Energiespeicher Technologien

Viele Technologien sind sektorübergreifend als Energiespeicher etabliert, werden neu oder weiterentwickelt. Dieser Beitrag bietet Ihnen einen ersten Überblick. Weitergehende Informationen, auch mit Bezug zu den involvierten Normungsorganisationen und -gremien, finden Sie in der Deutsche Normungsroadmap Energiespeicher von 2021.

Welche Energiespeicher gibt es? Was unterscheidet sie?

In der Normungsroadmap Energiespeicher untersuchten Experten aus Verbänden, Unternehmen und Wissenschaft sowie Zivilbevölkerung den Stand der Forschung und der Normung für fünf Speicherkategorien. Diese unterscheiden sich in ihrer Speicherkapazität sowie der Geschwindigkeit für das Be- und Entladen und können jeweils unterschiedliche Aufgaben in der All Electric Society (AES) übernehmen.

Weitere Kriterien beziehungsweise Eigenschaften von Energiespeichersystemen für Strom und andere unterschiedliche Energiespeicherformen sind beispielsweise:

  • Energieinhalt 
  • Speicherdauer
  • Schnelligkeit und Latenz der Be- und Ausspeicherung (Gradient der Leistungsänderung)
  • Wirkungsgrad / Effizienz / Energieeffizienz
  • Kosten

Frage 1: Welche weiteren Charakteristika seht Ihr als wesentlich an?

Elektrochemische Speicher

Elektrochemische Energiespeicher wie Batterien und Akkumulatoren speichern elektrische Energie durch reversible elektrochemische Reaktionen. Sie bestehen aus zwei Elektroden, die über einen Elektrolyten verbunden sind. Beim Laden wird durch eine äußere Spannung chemische Energie über die Elektroden im Elektrolyten gespeichert. Beim Entladen wird diese wieder freigesetzt und in elektrischen Strom umgewandelt. Die wichtigsten Typen sind: 

  • Blei-Säure-Batterien: Günstig, robust, geringe Selbstentladung. Nachteile: Geringe Energiedichte, begrenzte Lebensdauer. 
  • Lithium-Ionen-Batterien: Hohe Energiedichte, hohe Zyklenfestigkeit. Nachteile: teuer, empfindlich gegen Tiefentladung. 
  • Redox-Flow-Batterien: Externer flüssiger Elektrolyt ermöglicht flexible Anwendung. Nachteile: Geringe Energiedichte. 
  • Natrium-Schwefel-Batterien: Hohe Energiedichte, lange Lebensdauer. Benötigen Betriebstemperatur von etwa 300°C. 

Anwendungsbereiche sind eine Vielzahl von mobilen Endgeräten, Elektromobilität, netzgekoppelte PV-Anlagen, Systeme zur unterbrechungsfreien Stromversorgung. Aktuell forschen Hersteller und Hochschulen an der Steigerung der Energiedichte, um Gewicht und Kosten zu senken sowie die Leistungsfähigkeit zu erhöhen. Damit arbeiten sie auch daran, die Ladezyklen und die Lebensdauer von Batterien zu steigern, um die Bedenken sowohl der Automobilindustrie als auch der E-Autofahrer gegenüber dem Bi-direktionalem Laden abzubauen. 

Mechanische Speicher

Mechanische Speicher sind eine teilweise bewährte Technologie zur Speicherung von Energie. In der Sektorenkopplung können sie eine Scharnierfunktion einnehmen. Dazu gehören Pumpspeicherkraftwerke, Druckluftspeicher und Schwungradspeicher.

Pumpspeicherkraftwerke sind eine etablierte Technologie zur Speicherung von Energie. Sie nutzen überschüssigen Strom, um Wasser in ein höher gelegenes Reservoir zu pumpen. Bei Bedarf wird das Wasser wieder abgelassen und treibt dabei eine Turbine an, die Strom erzeugt. 

