Energiespeicher

Energiespeicher – die Zukunft im Visier

Die Idee des Perpetuum mobile wird wohl ewig ein Traum bleiben. Ohne Energie funktionieren aber viele Prozesse nicht. Energie speichern und effizient für die Zukunft nutzen können – das ist das Ziel unserer Zeit, denn der Energiebedarf wird immer höher. Die weltweite Energiebilanz liefert uns folgende Zahlen: Global wurde im Jahr 2010 ein Bedarf von 505 EJ/a Primärenergie gemessen. Allein in Deutschland wurden circa 14 EJ benötigt. Ein EJ sind 1018 Joule – in Worten eine Trillion Joule.

Bei der Energieversorgung ist die Energieeffizienz eines der wichtigsten Themen. Jährlich versickert etwa der Strom für eine Kleinstadt im deutschen Energienetz. Nach Angaben der Bundesnetzagentur verpuffen etwa 127 Millionen Kilowattstunden ungenutzt. Der größte Teil davon ist Windstrom, der nicht gebraucht wurde. Nach den Berechnungen von Greenpeace Energy könnten mit dem Strom, der jährlich verloren geht, etwa 30.000 Haushalte ein Jahr lang versorgt werden.

Warum es in Zukunft nicht ohne Energiespeicher geht

Konventionelle Kraftwerke sind in der Lage, ihre Produktion dem aktuellen Bedarf anzupassen. Anders sieht das mit Sonnen- oder Windkraftwerken aus. Diese müssen produzieren, wenn die Voraussetzungen gegeben sind. Das ist ein Grund, warum Energiequellen aus erneuerbaren Energien meist dann am meisten produzieren, wenn sie nicht gebraucht werden. Die Entwicklung effizienter Energiespeicher ist deshalb ein wichtiger Pfeiler bei der Energiewende und der Umstellung der Energiegewinnung auf erneuerbare Energien.

Hier kommt die Rolle der Energietechnik und deren stetige Weiterentwicklung zum Tragen: Energiespeicher bieten eine Möglichkeit, kurzfristig Zeiten erhöhten Energiebedarfs zu überbrücken, aber auch langfristig Energie effizient zu speichern und bei Bedarf abzurufen. Besonders interessant ist die langfristige Speicherlösung im Zusammenhang mit dem Umstieg von begrenzten, fossilen Energieträgern auf erneuerbare Energie und der dezentralen Nutzung dieser Energie im Zuge der Energiewende. Denn nicht immer ist es möglich, Energie dort zu verbrauchen, wo sie entsteht – am Windpark, dem Pumpspeicherwerk oder der Solaranlage.

Was ist ein Energiespeicher?

Als Energiespeicher werden Anlagen bezeichnet, die Energie aufnehmen und bei Bedarf wieder abgeben können. Energiespeicher werden in Langzeitspeicher und Kurzzeitspeicher unterschieden. Gespeichert wird nicht nur elektrische Energie, sondern auch mechanische und chemische Energie sowie Wärmeenergie. Dabei ist die Technologie von Einspeicherung und Ausspeicherung nicht zwingend gleich. Hier können sehr unterschiedliche Technologien zum Einsatz kommen. Bei der Speicherung von Energie ist immer mit Verlusten zu rechnen. Eine verlustfreie Speicherung ist bisher nicht möglich.

Meist wird die Energie in der gleichen Form entnommen, in der sie eingespeichert wurde. Allerdings wird die Energie nicht immer in der gleichen Form gespeichert, denn in vielen Energiespeichern werden sehr unterschiedliche Technologien für die Einspeicherung und die Ausspeicherung verwendet. Das wohl bekannteste Beispiel ist das Pumpspeicherwerk. In einem Pumpspeicherkraftwerk wird elektrische Energie zum Speichern in mechanische Energie umgewandelt. Erst bei Bedarf wird die Energie zurückgewandelt in elektrische Energie.

Die Aufgaben eines Energiespeichers auf einen Blick:

• Erzeugungsausgleich
• Versorgungsqualität
• Spannungsqualität
• Lastmanagement
• Vermeidung von Netzengpässen
• Versorgung von Inselnetzen
• Abdeckung Spitzenlast
• Regelleistung
• Stabilität garantieren
• Spannungshaltung

