Speichertechnologien

Was sind Speichertechnologien?

Speichertechnologien sind Methoden und Verfahren, mit denen Energie wie Strom oder Wärme gespeichert werden kann. Die unterschiedlichen Speichertechnologien spielen eine wichtige Rolle bei der Integration erneuerbarer Energien in die Energieversorgung und tragen zur Energiewende bei.

Da erneuerbare Energien in Deutschland einen immer größeren Anteil an der Erzeugung von Strom und Wärme einnehmen und sowohl Stromerzeugung als auch Stromnachfrage Schwankungen unterliegen, sind Speichertechnologien von großer Bedeutung. Denn gibt es überschüssigen Strom, ist es wichtig, dass dieser bei niedriger Stromnachfrage gespeichert werden kann. Umgekehrt kann dann auf Stromspeicher zurückgegriffen werden, wenn die Nachfrage die Erzeugung übersteigt.

Welche Vorteile bieten Speichertechnologien?

Das Speichern von Energie bietet einige Vorteile für das Energiesystem. Dazu zählen die Gewährleistung der Netzstabilität, ein Lastenausgleich, die Integration erneuerbarer Energien und der Netzausbau. Allgemein gesprochen tragen die unterschiedlichen Speichertechnologien zur Energiewende sowie zu mehr Flexibilität, Stabilität und Zuverlässigkeit des Energiesystems bei. So können Ressourcen effizienter genutzt und die Energieversorgung noch nachhaltiger werden.

Gewährleistung der Netzstabilität

Hinter den unterschiedlichen Stromspeichern verbergen sich Systeme, die das Ungleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage im Netz ausgleichen. Durch schnelle Aktivierung reagieren sie auf plötzliche Schwankungen in der Stromnachfrage und -erzeugung, sodass die Netzstabilität gewährleistet werden kann.

Lastenausgleich

Speichertechnologien speichern überschüssige Energie, wenn die Stromnachfrage gering ist. Während Spitzenlastzeiten kann demnach Energie abgerufen werden, auch wenn der Bedarf die Erzeugung übersteigt. Das trägt zur Erhöhung der Effizienz des Energiesystems bei.

Integration erneuerbarer Energien

Die Stromerzeugung durch erneuerbare Energien wie Wind- und Solarenergie hängt stark von den Wetterbedingungen ab, sodass es zu Schwankungen bei der Erzeugung von Strom kommen kann. Speichertechnologien wirken diesen Schwankungen durch das Speichern von Energie entgegen und ermöglichen eine effektive Nutzung von erneuerbaren Energien.

Netzausbau

Gebiete, die instabile Netze oder häufige Ausfälle haben, können von dezentralen Speichersystemen und Mikronetzen mit Speicherung profitieren.

Welche Arten von Speichertechnologien gibt es?

Es gibt unterschiedliche Technologien mit verschiedenen Vorteilen, um Energie zu speichern. Zu den wichtigsten Arten von Speichertechnologien zählen elektrochemische Speicher (wie Batterien), mechanische Speicher (wie Pumpspeicher, Druckluftspeicher und Schwungräder), elektrische Speicher (wie SMES, Kondensatoren und Spulen), thermische Speicher (wie Power-to-Heat-Systeme) und chemische Speicher (wie Power-to-Gas- und Power-to-Liquid-Systeme).

Elektrochemische Speicher

Bei elektrochemischen Speichern wird elektrische Energie, die gespeichert werden soll, beim Laden in chemische Energie umgewandelt. Wird der Speicher wieder entladen, wandelt sich die chemische Energie wieder in elektrische Energie um. Demnach bestehen elektrochemische Speichertechnologien aus dem Speichermedium und einer Einheit, die die Energie umwandelt. Dabei kann man zwischen Systemen mit internem und externem Speicher unterscheiden. 

Batteriespeicher wie Lithium-Ionen-Batterien zählen zu elektrochemischen Systemen mit internem Speicher. Sie können gut für kleine bis mittlere Anwendungen wie Heimspeichersysteme und Elektrofahrzeuge eingesetzt werden. Weitere Forschungsfortschritte sollen eine Verbesserung der Energiedichte schaffen und die Kosten weiter senken.

Batteriespeicher wie Redox-Flow-Batterien haben einen externen Speicher und eignen sich für die Langzeitspeicherung von Energie. Die von ihnen verwendeten flüssigen Elektrolyten werden in separaten Tanks gespeichert und können unabhängig von der Zellgröße skaliert werden. Diese Technologie ist für große Speicherkapazitäten und langsame Lade- und Entladezyklen wie etwa bei der Integration von erneuerbaren Energien in das Stromsystem sinnvoll.

