Speichertechnologien: Schlüsselfaktor und Gamechanger für die Energiewende

Neben dem weiteren Ausbau der erneuerbaren Energien spielen vor allem effiziente und zuverlässige Speichertechnologien eine Schlüsselrolle für das Gelingen der Energiewende. Angesichts des stetig wachsenden Anteils volatiler Energiemengen aus Sonne und Wind rücken zwei Herausforderungen, die Differenzen von Erzeugung und Verbrauch auszugleichen sowie die Stabilisierung des Netzes mithilfe leistungsfähiger und zuverlässiger Energiespeicher zu unterstützen, noch stärker in den Fokus.

Sowohl mit Blick auf den Strom- als auch auf den Wärmemarkt gilt: Für die CO₂-neutrale Zukunft unseres Energiesystems sind innovative Speichertechnologien der Gamechanger schlechthin. Erst durch sie wird die Transformation von der reinen Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen hin zu einer flexiblen und bedarfsgerechten Energieversorgung möglich. Der forcierte Aufbau einer tragfähigen Infrastruktur zur Energiespeicherung ist dabei umso mehr geboten, als dass Deutschland in Bezug auf das verschärfte Klimaschutzgesetz bereits 2045 klimaneutral sein soll. Welche Speicherlösungen kommen in welchen Anwendungsbereichen bereits heute erfolgreich zum Einsatz? Welche Speichertechnologien der Zukunft stehen schon in den Startlöchern? Die Antworten haben wir für Sie in diesem Beitrag zusammengefasst.

Speichertechnologien sowohl für die kurzfristige als auch die langfristige Energiespeicherung benötigt

Bei der Speicherung und anschließenden Bereitstellung erneuerbarer Energien müssen in Bezug auf ihre Volatilität verschiedene Zeithorizonte berücksichtigt werden. In Abhängigkeit vom aktuellen Wetter wie auch von der längerfristigen Witterung unterliegt der zusätzliche Energiebedarf sowohl kurzfristig als auch saisonal starken Schwankungen. Diese gilt es über entsprechende Speichertechnologien auszugleichen. Grundsätzlich wird daher bei Speicherlösungen zwischen Kurzzeit- und Langzeitspeichern unterschieden:

• Schnell einsatzbereite Kurzzeitspeicher wie Batterien, Schwungrad- und Druckluftspeicher oder Pumpspeicherwerke können innerhalb eines Tages mehrfach Energie speichern und bereitstellen. Üblicherweise werden sie als Leistungsspeicher im Sekunden- bis Minutentakt beziehungsweise als Verschiebespeicher im Minuten- bis Stundentakt eingesetzt. Neben der Glättung kurzzeitiger Fluktuationen und der Bereitstellung von Regelleistung dienen sie zum Ausgleich von typischen Tagesmustern, etwa bei PV-Anlagen.
   
• Langzeitspeicher mit meist deutlich höheren Kapazitäten wie Wärmespeicher, große Speicherwasserkraftwerke oder chemische Speicher (Power-to-Gas) ermöglichen eine Energiespeicherung über mehrere Tage, Wochen oder noch längere Zyklen und fungieren als längerfristiges beziehungsweise saisonales Backup.

Moderne Batteriespeicher für den vielfältigen Einsatz in Haushalten, Industrie und im Netzbetrieb

Von der Volta-Säule über Blei-Akkumulatoren bis hin zur Lithium-Ionen-Technik: Batteriespeicher blicken bereits auf eine mehr als 200-jährige Geschichte zurück und gelten dank ihrer vielfältigen Einsatzmöglichkeiten und der erwarteten Kostensenkungen als zentrale Bausteine für das Stromsystem der Zukunft. Ob

• in Haushalten oder Quartieren zur Zwischenspeicherung von PV-Strom,
• für den Auf- und Ausbau einer emissionsfreien Elektromobilität,
• in Industrie und Gewerbe zur Senkung der Strombezugskosten via Peak-Shaving und zur Generierung von Zusatzerlösen auf dem Regelenergiemarkt oder
• auf der Ebene der Netzdienstleister für die sekundengenaue Regelung und Stabilisierung des Netzbetriebs:

Bei der flexiblen Integration erneuerbarer Energien eröffnen Batteriespeicher modulare, leicht skalierbare und schnell einsetzbare Lösungen, die bereits heute einen wesentlichen Beitrag zur Energiewende leisten. Mit Blick auf den wachsenden Anteil von Wind- und Sonnenstrom werden sie für die kontinuierliche Energieversorgung zukünftig noch wichtiger werden.