Die Geschichte der Energiespeicher

Die Energiespeicherung ist älter als man glaubt. Die erste Batterie entstand vor Tausenden von Jahren. Der Archäologe Wilhelm König fand 1936 in der Nähe von Bagdad einen Gegenstand, den er zuerst für ein Kultobjekt hielt. Doch schon bald wurde klar, dass es sich um eine Art Energiespeicher, eine Batterie handelte. Der Speicher in Form einer Vase ist als Bagdad-Batterie bekannt. In der Tonvase befindet sich ein Kupferzylinder, der mit Bitumen befestigt ist. Die untere Öffnung ist mit einer Kupferscheibe sowie Bitumen verschlossen. In dem Kupferzylinder befindet sich ein Eisenkern und ausreichend Raum für Elektrolyte. Der Archäologe König experimentierte und gab einen neuen Elektrolyten in das Gefäß. Es stellte sich heraus, dass die Bagdad-Batterie einwandfrei funktionierte. Spannungen mit einem Wert von etwa 1,5 Volt wurden freigegeben.




In den Jahren 1745 und 1746 entwickelten gleich zwei Wissenschaftler einen Kondensator. Der Physiker Pieter van Musschenbroek aus den Niederlanden und der Domdechant Ewald Jürgen Georg von Kleinst erfanden die Leidner Flasche, eine Konstruktion, die innen mit Gold ausgekleidet war und außen mit Zinn beschichtet wurde. John Walsh untersuchte 1772 den Torpedofisch, von dem er glaubte, dass seine erzeugte Elektrizität die gleiche sei, wie sie auch in Blitzen vorkommt. Walsh war überzeugt, dass Menschen diese Elektrizität nachmachen könnten.

In den folgenden Jahren war das Thema Stromerzeugung und Energiespeicherung immer wieder bei Forschern aktuell. Den ersten brauchbaren Akku erfand der Luxemburger Henri Owen Tudor. Bereits als Student entwarf er eine Gleichstromanlage, welche die von ihm entwickelten Bleiakkus immer wieder aufluden. Der Strom seines entwickelten Energiesystems wurde dann zur Beleuchtung von Haus und Hof verwendet.

Als Urform des Akkumulators gilt die 1802 von Johann Wilhelm Ritter entwickelte Rittersche Säule, die über Kupfer- und Kartonsäulen verfügt, welche mit Tafelsalz getränkt wurden. Elektrischer Strom kann geladen werden und wird bei Entladung wieder abgegeben. 1859 entwickelte der Franzose Gaston Planté die wiederaufladbare Bleibatterie. Bereits ein Jahr nach ihrer Erfindung wurde die Batterie eingeführt.

Mit der Erfindung des elektrischen Generators von Werner von Siemens 1866 stieg auch die Nachfrage nach Speichermöglichkeiten. Die Entwicklung auf dem Gebiet der Energietechnik schritt schnell voran. Bereits 1876 wurde die Pariser Oper mit Strom beleuchtet, der aus Galvanischen Elementen kam. In der Industrie schritt die Entwicklung der Blei Akkumulatoren immer weiter voran. 1899 erfanden Edison und Junger die Nickel-Cadmium-Zelle, 1901 wurde eine sehr robuste Ni/Fe-Zelle mit hoher Kapazität entwickelt und im Frühjahr 1904 stellte die AFA Berlin eine Batterieanlage, die aus Triebwagenzellen entwickelt wurde, für das U-Boot „Hajen“ her.

Energiespeicherung gewinnt immer mehr an Bedeutung

Die Speicherung von Energie gewinnt immer mehr an Bedeutung. Besonders durch die Energiewende und die Umstellung auf erneuerbare Energien ist eine Speicherung von Energie notwendig. Wenn dezentralen Energieerzeugungsanlagen wie Windkraftwerke, Photovoltaik-Anlagen, Mikro-KWK-Anlagen und andere Energieerzeugungsanlagen durch intelligentes Energiemanagement mit dem Verbraucher digital verknüpft und gesteuert werden können, kann in Zukunft eine sichere und umfassende Bereitstellung von Energie über das Verteilnetz gewährleistet werden.

Energiespeicher dienen dem Ausgleich von Energienachfrage und schwankenden Energieangeboten. Zu jedem Zeitpunkt müssen Angebot und Nachfrage ausgeglichen sein, um eine stetige und lückenlose Bereitstellung von Energie zu ermöglichen. Bei der Gewinnung von erneuerbaren Energien müssen Schwankungen, die je nach Tageszeit, Jahreszeit und Wetter auftreten können, ausgeglichen werden. Steht keine Energiespeicherung zur Verfügung, wird zeitweise weniger Strom verfügbar sein. Licht, Strom und Heizung gehen aus, da die Stromversorgung nicht mehr ausreichend gewährleistet ist.

