als Strom abzugeben.
Der Vorteil dieser Speichertechnologie liegt in der hohen Zyklenfestigkeit und schnellen Reaktionszeit. Schwungradspeicher können Energie innerhalb von Millisekunden abrufen und haben eine lange Lebensdauer, da keine chemischen Reaktionen ablaufen.
Ein Nachteil ist jedoch, dass durch Luft- und Lagerungsreibung Energieverluste entstehen. Zudem ist die Speicherdauer begrenzt: Die gespeicherte Energie geht nach einiger Zeit verloren, wenn keine weitere Rotation unterstützt wird. Daher eignen sich Schwungradspeicher vor allem für kurzfristige Anwendungen, wie etwa zur Frequenzregulierung im Stromnetz oder als Notstromquelle.
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Mittelfristige Speicher: Stunden bis Tage
Mittelfristige Speicher können Strom für mehrere Stunden bis wenige Tage speichern und stabilisieren damit das Netz über längere Zeiträume. Sie spielen eine entscheidende Rolle, um kurzfristige Schwankungen auszugleichen und eine kontinuierliche Stromversorgung zu gewährleisten.
Lösung #1: Pumpspeicherkraftwerke
Pumpspeicherkraftwerke sind die weltweit größten Energiespeicher und haben sich über Jahrzehnte als verlässliche Methode zur Energiespeicherung bewährt. Sie speichern Energie, indem Wasser in ein höher gelegenes Becken gepumpt wird. Bei Bedarf wird das Wasser abgelassen und treibt Turbinen an, um wieder Strom zu erzeugen.
Ein großer Vorteil dieser Technologie ist ihr hoher Wirkungsgrad von etwa 75-85 %. Zudem können Pumpspeicherkraftwerke innerhalb weniger Minuten auf Strombedarf reagieren und damit zur Netzstabilisierung beitragen. Der Nachteil besteht in den geografischen Anforderungen: Sie benötigen hügelige oder bergige Regionen und können nicht an beliebigen Standorten errichtet werden. Zudem sind die Baukosten hoch, und Umweltaspekte wie Eingriffe in die Natur oder Umsiedlungen können problematisch sein.
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Lösung #2: Druckluftspeicher (CAES – Compressed Air Energy Storage)
Druckluftspeicher speichern Energie, indem Luft unter hohem Druck in unterirdische Kavernen oder Tanks gepresst wird. Bei Bedarf wird die Luft entspannt, um eine Turbine anzutreiben und somit Strom zu erzeugen.
Der Wirkungsgrad liegt typischerweise zwischen 50-70 %. Die Effizienz kann durch die Rückgewinnung der beim Verdichten entstehenden Wärme verbessert werden, da diese sonst verloren geht. Moderne Konzepte arbeiten daran, diesen Prozess zu optimieren. Ein Vorteil von Druckluftspeichern ist, dass sie große Energiemengen speichern können, was sie für die Netzstabilisierung attraktiv macht. Allerdings sind auch sie von geologischen Gegebenheiten abhängig, da geeignete unterirdische Speicherorte erforderlich sind.
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Lösung #3: Thermische Energiespeicher
Thermische Speicher nutzen Materialien wie Salz, Sand oder Gestein, um überschüssige Energie in Form von Wärme zu speichern. Diese Wärme kann später zur Stromerzeugung oder für Heizsysteme verwendet werden.
Ein bekanntes Beispiel ist die Speicherung in geschmolzenem Salz, das Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius erreichen kann. Diese Technik wird bereits in solarthermischen Kraftwerken eingesetzt, um die Energie der Sonne auch nach Sonnenuntergang nutzbar zu machen.
Eine weitere vielversprechende Methode ist die Speicherung von Energie in erhitztem Sand oder speziellen keramischen Materialien. Diese können Wärme über lange Zeit verlustarm speichern und sind kostengünstig sowie umweltfreundlich. Auch die Integration in bestehende Industrien ist denkbar, sodass Abwärme aus Produktionsprozessen effizient genutzt werden kann.
Thermische Speicher eignen sich besonders für industrielle Anwendungen und Fernwärmesysteme. Ihr Vorteil ist die Skalierbarkeit und Langlebigkeit. Allerdings erfordert die Umwandlung von Wärme in Strom oft zusätzliche Technik wie Dampfturbinen, was den Gesamtwirkungsgrad reduziert.
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Langfristige Speicher: Tage bis Monate
Langfristige Speicher sind essenziell, um saisonale Schwankungen der erneuerbaren Energien auszugleichen. Sie sind notwendig, um die Energieversorgung auch dann zu gewährleisten, wenn Photovoltaik- und Windkraftanlagen über längere Zeit nicht genug Strom produzieren. Diese Speichertechnologien spielen insbesondere für eine CO₂-neutrale Energiezukunft eine zentrale Rolle.
