Stromspeicher im Vergleich: eine Infrastruktur für die Energiewende

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Pumpspeicherkraftwerk

Seit einigen Jahren wird die Windkraft in Deutschland massiv ausgebaut. Jedoch müssen immer häufiger Windkraftanlagen abgeschaltet werden, da der von ihnen erzeugte Strom trotz Vorrangregelung nicht in das Stromnetz eingespeist werden kann.

Es gibt zwei denkbare Lösungsansätze für dieses Problem: Einerseits den schon lang versäumten Netzausbau. Oder aber den massiven Einsatz von Speichern. Strompeichersysteme werden immer weiter erforscht und ihre Effektivität ständig verbessert. Sie entwickeln immer mehr das Potenzial, zu einem integralen Bestandteil der dringend benötigten Infrastruktur für die Energiewende zu werden. Höchste Zeit, sich die vorhandenen Techniken einmal genauer anzusehen.

Warum Stromspeicher für die Windkraft so wichtig sind
Zu manchen Zeiten wird mehr Strom aus Sonne und Windkraft erzeugt, als verbraucht werden kann. Umgekehrt wird oft besonders viel Strom nachgefragt, wenn gerade kein Wind weht oder die Sonne nicht scheint. Das wird zum Problem für die Stromnetze, in denen Angebot und Nachfrage sich immer die Waage halten müssen.

Für jede Kilowattstunde erneuerbarer Energie, die aufgrund fehlender Kapazitäten nicht ins Stromnetz eingespeist werden kann, stehen den Betreibern der Windkraftanlagen Entschädigungen zu. Diese Entschädigung zahlt der Netzbetreiber, der die Kosten auf den Endverbraucher umlegt. Die kostenintensive Abregelung von Windkraftanlagen ist ein Problem, das Kritiker gerne als Argument gegen die Energiewende vorbringen. Jedoch sind nicht die Windkraftanlagen selbst das Problem, sondern vielmehr der stockende Ausbau der Stromnetze, der die teure Abschaltung nötig macht.

Hier können Stromspeicher helfen. Diese lagern zu viel erzeugten Strom ein und stellen ihn dann zur Verfügung, wenn die Nachfrage steigt bzw. wenn das Netz den Strom wieder aufnehmen kann. Ein weiterer großer Vorteil: Stromspeicher können Regelenergie bereitstellen, um das Stromnetz beispielsweise bei Frequenzschwankungen zu stabilisieren. Aktuell greift man zur Erzeugung von Regelenergie sehr häufig auf Braunkohlekraftwerke oder Kernenergie zurück, was natürlich nicht im Sinn der Energiewende sein kann.

Mit Hilfe von Stromspeichern und innovativen Lösungen in diesem Bereich werden erneuerbare Energien auf Dauer zu einer verlässlichen Größe im Strommix.

Technologie-Überblick

Es gibt ganz unterschiedliche Systeme und Techniken, die die Speicherung von Strom ermöglichen. Die Funktionsweise der Stromspeicher unterscheidet sich teilweise stark voneinander, ebenso die mögliche Kapazität und die Erprobung in der Praxis.

Im Großen und Ganzen lassen sich die vorhandenen Speicherformen in zwei Gruppen einteilen:
Zum einen Batteriespeicher, die in Deutschland in der Regel dezentral mit Bezug zu bestimmten Windparks eingesetzt und oft mit sogenannten Smart Grids kombiniert werden. Die Kapazität dieser Speicher beschränkt sich meist auf wenige Megawattstunden: Der derzeit größte deutsche Batteriespeicher im brandenburgischen Feldheim kommt auf 10 MWh.

Demgegenüber stehen Speicher, die Kapazitäten von 8000 MWh und mehr aufweisen. Die größte Kapazität haben Pumpspeicherkraftwerke: Das größte deutsche Pumpspeicherkraftwerk, das sich in Goldisthal in Thüringen befindet, stellt 8480 MWh bereit. Bei Druckluftspeichern reduziert sich die Kapazität auf weniger als die Hälfte der Kapazität von Pumpspeichern. Außer Konkurrenz läuft das Speicherpotenzial von Power-to-Gas: Das deutsche Erdgasnetz bietet eine Kapazität von vielen TWh.