Energiespeicher nehmen überschüssige Energie auf und geben sie dann ab, wenn diese benötigt wird. Energie kann dann zu einem beliebigen Zeitpunkt erzeugt werden und wird bei Bedarf in Anspruch genommen. Große Bedeutung hat das vor allem für die Speicherung von Strom aus Windenergieanlagen und Solarstrom aus Solarenergieanlagen. Bei beiden gibt es starke Schwankungen in der Energieerzeugung. Aber auch die dezentrale Lage der Energieerzeuger ist ein entscheidender Faktor bei der Weiterentwicklung von Energiespeichern.

Energiespeicher – aber nicht um jeden Preis

Ende 2012 hatten erneuerbare Energien einen Anteil von 23 Prozent am Strombedarf. Dabei entfielen 32,4 GW auf Photovoltaik und 31,3 GW auf Windkraft. Bis 2025 sollen 40 Prozent des Strombedarfs aus erneuerbaren Energien kommen und 2050 etwa 80 Prozent. Bei der Energiewende gibt es jedoch etliche Herausforderungen an die Energiewirtschaft. So steigen durch den Ausbau des Stromnetzes mit erneuerbaren Energien auch die Zeiten des Stromüberschusses, ohne dass Mangelsituationen reduziert werden. Langzeitspeicher und Schattenkraftwerke sind erforderlich, um eine Versorgungssicherheit zu gewährleisten und das Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Bedarf herzustellen. Allerdings ist es auch ungünstig, wenn die Speicherinfrastruktur zu früh aufgebaut wird, da diese dann ökologisch eher kontraproduktiv ist. So ist zum Beispiel bis zu einem Anteil von 40 Prozent erneuerbaren Energien Jahresstromproduktion günstiger, wenn konventionelle Kraftwerke flexibel ausgelastet werden. Erst bei einer Erzeugung von über 40 Prozent erneuerbaren Energien sind zusätzliche Speicherkraftwerke sinnvoll. Die Energiewirtschaft muss also den Balanceakt zwischen Effizienz, Nachhaltigkeit und Ökologie bewältigen.

In Zukunft werden Energiespeicher aber zwingend erforderlich sein, vor allem dann, wenn eine 100-prozentige Vollversorgung mit erneuerbaren Energien erfolgt. Dabei kann der Bedarf an Speichern aber durch verschiedene Maßnahmen reduziert werden. Dazu gehört der Ausbau des internationalen Stromnetzes oder die Erhöhung von Netzkuppelstellen.

Die Speicherung von Energie bringt Nutzern folgende Vorteile:

• Versorgung von Objekten, die nicht nah am Netz liegen
• Versorgungsqualität auch bei Netzstörungen
• Erhöhung der Eigenverbrauchsquote
• Optimierung von Bezugskosten
• Aufrechterhaltung der Spannungsqualität
• Möglichkeit der Bereitstellung von zusätzlicher, kurzzeitiger Leistung

Wie funktioniert ein Energiespeicher?

Nur wenige Speichertechnologien sind technisch so ausgereift, dass Kosten und Speicherkapazität in einem guten Verhältnis stehen. Meist ist es so, dass die elektrische Energie auf direktem Weg nur in geringen Mengen in supraleitende Spulen und Kondensatoren gespeichert werden kann. In vielen Fällen ist es wirtschaftlicher, die Energie umzuwandeln und wenn Bedarf besteht, wieder zurückzuwandeln. Dieses System wird unter anderem bei der Umwandlung von chemischer Energie in thermische Energie (Brennstoff-Wärme) genutzt. Bei Bedarf kann die Umwandlung wieder rückgängig gemacht werden.

Kondensator, Wasserspeicher oder doch Pumpspeicherwerk?

Bei der Speicherung von Energie gibt es diverse Energiesysteme. Direkt gespeichert werden kann elektrische Energie in Spulen und Kondensatoren. Die Umwandlungsverluste sind gering, die Lebensdauer und die Leistungsdichte sind hoch. Allerdings ist die Energiedichte nur sehr niedrig. Deshalb lässt sich meist nur wenige Minuten eine hohe Dauerleistung erreichen.

Das bekannteste Beispiel für die Funktionsweise eines Energiespeichers ist das Pumpspeicherwerk. Dabei wird elektrische Energie (Strom) gespeichert. Das erfolgt indem Wasser über Leistungssysteme in höher gelegene Becken gepumpt wird. Wird Energie benötigt, wird das Wasser aus dem oberen Becken in das untere Wasserbecken abgelassen. Dabei werden durch die strömenden Wassermassen Turbinen angetrieben, die Strom erzeugen. Bei diesem Prozess wird elektrische Energie in potentielle Energie umgewandelt, wodurch die Energiespeicherung unterstützt wird. Moderne Pumpspeicheranlagen können einen Wirkungsgrad von bis zu 80 Prozent erreichen.

