Moderne Energiespeicherlösungen für die Energiewende

Die Energiewende in Deutschland ist in vollem Gange. Mit dem Ausbau erneuerbarer Energien wächst jedoch auch die Herausforderung, die fluktuierende Stromerzeugung aus Wind und Sonne zu stabilisieren. Energiespeicher spielen dabei eine Schlüsselrolle – sie können überschüssigen Strom aufnehmen und bei Bedarf wieder abgeben. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die wichtigsten Speichertechnologien, ihre Anwendungsbereiche und zukünftige Entwicklungen.

Warum Energiespeicher für die Energiewende unverzichtbar sind

Das deutsche Stromnetz wird zunehmend von erneuerbaren Energien gespeist. An sonnenreichen, windigen Tagen übersteigt die erzeugte Strommenge oft den aktuellen Bedarf, während bei bewölktem Himmel und Windstille Engpässe entstehen können. Um dieses Ungleichgewicht auszugleichen, sind flexible Speicherlösungen nötig, die in verschiedenen Zeitskalen arbeiten:

• Kurzzeitspeicher: Gleichen Schwankungen im Sekundenbereich aus und sichern die Netzstabilität
• Tagesspitzenspeicher: Verschieben Solarstrom vom Mittag in die Abendstunden
• Saisonale Speicher: Bewahren Energieüberschüsse aus dem Sommer für den Winter auf

Laut Studien des Fraunhofer-Instituts könnte Deutschland bis 2030 Speicherkapazitäten von mehr als 100 Gigawattstunden benötigen, um die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien optimal zu nutzen. Aktuell liegt die installierte Kapazität bei etwa 40 Gigawattstunden, vorwiegend in Form von Pumpspeicherkraftwerken.

Batteriespeicher: Vielseitig und schnell verfügbar

Batteriespeicher haben in den letzten Jahren einen beeindruckenden Aufschwung erlebt. Dank sinkender Kosten und steigender Energiedichte werden sie sowohl im privaten als auch im gewerblichen und industriellen Bereich immer attraktiver.

Lithium-Ionen-Technologie

Lithium-Ionen-Batterien dominieren derzeit den Markt und kommen in verschiedenen Anwendungen zum Einsatz:

• Heimspeicher: Kombiniert mit Photovoltaikanlagen erhöhen sie den Eigenverbrauch in Privathaushalten auf bis zu 80%. In Deutschland waren Ende 2022 etwa 500.000 Heimspeicher mit einer Gesamtkapazität von 3,5 Gigawattstunden installiert.
• Gewerbespeicher: Unternehmen nutzen Batteriespeicher zur Optimierung des Eigenverbrauchs, Spitzenlastreduzierung und als Notstromversorgung.
• Großspeicher: Batteriespeicher im Megawatt-Bereich erbringen Systemdienstleistungen wie Frequenzregulierung und tragen zur Netzstabilität bei.

Die Vorteile der Lithium-Ionen-Technologie liegen in der hohen Effizienz (über 90%), der schnellen Reaktionszeit (Millisekunden) und der relativ hohen Energiedichte. Nachteile sind die begrenzte Lebensdauer (etwa 5.000-10.000 Zyklen), die Brandgefahr bei unsachgemäßer Handhabung und die Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen wie Lithium und Kobalt.

Alternative Batterietechnologien

Um die Nachteile der Lithium-Ionen-Technologie zu überwinden, werden verschiedene alternative Ansätze erforscht:

• Natrium-Ionen-Batterien: Verzichten auf kritische Rohstoffe und könnten eine kostengünstige Alternative darstellen.
• Feststoffbatterien: Bieten höhere Sicherheit und potenziell längere Lebensdauer durch Verwendung fester statt flüssiger Elektrolyte.
• Redox-Flow-Batterien: Ermöglichen eine unabhängige Skalierung von Leistung und Kapazität und eignen sich besonders für stationäre Anwendungen.
• Salzwasserbatterien: Bestehen aus umweltfreundlichen Materialien und bieten hohe Sicherheit, allerdings bei geringerer Energiedichte.

In Deutschland gibt es zahlreiche Forschungsprojekte und Startups, die an diesen Technologien arbeiten. Bis 2025 könnten einige dieser Alternativen Marktreife erlangen und die Palette der verfügbaren Speicherlösungen erweitern.

Mechanische Speicher: Bewährte Technologien mit Zukunftspotenzial

Pumpspeicherkraftwerke

Pumpspeicherkraftwerke sind die älteste und bewährteste Form der Stromspeicherung. In Deutschland gibt es etwa 30 Anlagen mit einer Gesamtleistung von rund 6,5 Gigawatt und einer Speicherkapazität von etwa 40 Gigawattstunden.