These 1 zur Diskussion: 
Allerdings sind Pumpspeicherwerke in Mitteleuropa hauptsächlich für die Kurzzeitspeicherung von Energie geeignet und werden zukünftig wahrscheinlich durch effektivere dezentrale stationäre Speicher und E-Fahrzeuge teilweise substituiert, da diese besser skaliert werden können. Die geografischen Verhältnisse limitieren den weiteren Ausbau von Pumpspeicherkraftwerken. 

Druckluftspeicher sind eine weitere Form der mechanischen Energiespeicherung. Sie speichern Energie, indem sie Luft unter hohem Druck in unterirdischen Kavernen speichern. Bei Bedarf wird die Druckluft freigesetzt und treibt eine Turbine an, die Strom erzeugt. Diese Technologie ermöglicht es, auch längere Perioden zu überbrücken.

Schwungradspeicher speichern Energie in Form von mechanischer Energie, ähnlich einem aufgezogenen Uhrwerk. Sie nutzen einen Motor, um ein Schwungrad auf hohe Drehzahlen zu beschleunigen. Bei Bedarf wird die mechanische Energie des Schwungrades durch Rekuperation (abbremsen durch einen Generator) in elektrische Energie umgewandelt. Schwungradspeicher können Leistungsschwankungen im Netz schnell ausgleichen und sind daher besonders geeignet für Anwendungen, die eine hohe Netzstabilität erfordern.

Thermische Speicher

Thermische Energiespeicher speichern überschüssige Wärme zwischen und geben sie bei Bedarf wieder ab. Sie ermöglichen damit eine zeitliche Entkopplung von Wärmeerzeugung und -verbrauch. Drei Arten werden unterschieden:

  • Sensible Wärmespeicher: Speichern Wärme durch Erwärmung eines Mediums wie Wasser, Gestein oder Erde. Beispiele: Heißwasserspeicher, Erdwärmesonden. 
    Beispielsweise ist aber auch ein Gebäude, dass gekühlt oder erwärmt werden muss, aufgrund der eingesetzten Materialen mehr oder weniger inhärent ein thermischer Speicher.
  • Latentwärmespeicher: Nutzen Phasenübergänge wie Schmelzen und Verdampfen eines Speichermaterialien wie Salzen oder Paraffinen zur Wärmespeicherung. Mit dem umgekehrten System arbeiten Eisspeicher. 
  • Thermochemische Speicher: Sie setzen auf umkehrbare chemische Reaktionen zur Ein- und Ausspeicherung von Wärme und ermöglichen langfristige Speicherung. Sie nutzen die endotherme und exotherme Reaktionsfähigkeit wie von Silikagelen: Durch Wärmezufuhr (endotherm) ändert sich seine chemische Zusammensetzung. Bei der steuerbaren Rückumwandlung, der exothermen Reaktion, wird die Wärme wieder freigesetzt. Solche Speicher gewährleisten bei ihrem ohnehin hohen Wirkungsgrad im Vergleich zu Puffer- und Latentwärmespeichern eine fast verlustfreie Speicherung hoher Wärmemengen über größere Zeiträume. Solche Speicher kommen in kleinerem Maßstab heute bereits saisonal bei solarthermischen Anlagen zum Einsatz.

Thermische Speicher ermöglichen also eine Lastverschiebung, weil sie mit einer Hysterese gesteuert werden können. Das bedeutet, dass der thermische Speicher zusätzliche Energie aufnehmen kann, wenn beispielsweise ein Überangebot an Strom im Netz besteht. Die Leistungsabgabe wird dann später im Rahmen der Funktionstüchtigkeit zeitlich verschoben. So kann ein Kühl- oder Gefrierschrank ein paar Grad kälter oder wärmer werden, die Wärmepumpe oder Klimaanlage abhängig vom Stromangebot mehr oder weniger Leistung abrufen. Thermische Speicher sind also wichtig für die Solarthermie, um Wärme für eine bedarfsorientierte Nutzung bereitzustellen. In Gebäuden können sie für einen Ausgleich von Angebot und Nachfrage sowie eine saisonale Speicherung sorgen. Für die Industrie könnten sie Prozesswärme speichern und bereitstellen. In Kraftwerken lässt sich durch eine Zwischenspeicherung der Wärme der Wirkungsgrad erhöhen. Für die Sektorenkopplung könnten thermische Speicher die Sektoren Stromerzeugung und -infrastruktur, Gebäudewärme und Industrie verbinden. Mit einer Speicherung von Wärme aus überschüssiger Stromerzeugung („Power-to-Heat“) könnten Synergien zwischen den Sektoren gehoben und die Energieeffizienz gesteigert werden. Vor allem: Thermische Speicher sind meistens auch günstiger im Vergleich zu Batterien.