Die Speicherung von elektrischer Energie erfolgt unter anderem mit Kondensatoren, einem Bauteil, welches aus zwei Elektroden und einem Isolationsmaterial besteht. Kondensatoren haben den Vorteil, dass sie fast beliebig oft geladen und entladen werden können. Vor noch nicht allzu langer Zeit konnten mit dem Kondensator nur geringe Mengen elektrischer Ladung aufgenommen werden. Inzwischen ist die Technik vorangeschritten. Sogenannte Superkondensatoren können bei einem Gewicht von ca. einem Kilo schon einige Amperestunden Ladung speichern.

Und auch unterirdische Speicher sind möglich. Die Untergrundspeicher werden zum Beispiel bei der Speicherung von Windenergie genutzt. Unterirdische Kavernen bieten sich dabei als Druckluftspeicher an. Diese Energiespeicher befinden sich in der Nähe von Offshore-Windparks und erzielen einen Wirkungsgrad von circa 50 Prozent. In Deutschland gibt es viele dieser Speicher in Küstennähe. Auch der Latentwärmespeicher ist ein Beispiel für einen unterirdischen Energiespeicher. Gerade in Bezug auf die Deckung des Eigenverbrauchs von Eigenheimen oder vergleichbaren Gebäuden hat dieses Energiesystem eine immer stärker wachsende Relevanz. Durch intelligentes Nutzen derartiger Technologien kann ein solches „Smarthome“ den Eigenverbrauchsanteil steigern und den Fremdverbrauchsanteil minimieren.

Solarthermie und Wärmespeicherung sind Energietechniken, die eng miteinander verzahnt sind. Die Energie aus solarthermischen Anlagen wird nämlich vorzugsweise in Warmwasserspeichern gespeichert. Dabei wird zwischen Kurzzeitspeicher und saisonalem Speicher unterschieden. Ein Kurzzeitspeicher speichert Energie lediglich über wenige Tage, bei der saisonalen Speicherung beträgt die Speicherzeit hingegen mehrere Monate.

Was kosten Energiespeicher?

Die Kosten für Energiespeicher sind unterschiedlich und hängen vom Speichergerät, also dem Energieträger und der Größe des Speichers ab. So liegen Stromspeicher bei Photovoltaikanlagen zwischen 6.000 und 15.000 €. Der Preis des Energiespeichers ist aber abhängig von der gespeicherten Energie zu betrachten. So betragen die Kosten für gespeicherte Energie bei Photovoltaikanlagen etwa 27 Cent/gespeicherte Kilowattstunde. Voraussetzung ist, dass Stromspeicher, Installation und die Photovoltaikanlage genau aufeinander abgestimmt sind.

In den vergangenen 20 Jahren sind die Kosten für Energiespeicher kontinuierlich gesunken. Laut Experten soll die Energiewirtschaft und vor allem das Speichern von Energie bald an einem entscheidenden Wendepunkt angekommen sein. War Energiespeichern von vor wenigen Jahrhunderten eine Sensation, so soll die Speicherung von Energie jetzt bald ökonomisch und ganz alltäglich werden.

Wann lohnt sich ein Energiespeicher?

Energiespeicherung ist nur unter Verlusten möglich. Verluste treten sowohl beim Speichervorgang als auch beim Abrufen der Energie auf. Auch im Speicher kann über die Zeit der Speicherung ein Energieverlust auftreten. Ist die Summe der einzelnen Verluste hoch, kann das Verfahren unwirtschaftlich sein.

Speicherlösungen müssen sich dabei ökonomisch gegen verfügbare Alternativen durchsetzen. Solche Alternativen können zusätzliche Stromleitungen, die Nutzung von Synergieeffekten oder das Demand Side Management sein.

Während der Netzausbau vor allem den räumlichen Ausgleich von Leistungsüberschüssen und Leistungsmangel ausgleicht, können Energiespeicher den zeitlichen Ausbau ermöglichen. In Zeiten eines Energieüberschusses wird Energie in Kurzzeitspeicher oder Langzeitspeicher gespeichert, um in Zeiten von Energiemangel zur Verfügung zu stehen.

Wonach werden Energiespeicher unterschieden?