Das Prinzip ist einfach: Bei Stromüberschuss wird Wasser in ein höher gelegenes Becken gepumpt und bei Bedarf wieder abgelassen, wobei Turbinen Strom erzeugen. Pumpspeicher bieten eine hohe Effizienz (75-85%) und lange Lebensdauer (mehr als 50 Jahre), sind jedoch aufgrund geografischer und ökologischer Einschränkungen in ihrem Ausbaupotenzial begrenzt.

Innovative Ansätze wie Unterflurpumpspeicher in stillgelegten Bergwerken oder Offshore-Pumpspeicher könnten neue Möglichkeiten eröffnen.

Druckluftspeicher

Bei Druckluftspeicherkraftwerken wird überschüssiger Strom genutzt, um Luft in unterirdische Kavernen zu komprimieren. Bei Strombedarf wird die komprimierte Luft wieder entspannt und treibt dabei Turbinen an.

In Deutschland ist seit 1978 das Kraftwerk Huntorf in Betrieb, das weltweit erste seiner Art. Neuere Konzepte wie adiabate Druckluftspeicher, die die Kompressionswärme speichern und wiederverwenden, könnten den Wirkungsgrad von derzeit etwa 50% auf über 70% steigern.

Schwungradspeicher

Schwungradspeicher wandeln elektrische Energie in Rotationsenergie um und speichern sie in einer rotierenden Masse. Sie zeichnen sich durch extrem schnelle Reaktionszeiten, hohe Leistung und lange Lebensdauer aus, bieten jedoch nur begrenzte Speicherkapazität.

In Deutschland werden Schwungradspeicher vorwiegend zur Netzstabilisierung und in industriellen Anwendungen eingesetzt, wo kurzzeitig hohe Leistungen benötigt werden.

Wasserstoff und Power-to-X: Langzeitspeicher für die saisonale Energieversorgung

Für die langfristige Speicherung von Energieüberschüssen, insbesondere für den saisonalen Ausgleich, bieten sich Power-to-X-Technologien an. Dabei wird Strom genutzt, um chemische Energieträger wie Wasserstoff, Methan oder flüssige Kraftstoffe herzustellen.

Grüner Wasserstoff

Die Elektrolyse von Wasser mit erneuerbarem Strom erzeugt "grünen" Wasserstoff, der vielfältig genutzt werden kann:

• Direkte Rückverstromung in Brennstoffzellen oder Gasturbinen
• Einspeisung in das Erdgasnetz (bis zu einem gewissen Anteil)
• Verwendung in industriellen Prozessen, z.B. in der Stahlproduktion
• Antrieb von Wasserstofffahrzeugen

Die deutsche Wasserstoffstrategie sieht bis 2030 den Aufbau von 10 Gigawatt Elektrolyseleistung vor. Zahlreiche Pilotprojekte sind bereits in Umsetzung, darunter das Reallabor Westküste 100 in Schleswig-Holstein, das Windstrom in Wasserstoff umwandelt.

Methanisierung und synthetische Kraftstoffe

Durch die Reaktion von Wasserstoff mit CO₂ kann synthetisches Methan (Power-to-Gas) oder durch weitere Verarbeitungsschritte auch flüssige Kraftstoffe (Power-to-Liquid) hergestellt werden. Diese Energieträger sind kompatibel mit der bestehenden Infrastruktur und können in herkömmlichen Gasheizungen, Gaskraftwerken oder Verbrennungsmotoren genutzt werden.

Der Wirkungsgrad dieser Umwandlungsketten ist mit 30-40% relativ gering, doch die lange Speicherdauer und hohe Energiedichte machen sie für spezifische Anwendungen attraktiv. Die deutsche Gasnetzinfrastruktur bietet zudem enorme Speicherkapazitäten von mehr als 200 Terawattstunden.

Wärmespeicher: Die unterschätzte Dimension der Energiewende

Etwa 50% des deutschen Energieverbrauchs entfällt auf Wärme. Daher sind Wärmespeicher ein wichtiger Baustein der Energiewende, der oft weniger Beachtung findet als Stromspeicher.

Thermische Speicher für Haushalte und Industrie

Für Privathaushalte bieten Warmwasserspeicher und Pufferspeicher die Möglichkeit, Wärme aus Wärmepumpen, Solarthermie oder überschüssigem Strom (Power-to-Heat) zu speichern. Neuere Entwicklungen umfassen Hochtemperatur-Wärmepumpen und Eisspeicher, die durch den Phasenwechsel von Wasser zusätzliche Speicherkapazität bieten.

In der Industrie kommen Hochtemperaturspeicher zum Einsatz, die Prozesswärme speichern und bei Bedarf wieder abgeben können. Materialien wie Keramik, Flüssigsalze oder Phasenwechselmaterialien ermöglichen die Speicherung bei Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius.

