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Energiespeicher
Energiespeicher dienen der Speicherung von momentan verfügbarer, aber nicht benötigter Energie zur späteren Nutzung. Diese Speicherung geht häufig mit einer …
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Aufgabe und Grundprinzip
Energiespeicher nehmen Energie auf, die momentan verfügbar, aber nicht benötigt wird, damit sie später genutzt werden kann. Dabei wird die Energie häufig in eine andere Energieform umgewandelt, etwa elektrische Energie in chemische Energie beim Akkumulator oder in potenzielle Energie beim Pumpspeicherkraftwerk. Bei Bedarf erfolgt eine Rückumwandlung in die gewünschte Form. Sowohl die Speicherung als auch jede Umwandlung verursachen immer Verluste, meist thermische Verluste.
Energiespeicher sind wichtig, weil Angebot und Bedarf an Energie zeitlich auseinanderfallen können. Entscheidend sind deshalb unter anderem Speicherkapazität, Leistung, Wirkungsgrad, Selbstentladung, Lebensdauer und Kosten. Der Wirkungsgrad beschreibt, welcher Anteil der eingespeicherten Energie wieder nutzbar wird; Selbstentladung ist der Energieverlust während der Lagerung.
Einteilung nach Energieform
Energiespeicher werden nach ihrer hauptsächlich gespeicherten Energieform eingeteilt, auch wenn beim Laden oder Entladen eine andere Form verwendet wird.
- Thermische Energie wird zum Beispiel in Wärme-, Fernwärme-, thermochemischen und Latentwärmespeichern gespeichert. Ein Fernwärmespeicher des Kraftwerks Theiß hat 50.000 m³ Inhalt und ein Speichervermögen von 2 GWh.
- Chemische Energie speichern anorganische Systeme wie galvanische Zellen, Batterien, Akkumulatoren, Redox-Flow-Batterien und Wasserstoff. Organische Beispiele sind ADP, ATP, AMP, Glykogen, Kohlenhydrate, Fette und chemische Wasserstoffspeicher.
- Mechanische Energie kann als kinetische Energie in Schwungrädern oder als potenzielle Energie, also Lageenergie, in Federn, Pump-, Druckluft- und Hubspeicherkraftwerken gespeichert werden.
- Elektrische Energie wird direkt in Kondensatoren oder supraleitenden magnetischen Energiespeichern gespeichert.
Manchmal werden auch Behälter für Speichermedien als Energiespeicher bezeichnet, beispielsweise Kavernen- und Porenspeicher für Erdgas, Rohöl- oder Kraftstofftanks, Kohlehalden, Biogas- und Adsorptionsspeicher sowie Stauseen. Sie speichern jedoch nicht unbedingt die Energie selbst, sondern den Brennstoff oder das Medium. Eine Brennstoffzelle ist ebenfalls kein Energiespeicher: Sie gewinnt elektrische Energie aus chemischen Reaktionen und ist daher ein Energiewandler.
Kurzzeit- und Langzeitspeicher
Nach der Speicherdauer unterscheidet man Kurzzeit- und Langzeitspeicher. Verschiedene Schwankungen von Photovoltaik, Windkraft und Stromverbrauch benötigen Speicher für unterschiedliche Zeiträume: Subsekunden bis wenige Minuten bei Einspeisefluktuationen, bis zu einem Tag für das PV-Tagesmuster, bis zu drei Tage bei Zufallsschwankungen, ein bis zwei Wochen bei anhaltenden Stark- oder Schwachwindperioden und mehrere Wochen bis Monate für den saisonalen Ausgleich.
Kurzzeitspeicher arbeiten von Sekundenbruchteilen bis zu einem Tag. Sie haben hohe Speicherwirkungsgrade und hohe Zyklenzahlen, also viele mögliche Lade- und Entladevorgänge. Dazu zählen Schwungmassenspeicher, Kondensatoren und Spulen für sehr kurze Zeiten, Akkumulatoren für Minuten bis Tage sowie Pumpspeicher- und Druckluftspeicher für Stunden bis Tage. Auch latente und sensible Wärmespeicher können in diesem Zeitraum eingesetzt werden.
Langzeitspeicher speichern Energie über Tage bis Jahre. Sie besitzen je Leistungseinheit ein sehr hohes Energiespeichervermögen und geringe Selbstentladung, haben aber niedrigere Wirkungsgrade und Zyklenzahlen als Kurzfristspeicher. Beispiele sind Gasspeicher, sensible und latente Wärmespeicher, Fernwärmespeicher, Brenn- und Kraftstoffe sowie manche Pumpspeicher.
Elektrische Energie speichern
Elektrische Energie lässt sich direkt nur in verhältnismäßig kleinen Mengen in Kondensatoren oder supraleitenden Spulen speichern. Meist wird sie deshalb verlustbehaftet in eine andere Energieform umgewandelt und später wieder zurückgewandelt. Zusätzlich verliert der Speicher während der Speicherdauer Energie. Die Summe dieser Verluste kann ein Verfahren unwirtschaftlich machen.
Bei großen Anlagen stehen meist Investitions- und Betriebskosten sowie der Gesamtwirkungsgrad im Vordergrund, nicht eine kurzfristige Leistungserhöhung. Bei sehr kleinen Anlagen wie einem Elektronenblitz kann dagegen die Leistungserhöhung entscheidend sein. Hybride Speichersysteme können geringe Leistung über lange Zeit oder hohe Leistung über kurze Zeit bereitstellen. Bei häuslichen Photovoltaikanlagen werden Batteriespeicher eingesetzt.