Energiespeicher kommen sehr vielfältig zum Einsatz und werden sowohl im privaten als auch im wirtschaftlichen Bereich benötigt. Je nach Energieart werden unterschiedliche Energiespeicher verwendet. Sie werden zum einen nach Energieart, zum anderen nach dem Entstehungsort der Energie unterschieden. Aber auch die Größe des Speichers bzw. die Dauer der Speicherung von Energie unterscheidet die Speichertechnologie. In erster Linie unterteilen sich die Speicher in Minutenspeicher (Batterien, Schwungmassenspeicher), Stundenspeicher (Pumpspeicher, Batterien, Druckluftspeicher) und Wochen- bzw. Jahresspeicher (Gasspeicher, Saison-Speicherseen).

Technologisch werden Energiespeicher nach der Energie unterschieden:

• elektrische Energie
• mechanische Energie
• thermische Energie
• chemische Energie
• elektrochemische Energie
• potentielle Energie

Unterscheidung nach dem Verwendungsort bzw. nach der technischen Anlage:

• Solarenergie
• Haushaltsenergie
• Strom
• stationäre oder mobile Anwendungen
• Blockheizkraftwerk
• Windkraftanlagen
• Einfamilienhäuser
• E-Autos
• und mehr

Energiespeichertechnologien am Markt

Am Markt gibt es heute eine Vielzahl von Speichertechnologien, die nach den Energieformen eingeteilt werden, die sie bereitstellen. Die Energiespeicher unterscheiden sich aber nicht nur nach den Energieformen, die im Speicher aufgenommen oder mit diesem wieder abgegeben werden. Auch die Betriebsart, der Aufbau oder die Speicherkapazität der Energiespeicher sind sehr unterschiedlich. In den zahlreichen Technologien, Energie zu speichern, zeigen sich auch die Möglichkeiten, Energieformen zu wandeln. Beispiele für die Wandlungsfähigkeit ist zum Beispiel Power-to-Gas, wobei erneuerbare Energien in Wasserstoff oder Methan gewandelt werden. Die Gase werden in verschiedenen Bereichen, z.B. dem Erdgasnetz genutzt.

Speichertechnologien nach Energieformen:

Art des Energiespeichers	Beispiel
mechanische Energiespeicher	• Druckluftspeicher • Pumpspeicher • Schwungradspeicher
chemische Energiespeicher	• Power-to-Gas • Power-to-Chemicals-Anlagen • Power-to-Liquid-Anlagen
elektrische Energiespeicher	• Superkondensatoren • supraleitende, magnetische Speicher • Kondensatoren
thermische Energiespeicher	• Latentspeicher • thermochemische Speicher • sensible Wärmespeicher
elektrochemische Energiespeicher	• Redox-Batteriespeicher • Hybrid-Flow-Batteriespeicher • klassische Batteriespeicher

Welche Anforderungen werden an Energiespeicher gestellt?

Energiespeicher sollen die zeitliche Differenz zwischen Energieerzeugung und Energiebedarf überbrücken. Je nach Energiespeicher können die Anforderungen sehr unterschiedlich sein. Eins haben aber alle gemeinsam: Energiespeicher sollen über ausreichend Kapazität und einen möglichst hohen Wirkungsgrad verfügen. Dabei ist das Beste aber nicht immer gut genug. Die Anforderungen an die Energiespeicher werden durch die Einsatzgebiete bestimmt. Leider konkurrieren einige Anforderungen aber auch miteinander. So kann die Optimierung auf eine höchstmögliche Leistungsdichte zur Einbuße von Energiedichte führen. Und fast jede technische Optimierung führt auch zu hören Kosten. Deshalb müssen die individuellen Speicheranforderungen berücksichtigt werden. Die Speicherung von Energie für mobile und stationäre Anwendungen ist gleichermaßen von Bedeutung.

Die Anforderungen an einen Energiespeicher sind:

Anforderungen	Details
Wirtschaftlichkeit	• niedrige Betriebskosten • niedrige Investitionskosten
Energetische Qualität	• wenig Verluste • hohe Energiedichte • hohe Leistungsdichte • geringe Selbstentladung • geringer Verbrauch an Hilfsenergie • niedriger kumulierter Energieaufwand • hoher Nutzungsgrad
Sicherheit	• große Betriebssicherheit • geringes Schadenspotenzial
Lebensdauer	• hohe Lebensdauer • hohe Zyklenlebensdauer
Nachhaltigkeit + Umweltverträglichkeit	• Herstellung im Einklang mit der Natur • recycelbar • umweltverträgliche Nutzung

Welches Speichersystem wann zum Einsatz kommt, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Welche Speichertechnologie die passende ist, richtet sich nach der zu speichernden Energiemenge, der Speicherdauer und der erforderlichen Lade- und Entladeleistung. Aber auch die Rahmenbedingungen wie der vorhandene Platz können bei der Auswahl des Energiespeichers ausschlaggebend sein.