Chemische Speicher: Power-to-X als Treiber der Sektorenkopplung

Die chemischen Speicher, gerne als Power-to-X-Technologien (P2X) bezeichnet, werden in der All Electric Society (AES) zunehmend eine zentrale Funktion übernehmen. P2X-Verfahren konvertieren Strom in einen neuen Energieträger, der besser als Strom lager- und transportfähig ist. Sie ergänzen die bisherigen Speichertechnologien und ermöglichen es, große Energiemengen mittel- und langfristig zu lagern, so dass sie auch bei längeren Episoden ohne Sonne und Wind Energie bereitstellen können. Sie gewährleisten dadurch eine sichere Versorgung aus der stark schwankenden Erzeugung der erneuerbaren Quellen. Sie können saisonale Schwankungen wie Sommer und Winter überbrücken, wenn beispielsweise die Stromproduktion aus PV-Anlagen deutlich nachlässt und bieten damit auch ein großes Potenzial für die Bewältigung einer Dunkelflaute. Neben der guten Lagerfähigkeit sind solche Umwandlungstechnologien vor allem für den Transport und die Verteilung der Energie sowie für nicht direkt elektrifizierbare Anwendungen wie Schiffs- und Flugverkehr unverzichtbar. P2X-Lösungen könnten die Erneuerbare Energien so ertüchtigen, dass sie grundlastfähig werden. Folgende Technologien sind zu unterscheiden:

  • Power-to-Gas I: In der Elektrolyse wird Wasser mithilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Durch zwei Elektroden wird Gleichstrom in ein Medium (Elektrolyt) geleitet. Der Stromfluss löst im Elektrolyten eine Reaktion aus. Die dort gelösten Atome reagieren. Bei der Elektrolyse mit Wasser (H2O) als Elektrolyt lösen sich durch die Stromzufuhr die zwei Wasserstoffatome von dem Sauerstoffatom. Es entsteht ein Wasserstoffatom (H2) und ein Sauerstoffatom (O). Wasserstoff ist gasförmig und befindet sich in einem sehr leicht entzündlichen Zustand. Er ist nur schwer lagerbar. Erst unter Druck von 700 bar wird Wasserstoff flüssig. Wichtige Elektrolyseverfahren sind die Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) Elektrolyse, die alkalische Elektrolyse und die Hochtemperatur-Elektrolyse (SOEC). Stehen Elektrolyseure in der Nähe von großen Windkraftparks und großen Verteilnetzen, können sie das heute übliche Abschalten von Stromerzeugern wegen Netzüberlastung beispielsweise bei Sturm vermeiden helfen. Aktuell gibt es sogar Überlegungen, das bestehende Erdgasnetz und Gaskraftwerke auf Wasserstoff umzurüsten. Damit wäre die vorhandene Einspeise- und Ausspeisungsinfrastrukturen für die flächendeckende Nutzung von Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen gewährleistet. 
  • Power-to-Gas II: Wasserstoff hat eine hohe Energiedichte im Verhältnis zu seiner Masse. Der Energiegehalt eines Kilogramms Wasserstoff ist so hoch wie der von drei Liter Benzin. In einem weiteren Verfahrensschritt lässt sich Wasserstoff unter Zugabe von CO2 in Methan (CH4) umwandeln. Das ist der Hauptbestandteil des Erdgases. Der Umwandlungsprozess kostet rund 30 Prozent der eingesetzten Energie. Allerdings entsteht eine nutzbare Abwärme. Durch die Methanisierung stehen etwa weitere zehn Prozent der Energie im Wasserstoff als Abwärme zur Verfügung. Das so gewonnene Erdgas enthält netto immer noch rund 60 Prozent der zuvor aufgewandten Primärenergie. Und wenn das CO2 für diesen Prozess auch noch aus einer CCS-Anlage (Carbon Capture and Storage) gewonnen würde, wäre das Methan dann wirklich „grün“. Dieses grüne Erdgas lässt sich über die bestehende Erdgasinfrastruktur lagern und bis in private Haushalte und Industriebetriebe verteilen. Es könnte in Gaskraftwerken bei Dunkelflaute Strom produzieren, was ein weiterer Schritt auf dem Weg zur Grundlastfähigkeit der Erneuerbaren wäre. 
  • Power-to-Liquid: Mit dem Fischer-Tropsch-Verfahren lässt sich Wasserstoff unter Zugabe von CO2 zu Synthesegas raffinieren. Es besteht überwiegend aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. In weiteren chemischen Verfahren lassen sich daraus Kraftstoffe wie Benzin, Diesel und Kerosin – also die sogenannten E-Fuels – fraktionieren. Sie sind gut lager- und transportierbar. Allerdings führen diese aufwendigen Verfahren zu hohen Umwandlungsverlusten von über 50 Prozent. Betrachtet man die Gesamtrechnung von der Quelle bis zum Rad, sind E-Fuels aus heutiger Sicht unwirtschaftlich. Von einem Kilowattstunde Strom entstehen nur 0,5 Liter Kraftstoff. Davon wiederum werden je nach Verbrennungsmotor nur etwa 30 bis 35 Prozent in Vortrieb umgewandelt. Der Rest geht als Abwärme verloren. 
  • Power-to-Chemicals: Mit dem Haber-Bosch-Verfahren wird aus Wasserstoff unter Zugabe von Stickstoff schließlich Ammoniak. Das ist einer der wichtigsten Rohstoffe für die Grundstoffchemie und für die Düngemittelproduktion. Vorteil von Ammoniak ist, das er eine rund zehn Prozent höhere Energiedichte als Wasserstoff hat und nur bei acht bar gelagert werden muss. Das macht ihn leichter lager- und über vorhandene Logistikstrukturen transportierfähig. Die Rückumwandlung in Strom ist ebenfalls im industriellen Maßstab in Ammoniak-Brennstoffzellen oder Gasturbinenkraftwerken möglich. Der Wirkungsgrad ist beachtlich: Aus einer Kilowattstunde Ammoniak werden 0,6 kWh Strom und 0,4 kWh verwertbare Abwärme. 

Power-to-Heat I: die effizienteste Nutzung von Strom

Power-to-Heat ist seit der Ölkrise 1972 bekannt. Damals investierten Wohnungsbaugesellschaften und Privathaushalte in sogenannte „Nachspeicheröfen“. Sie etablierten sich kurzzeitig vor allem, weil die Grundlastkraftwerke damals noch schlechter regelfähig waren und es nachts zu einem Überangebot an Strom kam, den es zu „entsorgen“ galt. In Belgien wurde deshalb auch die Autobahnbeleuchtung ausgebaut, um den Strom „loszuwerden“. Auch heute gibt es durch die Erneuerbaren solche Zeiten, die an der Börse zu negativen Strompreisen führen. In den Nachtspeicheröfen entstand aus einer Kilowattstunde Strom 0,95 kWh Wärme, was damals effizienter war als die Verfeuerung fossiler Brennstoffe ohne Brennwerttechnik mit Abwärmenutzung. Doch die Wärmepumpe heutiger Bauart ist um den Faktor drei bis vier effizienter. Eine Wärmepumpe entzieht der Umgebungsluft, dem Boden oder dem Grundwasser Wärme, um damit ein Trägermedium aufzuwärmen. Dieses wird mit einem Elektromotor wie bei einer Fahrradpumpe komprimiert. Es entsteht weitere Wärme, die über einen Wärmetauscher an ein Heizsystem abgegeben wird. Aus einer eingesetzten Kilowattstunde Strom entstehen bis zu vier kWh Wärme. 