Nachfolgend wollen wir genauer auf die einzelnen Speichertechnologien eingehen.

Batteriespeicher: Lithium-Ionen-Akku
Lithium-Ionen-Akkus gehören zu den bekanntesten und zugleich wirtschaftlichsten Energie-Speichern überhaupt: Sie sind schon lange in Handys und Elektro-Autos im Einsatz. Sie haben mit 90 % einen der höchsten Wirkungsgrade und können gemessen an dem Platz, den sie verbrauchen, sehr viel Strom speichern. Ihre Lebensdauer bemisst sich abhängig von unterschiedlichen Faktoren in mehreren Jahren, es sind mehrere hundert Ladezyklen möglich.

Die Funktionsweise von Lithium-Ionen-Akkus beruht auf elektrochemischen Prozessen: Zwischen den beiden Elektroden wandern Lithium-Ionen in einem Elektrolyt hin und her. So wird die Batterie aufgeladen oder entladen. Die negative Elektrode besteht in der Regel aus Graphit, die positive aus einem Lithium-Metall-Oxid.

Ein großer Vorteil von Lithium-Ionen-Akkus ist ihre Fähigkeit, sich in kurzer Zeit zu laden und den aufgenommenen Strom auch schnell wieder zur Verfügung zu stellen. Lithium-Ionen-Akkus werden in Deutschland in kleinerem Maßstab dezentral eingesetzt. Der größte Lithium-Ionen-Speicher der Welt mit einer Kapazität von 40 MWh ging im Herbst 2014 in China ans Netz.

Ein Nachteil ist der Einsatz des Leichtmetall Lithiums, der genau wie fossile Brennstoffe nur in begrenzter Menge auf der Welt vorkommt. Eine Alternative könnte der Einsatz von Silizium sein, an dessen Einsatz in Akkus schon seit Jahren geforscht wird, mit teilweise vielversprechenden Ergebnissen. Nichtsdestotrotz schlagen Lithium-Ionen-Akkus in Bezug auf ihre Ökobilanz heutzutage jedes Benzin-Auto.

Batteriespeicher: Redox-Flow-Batterie
Der Wirkungsgrad von Redox-Flow-Batterien liegt bei etwa 80 %. Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Akkus bietet diese Speicher-Methode sehr viel mehr Ladezyklen (etwa 10.000) und weist eine weit höhere Lebensdauer auf. Redox-Flow-Batterien beweisen im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Akkus, die man zu den Kurzzeitspeichern zählt, besonders als Langzeitspeicher eine hohe Effizienz.

Eine Redox-Flow-Batterie besteht aus der eigentlichen Batterie-Zelle und zwei Tanks, in denen sich Elektrolyte mit gelösten Metall-Salzen befinden. Das Laden der Batterie findet durch Reduktion der Metall-Salze, die Ladung durch deren Oxidation statt. Die Elektrolyte werden in die Batterie-Zelle gepumpt, in der zwischen den Elektroden ein Ladungsaustausch stattfindet, woraus Strom entsteht.

Ein aus ihrem Aufbau resultierender Vorteil von Redox-Flow-Batterien ist, dass sich ihre Speicher-Kapazität sehr einfach durch Aufstellen größerer Tanks erhöhen lässt. Auch für die Elektro-Mobilität bieten Redox-Flow-Batterien großes Potenzial: Wo Lithium-Ionen-Akkus mit Strom erst aufgeladen werden müssen, könnte das Redox-Flow-Elektrolyt einfach aus der Zapfsäule getankt werden. Elektro-Autos, die sich dieser Technik bedienen, gibt es bereits. Und anders als bei Lithium-Ionen-Akkus gibt es bei diesem Speichertyp keine Selbstentladung, wenn die Ladung längere Zeit aufrecht erhalten wird.

Redox-Flow-Batterien haben im Verhältnis zu Lithium-Ionen-Akkus allerdings ein viel höheres Gewicht und eine geringere Energiedichte. Es bleibt außerdem abzuwarten, ob diese Technik ihre Wirtschaftlichkeit in den nächsten Jahren noch steigern kann.

Am Freitag erfahren Sie alles über weitere Möglichkeiten der Energiespeicherung. Darunter auch Pumpspeicherkraftwerke, Power-to-Gas und Druckluft.

 

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