Lösung #1: Wasserstoffspeicherung (Power-to-Gas)
Wasserstoff wird durch Elektrolyse aus überschüssigem Strom hergestellt. Dabei wird Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Der erzeugte Wasserstoff kann dann in Drucktanks gespeichert oder in unterirdischen Kavernen gelagert werden.
Die Nutzung von Wasserstoff erfolgt auf verschiedene Weise:
- Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff direkt wieder in Strom um. Dies ist eine effiziente, aber teure Methode mit einem Wirkungsgrad von etwa 40-60 %.
- Gaskraftwerke können modifiziert werden, um Wasserstoff als Brennstoff zu verwenden. Diese Technologie erlaubt eine flexible Stromerzeugung, allerdings mit einem geringeren Wirkungsgrad.
- Synthetisches Methan: Wasserstoff kann mit CO₂ zu Methan umgewandelt werden, das als Erdgasersatz in bestehenden Gasnetzen gespeichert und genutzt werden kann. Dies erleichtert die Integration in bestehende Infrastrukturen, erhöht aber die Verluste, da weitere Umwandlungsschritte nötig sind.
Die Herausforderung bei der Wasserstoffspeicherung liegt in der Effizienz und den hohen Umwandlungsverlusten. Zudem benötigt Wasserstoff spezielle Speicherbehälter, da er als kleinstes Molekül leicht aus herkömmlichen Tanks entweicht.
Ein Vorteil ist jedoch die Langzeitspeicherung: Wasserstoff kann über Monate gespeichert werden, ohne dass es zu nennenswerten Energieverlusten kommt. Dies macht ihn zu einer der wichtigsten Optionen für die saisonale Energiespeicherung.
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Lösung #2: Flüssigorganische Wasserstoffträger (LOHC) und Ammoniak
Flüssigorganische Wasserstoffträger (LOHC) sind chemische Verbindungen, die Wasserstoff sicher speichern und transportieren können. Anders als gasförmiger oder flüssiger Wasserstoff können LOHCs bei Umgebungsdruck und -temperatur gehandhabt werden, was Transport und Lagerung erheblich erleichtert. Die Speicherung erfolgt durch chemische Bindung, der Wasserstoff kann durch chemische Prozesse wieder freigesetzt und genutzt werden.
Ein weiterer Ansatz ist Ammoniak (NH₃), das als Wasserstoffträger dient. Es kann leichter verflüssigt werden als Wasserstoff und mit bestehenden Infrastrukturen transportiert werden. Ammoniak kann direkt als Brennstoff genutzt oder zur Wasserstoffrückgewinnung wieder in Wasserstoff und Stickstoff gespalten werden. Diese Technologie steckt jedoch noch in der Entwicklungsphase und wird derzeit auf ihre Wirtschaftlichkeit getestet.
Ein Vorteil von LOHC und Ammoniak liegt in der einfacheren Lagerung und der sicheren Handhabung. Die Umwandlungsverluste sind jedoch ein Nachteil, insbesondere wenn der Wasserstoff zurückgewonnen werden muss.
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Innovative Speichertechnologien
Neben den etablierten Speicherformen gibt es zahlreiche innovative Ansätze, die sich noch in der Entwicklung befinden oder bisher nur in Pilotprojekten getestet wurden. Diese neuen Technologien könnten die Energieversorgung der Zukunft revolutionieren, indem sie kostengünstigere, effizientere oder nachhaltigere Alternativen zu bestehenden Speichertechnologien bieten.
Lösung #1: Schwerkraftspeicher
Schwerkraftspeicher funktionieren nach einem simplen physikalischen Prinzip: Überschüssige Energie wird genutzt, um schwere Gewichte mit elektrischen Motoren in die Höhe zu heben. Bei Bedarf wird das Gewicht abgesenkt, wodurch Generatoren angetrieben werden, die Strom erzeugen. Diese Speicher bieten eine hohe Effizienz, da sie kaum Energieverluste aufweisen, und können theoretisch viele Jahrzehnte lang betrieben werden. Ein Nachteil ist der hohe Platzbedarf sowie die Notwendigkeit stabiler, großer Bauwerke. Sie eignen sich besonders für Regionen mit Bergbauinfrastruktur oder hohen Gebäuden, in denen Gewichte in vertikalen Schächten bewegt werden können.