Großwärmespeicher für Fernwärmenetze

Für Fernwärmenetze werden zunehmend saisonale Großwärmespeicher eingesetzt. In Hamburg-Wilhelmsburg wurde 2015 ein unterirdischer Heißwasserspeicher mit einem Volumen von 2.000 Kubikmetern in Betrieb genommen, der Wärme über mehrere Monate speichern kann.

In Dänemark, einem Vorreiter in diesem Bereich, gibt es bereits mehrere Pit-Thermal-Energy-Storage-Anlagen mit Volumen von bis zu 200.000 Kubikmetern, die Sonnenwärme vom Sommer bis in den Winter speichern können. Ähnliche Projekte sind auch in deutschen Städten in Planung.

Netzgebundene Speicherlösungen: Virtueller Ausgleich statt physischer Speicherung

Neben der direkten Speicherung gibt es auch netzbasierte Ansätze zur Integration erneuerbarer Energien:

Smart Grids und Demand-Side-Management

Intelligente Stromnetze (Smart Grids) ermöglichen die Steuerung von Verbrauchern je nach Verfügbarkeit erneuerbarer Energien. Flexible Lasten wie Kühlhäuser, Elektrofahrzeuge oder Wärmepumpen können ihren Verbrauch an die Erzeugung anpassen und so als "virtuelle Speicher" dienen.

In Pilotprojekten wie SINTEG (Schaufenster intelligente Energie) wurden solche Konzepte bereits erfolgreich erprobt. Die flächendeckende Umsetzung erfordert jedoch noch regulatorische Anpassungen und den weiteren Ausbau der digitalen Infrastruktur.

Vehicle-to-Grid

Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen entsteht ein enormes Speicherpotenzial. Allein eine Million Elektrofahrzeuge mit durchschnittlich 50 kWh Batteriekapazität würden theoretisch einen Speicher von 50 Gigawattstunden darstellen.

Durch bidirektionales Laden (Vehicle-to-Grid) könnten diese Batterien nicht nur geladen werden, wenn überschüssiger Strom verfügbar ist, sondern bei Bedarf auch Energie ins Netz zurückspeisen. Pilotprojekte dazu laufen bereits in mehreren deutschen Städten.

Wirtschaftlichkeit und Marktentwicklung

Die Kosten für Energiespeicher sind in den letzten Jahren deutlich gesunken. Lithium-Ionen-Batterien sind seit 2010 um mehr als 85% günstiger geworden, was ihre Wirtschaftlichkeit in vielen Anwendungen verbessert hat. Dennoch stehen Speichertechnologien vor wirtschaftlichen Herausforderungen:

• Regulatorische Rahmenbedingungen: In Deutschland werden Speicher teilweise als Erzeuger und Verbraucher doppelt mit Netzentgelten und Umlagen belastet.
• Fehlende Vergütungsmodelle: Der Wert von Flexibilität und Systemdienstleistungen wird im Markt noch nicht ausreichend honoriert.
• Unsichere Investitionsbedingungen: Langfristige Geschäftsmodelle sind aufgrund sich ändernder Regulierung schwer zu entwickeln.

Trotz dieser Herausforderungen wächst der Markt für Energiespeicher in Deutschland rapide. Für Heimspeicher wird bis 2025 ein jährliches Wachstum von 30% prognostiziert, und auch bei Großspeicherprojekten ist ein deutlicher Anstieg zu verzeichnen.

Fazit und Ausblick

Energiespeicher sind ein unverzichtbarer Baustein der Energiewende. Sie ermöglichen die Integration hoher Anteile erneuerbarer Energien, stabilisieren das Stromnetz und tragen zur Versorgungssicherheit bei. Die Vielfalt der verfügbaren Technologien erlaubt maßgeschneiderte Lösungen für unterschiedliche Anforderungen – von der Kurzzeitspeicherung bis zur saisonalen Energievorhaltung.

Um das volle Potenzial von Energiespeichern auszuschöpfen, sind jedoch weitere Anstrengungen nötig:

• Anpassung des regulatorischen Rahmens zur Beseitigung von Investitionshemmnissen
• Verstärkte Forschung und Entwicklung neuer Speichertechnologien
• Aufbau einer heimischen Produktion für kritische Komponenten
• Integration von Speichern in die Netzplanung und Energiemarktdesign

Mit den richtigen Rahmenbedingungen können Energiespeicher nicht nur technisch, sondern auch wirtschaftlich einen wichtigen Beitrag zum Gelingen der Energiewende leisten. Deutschland hat mit seiner starken Industrie- und Forschungslandschaft das Potenzial, in diesem zukunftsträchtigen Markt eine führende Rolle einzunehmen.