Herausforderungen bei Energiespeichern?

Energiespeicher der Zukunft müssen einige Herausforderungen meistern. Faktoren wie der Wirkungsgrad, die Ladezeiten, die Möglichkeit des Recyclings aber auch der Umweltschutz sind in Zukunft zu optimieren.

Eine große Rolle spielt der Wirkungsgrad. Dieser stellt das Verhältnis von zugeführter Energie zu Nutzenergie dar. Alle technischen Systeme haben Verluste, deshalb ist der Wirkungsgrad immer unter 100 Prozent. Der Wirkungsgrad wird von verschiedenen Komponenten beeinflusst. Sowohl beim Laden des Stromspeichers als auch beim Entladen entstehen Verluste. Diese Verluste sollten so gering wie möglich sein. Bisher arbeiten auch Stromspeicher nicht ganz verlustfrei. Teilweise sind mit Verlusten von 30 Prozent und mehr zu rechnen. Für eine effektive Ausnutzung der Energie werden in Zukunft Energiespeicher mit einem hohen Wirkungsgrad benötigt.

Ein weiterer Punkt ist die Ladezeit. Die Kapazität der Energiespeicher kann durch eine Verkürzung der Ladezeit erhöht werden. Im Kleinen wird bereits an neuen Entwicklungen geforscht. So hat zum Beispiel eine Schülerin aus den USA ein Konzept entwickelt, mit dem der Stromspeicher eines Smartphones innerhalb einer halben Minute geladen werden kann.

Weitere wichtige Punkte bei der Entwicklung von Energiespeichern sind die Themen Umweltschutz und Recycling. Für die jeweiligen Energiespeicher müssen Recycling-Konzepte ausgearbeitet werden.

Wie lange lässt sich Energie speichern?

Die Dauer der Energiespeicherung hängt von verschiedenen Faktoren ab. Mit dem richtigen Energiespeicher kann heute schon Energie über Jahrhunderte gespeichert werden. Das System ist eigentlich ganz einfach und im Pumpspeicherwerk zu finden. Das Wasser im oberen Becken samt seiner potenziellen Energie kann theoretisch dort unendlich lange bleiben. Natürlich geht auch dort Energie verloren, indem Wasser verdampft. Allerdings sind die Verluste verhältnismäßig gering, da durch Niederschläge oder Zufluss auch Wasser und damit Energie in das Pumpspeicherbecken kommt. Das System Pumpspeicherwerk ist relativ ausgereift. Der Wirkungsgrad beträgt durchschnittlich circa 75 Prozent. Allerdings bedeuten Pumpspeicher-Kraftwerke auch immer einen Eingriff in die Natur. Und die Energiespeicher sind nicht transportabel.

Anders sieht es mit Akkus oder Batterien aus, bei denen es immer eine Selbstentladung gibt, bei der elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird. Akkus sind bisher als Energiespeicher nur im Bereich kurz- und mittelfristige Speicherung einsetzbar. Die Speicherdauer ist vor allem von der Qualität der Speichersysteme abhängig.

Strom lässt sich heute in energiewirtschaftlich bedeutsamen Mengen nur indirekt speichern. Dabei wird Energie in eine andere Energieform umgewandelt und bei Bedarf wieder zurückgewandelt.

So sieht es mit der Energiespeicherung weltweit aus

Besonders ungünstig sieht es mit der Speicherung von Windstrom aus, der sich nur relativ schlecht speichern lässt. Windstrom müsste sofort ins Netz aufgenommen werden. Doch das Stromnetz kann derzeit kaum Strom speichern. Die weltweite Speicherkapazität liegt derzeit bei einer Leistung von 127.000 Megawatt. Das entspricht etwa der Leistung, die 100 Kraftwerke erzeugen. Von Pumpspeicherwerken werden circa 99 Prozent der Kapazität bereitgestellt und lediglich 1% der Kapazität wird durch andere Speicherkraftwerke gedeckt. Laut Greenpeace wäre die Funktionsweise der Pumpspeicherwerke auch eine Option für Windstrom in Europa. In Skandinavien soll Offshore-Windkraft mit Wasserkraft vernetzt werden. Diese Methode ist eine Möglichkeit Speicherkraftwerke für die vielfältige Energiespeicherung in den kommenden Jahrzehnten zu verbessern.

