Speicherlösungen für erneuerbare Energien: Ein Schlüssel für die Energiewende

Die Energiespeicherung ist eine der größten Herausforderungen bei der Umstellung auf erneuerbare Energien. Wind- und Solarenergie sind naturgemäß volatil – sie produzieren nicht immer dann Strom, wenn er gebraucht wird. Effiziente Speicherlösungen sind daher unverzichtbar, um eine zuverlässige Versorgung mit erneuerbaren Energien zu gewährleisten. In diesem Artikel betrachten wir die neuesten Entwicklungen im Bereich der Energiespeicherung und ihre Bedeutung für die Energiewende.

Die Speicherherausforderung im Kontext der Energiewende

Die Bundesregierung hat das Ziel ausgegeben, bis 2030 mindestens 80% des deutschen Stromverbrauchs aus erneuerbaren Quellen zu decken. Dies ist ein ambitioniertes Ziel, das nur mit einem massiven Ausbau der Wind- und Solarenergie zu erreichen ist. Doch je höher der Anteil erneuerbarer Energien im Stromnetz wird, desto größer wird auch die Herausforderung, das Angebot mit der Nachfrage in Einklang zu bringen.

An windigen oder sonnigen Tagen können erneuerbare Energien bereits heute zeitweise mehr Strom produzieren, als gerade benötigt wird. In windstillen Nächten hingegen reicht die Produktion nicht aus, um den Bedarf zu decken. Ohne geeignete Speichertechnologien müssten daher weiterhin konventionelle Kraftwerke vorgehalten werden, um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten.

Arten von Energiespeichern: Von der Sekunde bis zur Saison

Je nach Anwendungsbereich werden unterschiedliche Speichertechnologien benötigt. Man unterscheidet dabei zwischen Kurzzeit-, Mittelfrist- und Langzeitspeichern:

1. Kurzzeitspeicher

Kurzzeitspeicher gleichen kurzfristige Schwankungen im Stromnetz aus und sorgen für Netzstabilität. Sie müssen in der Lage sein, innerhalb von Sekunden oder Minuten große Mengen Energie aufzunehmen oder abzugeben.

• Schwungradspeicher: Speichern Energie in Form von Rotationsenergie und können in Millisekunden reagieren.
• Superkondensatoren: Speichern Energie in einem elektrischen Feld und bieten sehr hohe Leistungen bei kurzen Entladezeiten.
• Lithium-Ionen-Batterien: Werden zunehmend auch für Netzdienstleistungen wie Frequenzregulierung eingesetzt.

2. Mittelfristspeicher

Diese Speicher gleichen tägliche oder wöchentliche Schwankungen aus und ermöglichen es, tagsüber erzeugten Solarstrom in die Abend- und Nachtstunden zu verlagern.

• Lithium-Ionen-Batterien: Aktuell die dominierende Technologie für Heimspeicher und größere Batterieparks.
• Redox-Flow-Batterien: Bieten den Vorteil, dass Leistung und Kapazität unabhängig voneinander skaliert werden können.
• Pumpspeicherkraftwerke: Bewährte Technologie, bei der Wasser in höher gelegene Reservoirs gepumpt wird, um bei Bedarf wieder Strom zu erzeugen.

3. Langzeitspeicher

Für saisonale Schwankungen – also die Übertragung von Energie aus dem sonnenreichen Sommer in den Winter – werden Technologien benötigt, die große Energiemengen über längere Zeiträume speichern können.

• Power-to-Gas: Überschüssiger Strom wird genutzt, um Wasserstoff oder Methan zu erzeugen, das im Gasnetz gespeichert und bei Bedarf verstromt werden kann.
• Thermische Speicher: Speichern Energie in Form von Wärme, z.B. in Form von heißem Wasser oder geschmolzenem Salz.
• Druckluftspeicher: Komprimieren Luft in unterirdischen Kavernen und nutzen die gespeicherte Energie bei Bedarf zur Stromerzeugung.

Innovationen und Trends in der Speichertechnologie

Die Forschung im Bereich der Energiespeicherung ist äußerst dynamisch. Einige vielversprechende Entwicklungen sind:

Weiterentwicklung von Batterietechnologien

Die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien sind in den letzten zehn Jahren um mehr als 80% gesunken, was zu einer massiven Verbreitung dieser Technologie geführt hat. Gleichzeitig arbeiten Forscher an neuen Batterietechnologien, die noch höhere Energiedichten, längere Lebensdauern und kürzere Ladezeiten versprechen:

• Festkörperbatterien: Ersetzen den flüssigen Elektrolyten durch einen festen Stoff, was Sicherheitsvorteile bietet und höhere Energiedichten ermöglicht.
• Natrium-Ionen-Batterien: Könnten eine kostengünstigere Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien werden, da sie auf häufiger vorkommenden Rohstoffen basieren.
• Metall-Luft-Batterien: Versprechen extrem hohe Energiedichten, stehen aber noch vor erheblichen technischen Herausforderungen.