Mechanische Speicher

Mechanische Speicher nutzen kinetische Energie und wandeln diese in elektrische Energie um. Dazu gehören beispielsweise Schwungradspeicher, Pumpspeicher und Druckluftspeicher.

Bei der Schwungradspeicherung wird ein Schwungrad auf eine hohe Drehzahl beschleunigt und die daraus resultierende Rotationsenergie gespeichert. Um diese Energie zurückzugewinnen, wird der Rotor induktiv an einen elektrischen Generator gekoppelt und abgebremst. Diese Art von Speichertechnologie ist nur als Kurzzeitspeicher nützlich.

Pumpspeicher eignen sich besonders zur Speicherung großer Energiemengen. Dabei werden Wasserreservoirs aus unterschiedlichen Höhenlagen genutzt, um Energie zu speichern und abzurufen. Steht Strom zur Verfügung, werden Wassermassen aus tieferen Höhenlagen in höhere gepumpt und gespeichert. Bei Energiebedarf kann dieses Wasser wieder abgelassen und Energie erzeugt werden. Pumpspeicher sind sehr effizient und haben eine lange Lebensdauer, sodass neue Ansätze wie Unterwasserspeicherkraftwerke oder künstliche Höhenspeicher zu den Speichertechnologien der Zukunft gehören könnten.

Bei Druckluftspeichern wird mittels Hoch- und Niederdruck-Kompressoren bei Stromüberschuss Luft in Kavernen (unterirdische Hohlräume) gepumpt. Bei Bedarf strömt die komprimierte Luft geregelt aus den Hohlräumen und kann potenzielle elektrische Energie liefern. Um Druckluft zu speichern, können neben Salzkavernen, Aquiferen oder ausgebeuteten Erdgaslagerstätten auch überirdische Gasröhrenspeicher oder Kugeltanks genutzt werden.

Elektrische Speicher

Elektrische Speicher sind Speichertechnologien, die zur Energiewende beitragen. Sie nehmen elektrische Energie auf, speichern sie und können diese bei Bedarf abgeben. Strom aus erneuerbaren Energien kann bei Überschuss gespeichert und so eine zuverlässige Energieversorgung gewährleistet werden. Zu den wichtigsten elektrischen Speichern zählen supraleitende Energiespeicher, Spulen und Kondensatoren.

Supraleitende Magnetspeicher sind eine aufstrebende Technologie, die große Strommengen in Magnetfeldern speichern können. Auch wenn sie sich noch in der Anfangsphase befindet und Herausforderungen beim Kühlbedarf von Supraleitern hat, kann diese Speichertechnologie eine wichtige Rolle in der Zukunft etwa bei der Netzstabilisierung und der Integration von erneuerbaren Energien spielen.

Spulen speichern Energie in einem Magnetfeld, die in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Wie viel Energie durch das Kreisen des Stroms durch die Spule gespeichert wird, hängt vom elektrischen Widerstand der Spule ab. Je geringer der Widerstand, desto länger kann die Energie gespeichert werden. Insbesondere supraleitende Spulen eignen sich als Stromspeicher, da sie auch unterhalb einer bestimmten vom Material abhängigen kritischen Temperatur Strom ohne messbaren Widerstand leiten können. Supraleitende magnetische Spulen werden häufig zur Sicherung der Netzstabilität in einem Verteilungssystem oder zur Aufrechterhaltung der Stromqualität in Produktionsbetrieben verwendet.

Kondensatoren stellen einen wichtigen Bestandteil in der Elektrotechnik dar, weil sie die gespeicherte elektrische Energie bei Bedarf wieder freigeben können. Je nach Kapazität und ihrem Effizienzgrad können sie als leistungsstarke Energie- und Ladungsspeicher oder als kleine Informationsspeicher in integrierten Schaltkreisen zum Einsatz kommen. Da sie eine hohe Spannung aufnehmen können, die beim Entladen allerdings schnell sinkt, eignen sich Kondensatoren in Wechselspannungsstromkreisen, wo schnelles Laden und Entladen wichtig ist. Grundsätzlich kommen Kondensatoren in nahezu allen elektrischen Schaltkreisen, Maschinen oder Prozessoren zum Einsatz und sind bilden somit eine wichtige Speichertechnologie.

Chemische Speicher

Chemische Speichertechnologien sorgen für die Stabilisierung erneuerbarer Energien, indem sie Strom oder Wärme in Form von chemischen Verbindungen speichern und sie bei Bedarf freigeben können. Dabei kann zwischen Power-to-Gas- und Power-to-Liquid-Systemen unterschieden werden.