Energiespeicher der Zukunft – mehr als Visionen

Energiespeicher der Zukunft haben viele Formen. Vom Superkondensatoren bis zum Windgas reichen die Ideen, mit denen Energie gespeichert werden soll. Vor allem für die schwer speicherbare Windenergie müssen Lösungen gefunden werden. Windgas, bei dem mit überschüssigem Strom aus Windkraftanlagen Wasser per Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird, könnte bis zu 5 Prozent in das Gasnetz eingeführt werden. Das durch die Wasserelektrolyse erzeugte Windgas könnte dann zum Heizen genutzt werden. Unter Zuführung von Biomethan könnte sogar das komplette Gasnetz als Energiespeicher verwenden. Biomethan kann später auch wieder zu Strom umgewandelt werden.

Derzeit gelten als die besten alltagstauglichen Speichermodule Lithium-Ionen-Batterien. Bisher werden sie vor allem in Unterhaltungselektronik und Elektrofahrzeugen eingesetzt. Aber auch in den Energieversorgungsnetzen finden sich Lithium-Ionen-Batterien. Eine Variante der Lithium-Ionen-Batterie ist die Lithium-Luft-Batterie, welche die zehnfache Energiedichte aufweist.

Als Energiespeicher für die Zukunft werden auch Superkondensatoren gehandelt. Der Vorteil der Energiespeicher: Superkondensatoren können innerhalb von Sekunden aufgeladen werden. Einen langwierigen, chemischen Prozess wie bei Akkus gibt es nicht. Ein weiterer Vorteil ist die Ladehäufigkeit. Superkondensatoren können unzählige Ladezyklen überstehen. Bis zu einer Million mal laden ist möglich. Dazu kommt eine hohe Leistungsdichte. Bisher liegt der Nachteil in der Energiedichte, die bei Superkondensatoren viel zu gering ist. Gerade mal 5 bis 10 Prozent der Speichermenge eines Akkus erreichen die Kondensatoren. Das macht den Einsatz bisher nicht in allen Bereichen sinnvoll. Forscher setzen hier auf neue Materialien beim Bau der Superkondensatoren, die bei gleichem Gewicht bis zu zehntausend Mal so viel Energie speichern können. Damit würde der Superkondensator sogar die Energiedichte von Lithium-Ion-Akkus übersteigen.

Auch Wärmespeicherung ist ein Feld der Energietechnik, in dem sich viel tut. So wird beispielsweise an der Entwicklung eines Vanadium-Flow-Speichersystems wird gearbeitet. Dieses soll den Ansprüchen der Energieversorgungsunternehmen gerecht werden. Entwickler ist das Unternehmen Vionx Energy. In naher Zukunft wird das australische Unternehmen Latent Heat Storage ein Energiespeichersystem, welches mittels Sand Wärme speichert, vorstellen. Und auch die Ingenieure der Oregin State University haben eine neue Möglichkeit entwickelt, Wärmeenergie zu speichern. Der neue Speicher soll die Energiedichte um das Zehnfache steigern können, in dem er die reversible Zersetzung von Strontiumcarbonat nutzt.

Es ist eine der wichtigsten Herausforderungen unserer Zeit, eine Lösung zu finden, mit der sich Energie langfristig und vor allem ökonomisch speichern lässt. Höchstes Anliegen ist es, die Kosten zu reduzieren. Eine wirklich bahnbrechende neue Technologie ist noch nicht in Sicht. Bisher gelten Lithium-Ionen Akkus als sicher und beherrschbar in Bezug auf Steuerelektronik und die Qualität der Zellen.

Elektromobilität – ohne Energiespeicher rollt nichts

Elektromobilität wird angesichts der zunehmenden Anzahl von Fahrzeugen jeglicher Art und der daraus resultierenden Verschmutzung durch Diesel- und Benzinmotoren immer wichtiger. In den letzten Jahren hat sich in diesem Bereich vieles getan. Doch noch immer lässt die Alltagstauglichkeit zu wünschen übrig. Nicht zuletzt deswegen, weil Elektrofahrzeuge für den Normalverbraucher nur schwer erschwinglich sind.

Heutige Elektrofahrzeuge werden mit Magnetkraft angetrieben, die durch Strom erzeugt wird. Batterien sind die Stromquelle. Die elektrochemischen Energiespeicher geben Energie ab und können wieder aufgeladen werden. Beim Aufladen wird die elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt, beim Fahren wird diese Umwandlung wieder rückgängig gemacht. Sobald der Speicher leer ist, erfolgt wieder ein Ladezyklus, dem ein Entladezyklus folgt. Für eine verbesserte Leistung setzen die Hersteller von Elektrofahrzeugen mehrere Zellen ein.

Ist Batterie gleich Batterie beim Elektrofahrzeug?

