Aspekte der Energiewende: Speicher
Energiespeicher sind ein essentieller Faktor der Energiewende. Die schwankende erneuerbare Erzeugung muss nicht nur über weite Strecken transportiert, sondern auch zur späteren Verwendung gespeichert werden. Mit einem starken Anteil Photovoltaik und Windenergie lässt sich hier jeden Tag weit mehr Strom produzieren, als in der Bundesrepublik verbraucht wird. Allerdings ist bekannt, dass der Wind nicht immer weht und die Sonne – vor allem nachts – nicht immer scheint. Da sich in den letzten Jahren die Karten im Energiespeichermarkt neu gemischt haben, möchte ich heute einen allgemeinen Überblick über die etablierten Speichertechnologien geben und mich in der nächsten Zeit den einzelnen Speichern nochmal im Detail widmen.
Jeder von uns hat im Alltag mit Energiespeichern zu tun. Ob nun in unseren Laptops, Smartphones, Digitaluhren oder Elektroautos (die sich übrigens langsam aber sicher verbreiten – fährt hier jemand schon eins?). In unseren tragbaren Computern sind im Regelfall Lithium-Ionen-Akkus verbaut, welche durch die Elektronenwanderung zwischen einer Graphit-Elektrode und Lithium-Metalloxyd-Elektrode eine sichere, mobile Versorgung mit hoher Energiedichte versprechen. Unter anderem forschen Fraunhofer-Institute an Verbesserungen der Li-Ion-Akkus um ihren Einsatz in der Elektromobilität, aber auch als Großspeicher voranzutreiben.
Die noch ausbaufähige Ladekapazität der Li-Ions wird heute bereits durch einen alternativen Akku-Typ übertroffen: die Redox-Flow-Batterie. Hier befinden sich Flüssigkeiten in zwei getrennten Kreisläufen, die nur über eine Membran verbunden sind. Über eben diese Membran erfolgt im Rahmen der Elektrolyse der Ionenaustausch, sodass elektrische Energie entsteht. Da die Kreislauftanks in beliebiger Größe aufgestellt werden können, bieten diese Akkumulatoren eine potenziell sehr hohe Ladekapazität. Hierzu forscht unter anderem auch das Fraunhofer ICT, um den ungenutzten Strom einer Windkraftanlage direkt zu speichern.
Einer hohen Bekanntheit erfreut sich das klassische Pumpspeicherkraftwerk: bei einem Energieüberschuss werden Wassermassen über die eingebauten Pumpen in einen hoch liegenden Speichersee bewegt. Sobald Bedarf besteht, kann das Wasser ohne externe Energiehinzugabe (das nennt man Schwarzstartfähigkeit) bergab fließen und Turbinen antreiben. Ähnlich funktionieren Druckluftspeicher, in welche bei Stromüberschuss stark verdichtete Luft gepumpt wird. Bei entsprechendem Bedarf fließt die Luft unter hohem Druck durch Gasturbinen und kann ebenso schwarzstartfähig nach einem etwaigen Blackout den Wiederaufbau des Netzbetriebs unterstützen.
Eine besonders interessante Speichertechnologie ist power-to-gas: überschüssiger Ökostrom wird verwendet um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten (Elektrolyse) und anschließend durch Hinzugabe von Kohlenstoffdioxid den Wasserstoff zu methanisieren. Dieses synthetische Methan kann zu 100 Prozent im deutschen Erdgasnetz verwendet werden – und dieses Netz stellt mit 530.000 km Länge den mit Abstand größten und für unseren Bedarf ausreichenden Speicher dar. Viele Informationen finden sich auf der Strategieplattform power-to-gas.
Ein in letzter Zeit verbreitetes Schlagwort ist der virtuelle Energiespeicher. Hinter diesem hippen Cyber-Begriff steckt allerdings ein ganz simples Prinzip: ich „leihe“ einem Energiesystem eine bestimmte Menge Energie und später rufe ich dieses vertraglich gebundene „Guthaben“ wieder ab. Beispielsweise könnte eine Stadt als Speicher für meinen erzeugten Dachphotovoltaik-Strom dienen: es gibt genügend reale physische Speichermöglichkeiten wie Batterien, Gasleitungen und thermische Speicher. Mithilfe eines intelligenten Stromnetzes und entsprechendem Erzeuger- und Lasten-Management (hier schrieb ich schon mal etwas dazu: Lastmanagement) entsteht die Möglichkeit meine Energie irgendwo in der „Cloud“ zu speichern und bei Bedarf die an anderer Stelle erzeugte Energie einfach wieder aus dem System zu entnehmen.
Eine besonders spannende Entwicklung wird die Kombination aus Photovoltaikanlage und Hausbatterie bieten. Seitdem Tesla im Vorjahr ankündigte, die Powerwall in Zusammenarbeit mit Lichtblick günstig auf dem deutschen Markt zu platzieren gibt es viel Bewegung: neben etablierten Mittelständlern arbeiten Unternehmen wie SMA Solar und Solarwatt, aber auch BMW und Daimler an Haus- und eMobilitätsspeichern. Darüber hinaus gehen Forschungsinstitute und Thinktanks davon aus, dass Energiespeicher in den nächsten Jahren bei deutlich fallenden Preisen brauchbare Kapazitätsmengen anbieten können und damit vor allem in Zusammenhang mit der Elektromobilität disruptiv auf unser etabliertes Energiesystem wirken werden.
Viele Informationen zur Forschung an Energiespeichern gibt es bei Fraunhofer, Helmholtz / DLR und der Förderinitiative Energiespeicher der Bundesrepublik.