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Lösung #2: Betonkugeln als Meeresbodenspeicher
Das Fraunhofer IEE entwickelt eine Speichermethode, die auf dem Prinzip von Pumpspeicherkraftwerken basiert, jedoch unter Wasser operiert. Hohle Betonkugeln mit einem Durchmesser von mehreren Metern werden auf dem Meeresboden verankert. Wenn Strom gespeichert werden soll, wird Wasser aus der Kugel herausgepumpt. Soll Energie freigesetzt werden, strömt das Wasser zurück in die Kugel und treibt eine Turbine an, die Strom erzeugt. Diese Technologie hat den Vorteil, dass sie keine oberirdische Infrastruktur benötigt und in Küstenregionen mit ausreichender Wassertiefe eingesetzt werden kann. Herausforderungen bestehen in der Haltbarkeit der Betonkugeln und den hohen Baukosten.
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Lösung #3: Superkondensatoren aus Ruß und Zement
Forschende des MIT haben eine bahnbrechende Methode entwickelt, um herkömmliche Baumaterialien in Energiespeicher zu verwandeln. Durch die Kombination von leitfähigem Ruß mit Zement und Wasser entsteht ein Material, das als Superkondensator fungiert. Dieses Material kann in Betonkonstruktionen integriert werden, wodurch Gebäude selbst als Energiespeicher dienen könnten. Die Speicherkapazität ist zwar geringer als bei Lithium-Ionen-Batterien, jedoch könnte diese Technologie zur dezentralen Speicherung von Energie in Stadtgebieten beitragen. Der Vorteil liegt in der kostengünstigen Produktion und der nahtlosen Integration in bestehende Infrastrukturen.
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Lösung #4: Dampfbatterien
An der Hochschule Zittau/Görlitz wird mit einer neuen Speicherform experimentiert: Dampfbatterien. Dabei wird Energie genutzt, um Wasser in Dampfform unter hohem Druck zu speichern. Wenn Strom benötigt wird, treibt der freigesetzte Dampf eine Turbine an und erzeugt elektrische Energie. Dieses Verfahren erinnert an die klassische Dampfkrafttechnik, jedoch mit dem Vorteil, dass Energie effizienter gespeichert und abgerufen werden kann. Der Wirkungsgrad liegt derzeit zwischen 60 und 70 %. Herausforderungen bestehen in der Skalierung und der Langzeitspeicherung des Dampfs ohne signifikante Verluste.
Lösung #5: Druckluftspeicher in Hochdrucktanks
Eine Alternative zu unterirdischen Druckluftspeichern sind kompakte Hochdrucktanks, die Druckluft speichern und diese bei Bedarf zur Stromerzeugung freisetzen. Diese Speicherform hat den Vorteil, dass sie ortsunabhängig eingesetzt werden kann und keine geologischen Voraussetzungen erfüllen muss. Allerdings sind die Tanks aufgrund der hohen Druckverhältnisse teuer in der Herstellung, und der Wirkungsgrad ist niedriger als bei Pumpspeicherkraftwerken.
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Lösung #6: Energiegewinnung aus Temperaturunterschieden (Thermoelektrische Speicher)
Eine weitere innovative Speicherform nutzt Temperaturunterschiede zur Stromerzeugung. Hierbei werden spezielle Materialien eingesetzt, die durch Temperaturdifferenzen elektrischen Strom erzeugen. Diese Methode könnte besonders in Industrieanlagen oder in Kombination mit bestehenden thermischen Speichern eingesetzt werden. Die Effizienz dieser Technologie ist derzeit jedoch noch vergleichsweise gering.
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Übersichtsartikel:
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Lithium-Ionen-Technik:
https://www.vdi-nachrichten.com/technik/produktion/wie-das-lithium-in-die-batterie-kommt/
Natrium-Ionen-Batterien:
https://www.vdi-nachrichten.com/technik/forschung/festkoerperbatterie-auf-natrium-basis-im-3d-druck/
Redox-Flow-Batterien:
https://www.vdi-nachrichten.com/technik/energie/redox-flow-batterien-zum-sparpreis/
Superkondensatoren:
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https://www.vdi-nachrichten.com/technik/elektronik/superkondensatoren/
Wasserstoff als Energiespeicher (Rückverstromung über Turbinenkraftwerke):
https://www.vdi-nachrichten.com/technik/energie/speicher-co2-freier-strom-fuer-das-eigenheim/
Pumpspeicherkraftwerke:
https://www.vdi-nachrichten.com/technik/energie/das-verbuddelte-pumpspeicherkraftwerk/
Große Wärmespeicher (mit späterer Rückverstromung):
https://www.vdi-nachrichten.com/technik/energie/die-welt-mit-waermespeichern-retten/
Weitere Speicherkonzepte:
https://www.vdi-nachrichten.com/technik/energie/die-welt-mit-waermespeichern-retten/
https://www.vdi-nachrichten.com/technik/energie/guenstiger-pufferspeicher-fuer-gruene-energie/
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