Mechanische Energiespeicher: Mit Isaac Newton die Energiewende vorantreiben

Mechanische Energiespeicher nutzen die Prinzipien der klassischen Newtonschen Mechanik für die Energiespeicherung in potenzieller und kinetischer Form oder in Form von Druckenergie. Zu diesen Speichertechnologien zählen neben Pumpspeicherkraftwerken und Druckluftspeichern auch die sogenannten Schwungrad- oder Schwungmassenspeicher.

Pumpspeicherkraftwerke

In Deutschland bereits seit über 100 Jahren im Einsatz, gilt die Pumpspeichertechnik als bewährte technische Lösung und als derzeit einzige Speichertechnologie, mit der sich Strom im großen Umfang speichern lässt. Insbesondere in der Lieferung von Regelenergie zur Bereitstellung von Spitzenlaststrom und zur Stabilisierung der Netze bei unerwarteten Schwankungen kommt Pumpspeicherkraftwerken im Rahmen der Energiewende eine immer wichtigere Rolle zu. So kann ein typisches Pumpspeicherwerk in Abhängigkeit vom Staubecken Energie für viele Stunden bis einige Tage speichern. In Deutschland, wo gegenwärtig etwa 9,6 Gigawatt Nettonennleistung durch Pumpspeicherwerke zur Verfügung stehen, sind die Ausbaupotenziale allerdings begrenzt.

Druckluftspeicher

Überschüssiger Strom aus erneuerbaren Quellen kann auch in Druckluftspeichern genutzt werden, um Luft zum Beispiel in Salzstöcke oder Gaskavernen zu pressen. Neben der Rückführung der Druckluft über eine Turbine zur Stromerzeugung wird bei adiabaten Druckluftspeichern auch die bei der Kompression entstehende Wärme in einen Wärmespeicher überführt. Bislang kommt die Druckluftspeichertechnik im großen Maßstab allerdings kaum zur Anwendung, da die erzielbaren Wirkungsgrade gegenüber anderen Speichertechnologien deutlich abfallen.

Schwungrad-/Schwungmassenspeicher

Schwungrad- beziehungsweise Schwungmassespeicher wandeln überschüssige elektrische Energie in mechanische Rotationsenergie um. Als effiziente Kurzzeitspeicher mit einer sehr hohen Leistungsdichte und Zyklenfestigkeit werden diese Energiespeicher in der Regel zum Puffern von Leistungs- und Lastspitzen eingesetzt. Dennoch spielen sie im Energiesystem aufgrund ihrer hohen Ruheverluste und der aufwendigen Kühlung im Betrieb nur eine Nebenrolle.

Mit thermischen Energiespeichern den Nutzungsgrad erneuerbarer Energien verbessern

Die Bedeutung thermischer Energiespeicher für die Energiewende ist nicht zu unterschätzen: Schließlich entfallen rund 56 Prozent des gesamten deutschen Energieverbrauchs auf den Wärmemarkt. Vor allem die Verwendung von überschüssigem Strom für die Umwandlung in Wärme, etwa bei Wärmepumpen im Haushalt oder in Power-to-Heat-Anlagen im industriellen Maßstab, nimmt einen immer größeren Stellenwert ein und kann maßgeblich dazu beitragen, den Nutzungsgrad der erneuerbaren Energien zu optimieren.

Die thermischen Speichertechnologien weisen eine sehr große Bandbreite und Heterogenität auf, die sie jeweils für verschiedene Einsatzbereiche prädestinieren:

• Kurzzeitwärmespeicher mit einer Speicherdauer von bis zu zwei Tagen dienen dem kurzfristigen Ausgleich von Wärmeangebot und -nachfrage. Sie kommen bevorzugt als Solar- oder Brauchwasserspeicher zum Einsatz und werden in der Industrie in Form von Dampfspeichern für Prozesswärme genutzt.
   
• Pufferspeicher, die die Energie ebenfalls stunden- oder tageweise speichern können, finden sehr häufig bei Solarthermieanlagen, Wärmepumpen oder in Blockheizkraftwerken (BHKWs) Anwendung. Sie sorgen mit ihrer gespeicherten Wärme unter anderem dafür, dass die Heizung beziehungsweise der Wärmeerzeuger seltener anspringen muss. Pufferspeicher lösen somit das Problem, dass der Bedarf an produziertem Strom und erzeugter Wärme aus Kraftwärmekopplungsanlagen oft nicht zeitgleich auftritt und erhöhen den Wirkungsgrad und die Effizient der gesamten Anlage.
   