Zurzeit kommen in Elektrofahrzeugen fast ausschließlich Lithium-Ionen-Akkus zum Einsatz. Teilweise werden aber auch Blei-Gel-Akkus oder Nickel-Metallhydrit-Akkus eingesetzt. Beim Einsatz der Akkus im Bereich der Elektro Mobilität müssen Hersteller verschiedene Kriterien berücksichtigen. Eine Rolle spielen:

• Lebensdauer
• Energiedichte
• Leistungsverhalten
• Sicherheit
• Kosten
• Umweltverträglichkeit

In diesen Kriterien unterscheiden sich die Akkus drastisch.

Akku	Vorteile	Nachteile
Blei-Gel-Akku	• kostengünstig • robust • nicht temperaturanfällig	• geringe Lebensdauer • geringe Energiedichte
Nickel-Metallhydrid-Akku	• hohe Energiedichte • gutes Leistungsverhalten	• hohe Anschaffungskosten • hohe Selbstentladung
Lithium-Ionen-Akku	• geringe Selbstentladung • hohe Energiedichte • gutes Leistungsverhalten	• sehr hohe Anschaffungskosten • großes Gewicht

Der Ladevorgang hat dabei einen relativ geringen Einfluss auf die Lebensdauer der Akkus. Intelligente Managementsysteme sorgen dafür, dass der Akku nicht überladen wird und auch mit Schnellladevorgängen gut zurechtkommt.

Lithium-Ionen-Akkus haben das größte Potenzial

Deshalb wird diesen Energiespeichern in der Elektro-Mobilität auch die größte Beachtung geschenkt. In Deutschland wird zielgerichtet die Produktion und Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Akkus angekurbelt. Derzeit ist dieser Akku der am häufigsten in Elektroautos eingesetzte Energiespeicher. Allerdings gibt es noch viel zu optimieren, bevor die Energiespeicher allen zukünftigen Anforderungen gerecht werden.

Optimierungsziele Energiespeicher für Elektro-Mobilität:

• geringere Kosten
• niedrigeres Gewicht
• geringere Umweltbelastung
• höhere Ladekapazität
• ausreichend Recycling-Kapazität

Die Kosten sind dabei das kleinste Problem, denn diese sinken schneller als erwartet. Dabei dreht sich alles um die Kosten pro Kilowattstunde. Schon heute sind Ziele erreicht, die erst im Jahr 2020 erwartet wurden. Anders sieht es beim Gewicht aus, bei dem der Faktor der Energiedichte mitunter eine Rolle spielt. So beträgt das Batteriegewicht beim e-Golf 318 Kilogramm. Das Fahrzeug hat aber maximal eine Reichweite von 190 Kilometern. Im Verhältnis dazu schafft der Golf 1.2 TSI Benzin mit dem 50 Liter Tank ganze 820 Kilometer.
Eine gute Ladekapazität und eine relativ große Reichweite hat die Elektrolimousine Tesla S. Sie kommt etwa dreimal so weit, wie Fahrzeuge anderer Hersteller. Kunden müssen dafür aber sehr tief in die Tasche greifen. Für die meisten Fahrzeugführer ist der Preis ab 75.000 Euro unbezahlbar.

Lithium-Ionen-Akkus sind nicht das Allheilmittel

Die Zukunft werden diese Akkus sicher nicht sein. Nicht nur, weil die Herstellung und Rohstoffgewinnung von Batterien eine erhebliche Umweltbelastung mit sich bringt, sondern auch, weil der Rohstoff Lithium in wenigen Jahren knapp werden könnte. Eine langfristige Entlastung für die Zukunft ist das E-Auto nicht.

Spannender für die Zukunft dürften Fahrzeuge sein, die ihren Strom zum Teil selbst erzeugen. 2017 stellte das Münchner Unternehmen „Sono Motors“ den Prototyp eines Minivans vors. Dieser war mit Solarzellen ausgestattet, die durch die Nutzung von Sonnenenergie zusätzlich Strom erzeugten, der in Akkus gespeichert wurde und die Reichweite des Fahrzeugs erhöhte. Das macht Fahrzeuge vor allem unabhängiger von Ladestationen.

Auch wenn wir beim Thema Energiespeicher schon einen großen Schritt vorangekommen sind, das Ende ist noch lange nicht abzusehen. Bestehende Technologien weiterzuentwickeln kann nur ein vorübergehender Trend sein, wird aber für die Zukunft nicht ausreichen, um genügend Speicherkapazität bei minimaler Umweltbelastung zur Verfügung zu stellen. Vor allem in puncto Recycling ist ein enormer Fortschritt notwendig. Die Recyclingtechnik ist zwar gut entwickelt, aber die Kapazitäten fehlen heute noch. Hier ist die Politik und die Industrie gefragt.