These 2 zur Diskussion

Ein entscheidender Aspekt für den Einsatz wird der Wirkungsgrad sein. In jedem Anwendungsfall wird einzeln zu begründen sein, welcher Speicher wirtschaftlich vertretbar ist. Während man mit einer Wärmepumpe aus einer Kilowattstunde Strom vier kWh Wärme erhalten kann, gehen bei Umwandlungsprozessen wie der Wasserstofferzeugung und Methanisierung sowie Kraftstoffproduktion bei jedem Prozessschritt zehn bis 20 Prozent der eingesetzten Primärenergie verloren. Schon aus diesen Verhältnissen wird deutlich, dass für die Wärmeproduktion und für die Elektromobilität die direkte Stromnutzung immer effektiver ist, als der Umweg über Power-to-X. Vor allem Wasserstoff sollte deshalb aus Effizienzgründen der saisonalen Speicherung zur Rückverstromung sowie industriellen Anwendungen vorbehalten sein. 

Power-to-Heat II: Nah- und Fernwärmenetze mit Wärmespeichern

Mittlerweile existiert in Mannheim die erste Großwärmepumpe, die dem Rheinwasser Wärme entzieht und diese für bis zu 3.500 Haushalten über das Fernwärmenetz bereitstellen soll. Dieses Prinzip könnte sich auch für die Erzeugung von industrieller Prozesswärme eignen. In Verbindung mit Thermospeichern, einer systematischen Abwärmenutzung und dem Ausbau der Nah- und Fernwärmenetze könnten Power-to-Heat-Anwendungen die Wärmewende ermöglichen. Vor allem mit einer verbrauchernahen Organisation in urbanen Siedlungsräumen könnte die Nah-Wärmeversorgung komplett ohne fossile Energieträger auskommen. 

Komponenten des Gesamtsystems Energiespeicher

Neben den einzelnen Speichersystemen ist gesondert auch die Integration des Speichers in ein Gesamtenergiesystem zu berücksichtigen. 

Beispiele:

  • Batteriemanagementsysteme überwachen und steuern die einzelnen Zellen eines Batteriespeichersystems
  • Wechselrichter, um beispielsweise Gleichstrom aus Batterien dem Netz zu entnehmen oder zurück zu speisen,
  • Umwandlung von beispielsweise Strom in die zu speichernde Energieform für Pumpen, Wärmepumpen, Elektrolyseanlagen etc.
  • Informationstechnische Anbindung an ein Energiemanagementsystem.

Frage 2: Welche weiteren Komponenten sollten hier aufgeführt werden?

Fazit: Grundlagen sind vorhanden, Wirkungsgrad entscheidend

Die technologischen Grundlagen für die fünf hier beschriebenen Speicherkategorien sind weitgehend vorhanden. Der rasche Zubau der Erneuerbaren Energien wird dafür sorgen, dass sich auch die Speichertechnologien sehr schnell weiterentwickeln werden. 

Die All Electric Society ist letztlich die Idee eines Gesamtenergiesystems, bei dem Strom und andere Energieträger sowie alle Speichertechnologien im Sinne eines gemeinsam gedachten und geplanten Austauschprozesses die Nachfrage nach Wärme, Kälte oder Strom aus nachhaltigen Energiequellen sicher bedient. Hierbei kann jeder Energieträger mit seinen spezifischen Speichermöglichkeiten und mit den jeweils unterschiedlichen Stärken und Schwächen eine wichtige Rolle übernehmen.

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Johannes Stein

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DKE Experte All Electric Society

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