• Langzeitwärmespeicher sind hingegen in der Lage, ihre thermische Energie ohne große Wärmeverluste über mehrere Monate zu erhalten. Während der Sommermonate kann zum Beispiel mit Solar- oder Geothermie produzierte Wärme bis zum Winter gespeichert werden. Dabei kommen im Rahmen der saisonalen Speichertechnologien verschiedene Größen zum Einsatz, die einzelne Häuser, Wohnquartiere, Gewerbe- und Industriekunden und sogar ganze Siedlungen über Nah- und Fernwärmenetze versorgen können.

Power-to-Gas als relevante Speichertechnologie der Zukunft

Power-to-Gas beschreibt sowohl eine Erzeugungs- und Speichertechnologie als auch ein energiewirtschaftliches Konzept, in dessen Rahmen temporäre Stromüberschüsse aus erneuerbaren Quellen zur Herstellung von grünem Wasserstoff und Methan genutzt werden. Power-to-Gas gilt als eine Schlüsseltechnologie für die weitere Flexibilisierung unseres Energieversorgungssystems, insbesondere im Hinblick auf die dritte Phase der Energiewende, wenn der Anteil der erneuerbaren Energien einen Anteil von 60 bis 70 Prozent am Strommix erreicht.

So kann das bei der Elektrolyse entstehende Brenngas unter anderem

• über lange Zeiträume gespeichert werden,
• teilweise (Wasserstoff) oder vollständig (Methan) in bestehende Erdgasnetze eingespeist werden,
• bei der Rückverstromung in Brennstoffzellen zum Einsatz kommen,
• als Rohstoff für die chemische Weiterverarbeitung dienen (Power-to-Chemicals) oder
• als Treibstoff im Verkehrswesen eingesetzt werden (Power-to-Fuel).
   

Mit Blick auf die Energiespeicherung stellen Pumpspeicher als Langzeitlösungen gegenwärtig zwar die günstigste Technologie dar, dennoch erwarten Experten, dass Power-to-Gas-Projekte bereits in zehn bis zwanzig Jahren wirtschaftlich betrieben werden können. Bereits heute ist Deutschland mit über 35 Anlagen, die EE-Gase produzieren und speichern, vergleichsweise breit aufgestellt. Allerdings kämpft die Branche mit verschiedenen Markteintrittshürden, die einen beschleunigten Ausbau bremsen. Dazu zählt etwa die Einordnung der Power-to-Gas-Anlagen als Letztverbraucher, wodurch zahlreiche Entgelte, Abgaben und Umlagen für genutzten Strom anfallen. Diese führen in einem erheblichen Maße dazu, dass Anlagen ohne Förderung derzeit nicht rentabel betrieben werden können.

Wie lässt sich Wasserstoff als Energiespeicher in großen Mengen lagern?

Laut dem Deutschen Verein des Gas- und Wasserfaches e. V. (DVGW) ist die Nutzung von Power-to-Gas-Technologien für die saisonale Speicherung von Energie heute nahezu alternativlos. Insbesondere mit Blick auf das Speichern großer Mengen von grünem Wasserstoff untersuchen daher Pilotprojekte wie STOPIL im Storengy-Speicher im französischen Étrez, inwieweit sich natürliche Salzkavernen für die unterirdische Einlagerung und Aufbewahrung des Gases eignen.

Fazit: Rahmenbedingungen für den Einsatz von Speichertechnologien verbessern

Der Beitrag von Speichertechnologien für das Gelingen der Energiewende kann nicht hoch genug eingeschätzt werden und bedarf einer weiteren politischen Priorisierung und Ausgestaltung. Mit der Verabschiedung der Nationalen Wasserstoffstrategie (NWS) Mitte 2020, der kürzlich im Nachtragshaushalt beschlossenen Förderung für das Projekt „H2 Global“ sowie dem Investitionspakt für „klimafreundliche Produktion in Deutschland“ im Rahmen der aktuellen Novellierung des Klimaschutzgesetzes hat der Gesetzgeber bereits an einigen Stellen die entsprechenden Weichen gestellt. Darüber hinaus bedarf es allerdings weiterer Regelungen sowie eines klaren Ordnungsrahmens, um die Wirtschaftlichkeit innovativer und dringend benötigter Speichertechnologien zu fördern.