Die Vergleichswerte beziehen sich auf die größten realisierten Anlagen im Dauerbetrieb. Kondensatoren erreichen 95 % Wirkungsgrad und entladen bei üblicher Baugröße etwa 0,01 s; Superkondensatoren 90 % und etwa 100 s. Ein modernes CFK-Schwungrad mit 80.000 min⁻¹ erreicht 95 % Wirkungsgrad und etwa 100 s Entladezeit. Bleiakkumulatoren werden mit 80 % Wirkungsgrad, etwa 1000 Zyklen und 4 h angegeben; LiFePO₄-Akkumulatoren mit 90 %, 8000 Zyklen bei 100 % Entladungsgrad (DOD) und 10 h. Pumpspeicherkraftwerke erreichen über 3000 MW, über 1000 Zyklen und 80 % Wirkungsgrad; ihre typische Entladezeit beträgt 8 h. Druckluftspeicher liegen bei 42–54 %, Wasserstoff bei 34–62 % und Methansynthese bei 30–54 % (2011) beziehungsweise über 75 % (2018).
Die Lebensdauerwerte sind geschätzte Richtwerte. Bei Akkumulatoren beeinflussen vor allem Zellchemie und Betriebsart die Haltbarkeit. Geringe Entladeströme, gemäßigte Temperaturen und geringe Entladetiefe im mittleren Ladezustand fördern sie; lange Ladezustände nahe 0 % oder 100 % sowie hohe Temperaturen beschleunigen die Alterung. Ein Akku gilt meist bei etwa 80 % Restkapazität als verschlissen. Gebrauchte Traktionsbatterien können anschließend als stationäre Second-Life-Speicher dienen: In Lünen wurden Batterien aus Smart ed Fahrzeugen zu 13 MWh gebündelt; ein weiterer Speicher von Daimler hat 15 MWh und 3000 Ersatzmodule für Smart-Fahrzeuge.
Speicher in der Energiewende
Der Umstieg von grundlastfähigen konventionellen Kraftwerken auf mehrheitlich fluktuierende erneuerbare Energien führt langfristig zu zusätzlichem Speicherbedarf. Speicher müssen sich wirtschaftlich gegen Alternativen behaupten, etwa Demand Side Management und Demand Response, zusätzliche Stromleitungen oder Synergieeffekte zwischen Wasser- und Solar- beziehungsweise Windenergie.
Das Energiesystem soll dabei sektorenübergreifend betrachtet werden. Sektorenkopplung schafft flexiblen Stromverbrauch auch im Wärme- oder Verkehrssektor. Dadurch müssen Schwankungen von Wind- und Solarstrom nicht allein durch teure Stromspeicher ausgeglichen werden. Große Fernwärmespeicher sind laut Artikel derzeit die günstigste Form der Energiespeicherung überhaupt.
Integrationsmaßnahmen werden ab der zweiten Phase der Energiewende nötig, in der Deutschland laut Artikel angekommen ist. Dann werden intelligente Stromnetze, Netzausbau und zunehmend Kurzfristspeicher wie Pump- oder Batteriespeicher sinnvoll. Langzeitspeicher wie Power-to-Gas werden erst bei hohen und längeren Stromüberschüssen benötigt, die ab mindestens 60 bis 70 Prozent erneuerbarer Energien erwartet werden. Das erzeugte Synthesegas soll zunächst vor allem in anderen Sektoren, etwa im Verkehr, eingesetzt werden; die Rückverstromung ist der letzte Schritt zur Versorgung mit 100 % erneuerbaren Energien.
Bis zu etwa 40 % erneuerbarer Energien an der Jahresstromproduktion ist eine flexiblere Auslastung bestehender konventioneller Kraftwerke vorteilhafter als neue Speicher. Früher gebaute Speicher können die Auslastung von Braunkohlekraftwerken erhöhen und damit CO₂-Emissionen steigern. Für 100 % erneuerbare Energien sind Speicher zwingend erforderlich. Internationaler Netzausbau und mehr Netzkuppelstellen können den Bedarf reduzieren. Die Mehrkosten der Speicherung werden bei einer Vollversorgung auf 20–30 % der reinen Stromgestehungskosten der Erzeugung geschätzt.
Entwicklung dezentraler Batteriespeicher
Für Hauseigentümer mit Photovoltaik lassen sich dezentrale Energiespeicher seit etwa 2013 wirtschaftlich betreiben. Nach dem Bundesverband Solarwirtschaft fielen die Preise von Batteriespeichern 2014 um 25 %. Seit Mai 2013 förderte die KfW ihre Installation einschließlich Anreizen zur Netzstabilisierung. Die zunächst bis zum 31. Dezember 2015 vorgesehene Förderung wurde in modifizierter Version verlängert.
Ein Haushalt allein mit Photovoltaik kann maximal etwa 40 % Energieselbstversorgung erreichen. Weil Stromverbrauch und PV-Einspeisung zeitlich unterschiedlich verlaufen, ist für eine höhere Selbstversorgung ein Speicher nötig. Die Kombination aus Photovoltaik und Batteriespeichern verzeichnete laut Speichermonitoring 2018 besonders in Bayern und Nordrhein-Westfalen hohen Zubau.
Alte Batterien aus Elektroautos besitzen noch etwa 80 % ihrer Speicherkapazität und können ungefähr 10 Jahre für Energiespeicherung oder Regelleistung genutzt werden. Eine Studie des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung vom Januar 2020 erwartet ab 2035 jährlich 50 bis 75 GWh Batteriekapazität aus ausgedienten E-Fahrzeugen. Für eine optimale industrielle Nutzung dieser Second-Life-Batterien wären standardisierte Batteriemanagementsysteme nötig; bisherige Pilotprojekte nutzen nur Batterien eines Fahrzeugmodells.