Power-to-Gas-Systeme spielen bei der Energiewende dadurch eine Rolle, dass sie Strom vor Ort wie etwa von On- und Offshore-Windkraftanlagen sowie Photovoltaikanlagen über chemische Reaktionen umwandeln können. Wasserstoff nimmt dabei eine Schlüsselrolle ein. 

Da diese Substanz in Gasform leicht entzündlich und nur schwer zu lagern ist, wird sie bei einem Druck von 700 bar verflüssigt. Im flüssigen Zustand hat Wasserstoff schließlich im Verhältnis zur Masse eine sehr hohe Energiedichte. Ein Kilogramm Wasserstoff hat so viel Energie wie drei Kilogramm Benzin. 

Aufgrund der aufwändigen und energieintensiven Lagerung und Transports sowie dem gefährlichen Umgang mit Wasserstoff wird es unter Zugabe von Kohlendioxid zu Methan, dem Hauptbestandteil von Erdgas, umgewandelt.

Bei der Umwandlung von Strom zu Wasserstoff gehen 30 Prozent der Energie verloren, die allerdings als Abwärme genutzt werden können. Damit verbleiben im Wasserstoff 70 Prozent Energie. Durch die Umwandlung zu Methan gibt es ebenfalls einen Energieverlust (zehn Prozent), sodass das gewonnene Erdgas 60 Prozent der ursprünglich eingesetzten Energie enthält. Das Gas lässt sich über die vorhandene Erdgasinfrastruktur lagern und sowohl von Industriebetrieben als auch privaten Haushalten genutzt werden. Stammt das Erdgas aus erneuerbaren Energien, kann diese Speichertechnologie auch bei Dunkelflaute Strom liefern.

Mit Power-to-Liquid-Systemen reagiert Wasserstoff mit Kohlendioxid, wobei ein Kohlenstoffatom entzogen wird. Dabei entsteht ein Synthesegas, aus dem in weiteren Verfahrensschritten etwa Kraftstoffe für Otto- und Dieselmotoren raffiniert werden können. Diese Kraftstoffe können gut transportiert und gelagert werden.

Thermische Speicher

Thermische Speicher (Wärmespeicher) speichern durch Wärme entstandene Energie und geben diese bei Bedarf wieder ab. Diese Power-to-Heat-Speichertechnologie trägt zur effizienten Nutzung erneuerbarer Energien bei, indem sie Schwankungen des Energieangebots und der Stromnachfrage ausgleicht. 

Eines der Power-to-Heat-Systeme ist die Wärmepumpe. Sie nutzt die Umgebungstemperatur, um ein Trägermedium zu erwärmen und setzt dieses mit einem stromgetriebenen Elektromotor unter Druck. Durch die Kompression entsteht Wärme, die an ein Heizsystem übergeben wird. So können Wärmepumpen aus einer kWh Strom bis zu vier kWh Wärme erzeugen. Damit lassen sich erneuerbare Energien mit dieser Speichertechnologie optimal nutzen.

Weitere Power-to-Heat-Systeme sind Fern- und Nahwärmenetze mit Wärmespeichern. Gibt es bei dieser Speichertechnologie überschüssigen Strom oder Wärme etwa aus Wind- und Sonnenkraft, können diese in großindustriellen Wärmepumpen oder Elektrodenkesseln gespeichert und über Nah- oder Fernwärmenetze verteilt werden. Zum Speichern von Wärme eignen sich Wasser und Latentspeicher, die Wärme für mehrere Monate speichern können.

Fazit: Die passende Speichertechnologie hängt vom Anwendungsbereich ab

Unterschiedliche Speichertechnologien sind heutzutage wichtiger denn je, da fossile Energieträger zur Neige gehen können und deshalb auf erneuerbare Energien umgesattelt werden muss. Da erneuerbare Energien allerdings starken Schwankungen in der Produktion von Strom und Wärme unterliegen, sind Speichertechnologien ein wichtiger Bestandteil der Energiewende. Diese gleichen die Produktionsschwankungen der erneuerbaren Energien aus und sorgen für eine stabile Netzversorgung. Allerdings gibt es unterschiedliche Anwendungsbereiche, die Strom oder Wärme benötigen, sodass nicht jede Speichertechnologie auf alle Szenarien angewendet werden kann. So eignen sich beispielsweise Batteriespeicher für kleine oder mittlere Anwendungen wie Heimsysteme oder Elektrofahrzeuge. Andere Speichersysteme eignen sich besser für größere Anwendungsbereiche. Daher ist es wichtig, die passende Speichertechnologie für die jeweilige Anwendung zu finden, um eine effiziente Nutzung von Energie zu gewährleisten.