Grüner Wasserstoff und synthetische Kraftstoffe

Für die langfristige Speicherung großer Energiemengen wird Wasserstoff zunehmend als Schlüsseltechnologie gesehen. Mit Hilfe von Elektrolyseuren kann überschüssiger Strom aus erneuerbaren Quellen genutzt werden, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Der so erzeugte "grüne Wasserstoff" kann gespeichert, transportiert und bei Bedarf wieder verstromt werden – oder direkt in industriellen Prozessen, im Verkehr oder zur Wärmeerzeugung Verwendung finden.

Ein weiterer Ansatz ist die Umwandlung des Wasserstoffs mit CO₂ zu synthetischem Methan oder flüssigen Kraftstoffen (Power-to-Liquid). Diese haben den Vorteil, dass sie in der bestehenden Infrastruktur (Gasnetz, Tankstellen) genutzt werden können.

Dezentrale Speicherkonzepte und virtuelle Kraftwerke

Ein innovativer Ansatz besteht darin, viele kleine, dezentrale Speicher zu einem virtuellen Kraftwerk zusammenzuschalten. Durch intelligente Steuerung können Heimspeicher, Elektrofahrzeuge und andere flexible Verbraucher so koordiniert werden, dass sie gemeinsam zur Netzstabilisierung beitragen. Erste Pilotprojekte in Deutschland zeigen das enorme Potenzial dieses Ansatzes.

Energiespeicher in der Praxis: Beispiele aus Deutschland

In Deutschland gibt es bereits zahlreiche erfolgreiche Speicherprojekte:

Großbatteriespeicher

In Schwerin betreibt die WEMAG AG einen der größten Batteriespeicher Europas mit einer Leistung von 10 MW und einer Kapazität von 15 MWh. Der Speicher dient der Frequenzregulierung im Stromnetz und hat sich als wirtschaftlich erfolgreich erwiesen. Ähnliche Projekte entstehen an vielen Orten in Deutschland.

Heimspeicher

Die Zahl der Photovoltaikanlagen mit Batteriespeicher in deutschen Haushalten hat sich in den letzten Jahren vervielfacht. Ende 2022 waren bereits über 500.000 Heimspeichersysteme installiert. Sie erhöhen den Eigenverbrauch von Solarstrom von etwa 30% auf bis zu 80% und entlasten so das Stromnetz.

Power-to-Gas

In Falkenhagen betreibt Uniper eine Power-to-Gas-Anlage, die überschüssigen Windstrom in Wasserstoff umwandelt und ins Gasnetz einspeist. Solche Projekte zeigen die technische Machbarkeit der saisonalen Speicherung, müssen aber noch wirtschaftlicher werden.

Wirtschaftlichkeit und Geschäftsmodelle für Energiespeicher

Die Wirtschaftlichkeit von Energiespeichern hängt stark vom regulatorischen Rahmen ab. In Deutschland wurden in den letzten Jahren einige Hürden abgebaut:

• Heimspeicher profitieren von sinkenden Kosten, steigenden Strompreisen und attraktiven Förderprogrammen.
• Großbatterien können durch die Teilnahme am Regelenergiemarkt, durch Arbitragegewinne (Laden bei niedrigen, Entladen bei hohen Strompreisen) und durch die Vermeidung von Netzausbau Einnahmen generieren.
• Für langfristige Speicher wie Power-to-Gas fehlt noch ein tragfähiges Geschäftsmodell, da die hohen Umwandlungsverluste und Investitionskosten die Wirtschaftlichkeit beeinträchtigen.

Ausblick: Die Zukunft der Energiespeicherung

Die Bedeutung von Energiespeichern wird mit dem fortschreitenden Ausbau erneuerbarer Energien weiter zunehmen. Experten sind sich einig, dass ein Mix verschiedener Speichertechnologien nötig sein wird, um die unterschiedlichen Anforderungen zu erfüllen.

Auf politischer Ebene sind weitere Anpassungen des regulatorischen Rahmens erforderlich, um Speicher als eigenständige Säule des Energiesystems zu etablieren und Marktmodelle zu schaffen, die ihre verschiedenen Funktionen adäquat vergüten.

Die Forschung an neuen Materialien und Technologien wird zu weiteren Kostensenkungen und Effizienzsteigerungen führen. Eine spannende Entwicklung ist auch die zunehmende Sektorkopplung – also die Verknüpfung von Strom-, Wärme- und Verkehrssektor, die neue Möglichkeiten für die Energiespeicherung eröffnet.

Fazit: Speicher als Enabler der Energiewende

Energiespeicher sind mehr als nur eine technische Notwendigkeit – sie sind ein Schlüssel zur erfolgreichen Umsetzung der Energiewende. Sie machen erneuerbare Energien grundlastfähig, erhöhen die Versorgungssicherheit und helfen, das Stromnetz stabil zu halten.

Für Verbraucher bieten sie die Möglichkeit, aktiv an der Energiewende teilzunehmen und ihren ökologischen Fußabdruck zu reduzieren. Für Unternehmen eröffnen sie neue Geschäftsfelder und Innovationspotenziale.

Die Entwicklung und Integration von Speichertechnologien ist eine komplexe Herausforderung – aber auch eine große Chance für Deutschland, seine Vorreiterrolle im Bereich der erneuerbaren Energien auszubauen und technologisches Know-how zu entwickeln, das weltweit gefragt sein wird.