Speicher für Erneuerbare

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Die Sonne scheint nur einige Stunden am Tag und der Wind weht, wann er will. Strom aber brauchen wir rund um die Uhr, das gesamte Jahr über. Konventionelle Kraftwerke z. B. können zwar diesen 24-Stunden-Bedarf decken, doch ihre Energiequellen sind endlich, werden tendenziell immer teurer und belasten sowohl Umwelt wie Klima. Was also tun? Um Wind und Sonne flexibler zu nutzen, benötigen wir u. a. geeignete Energiespeicher.  

Eine „Speisekammer“ für Strom?

Wenn man Waren und Güter nicht direkt nach der Produktion braucht, lagert man sie ein, bis man sie schließlich benötigt. Vor der Energiewende war das auch bei Strom kaum ein Problem: Für konventionelle Kraftwerke wurden die Energieträger Kohle, Gas oder Öl – im Prinzip natürliche Speicher – auf Halde oder in Tanks vorrätig gehalten und bei Bedarf verstromt. Mit den Erneuerbaren ist das nicht mehr ganz so einfach. Denn sie erzeugen Strom nicht bedarfsgerecht, sondern dann, wenn die Sonne scheint oder der Wind weht. Neue Speichertechnologien können dieses Problem zwar lösen, sind aber häufig noch unwirtschaftlich. Die Herausforderung besteht darin, eine Lösung für Langfristspeicher zu finden, damit wir künftig jede „Dunkelflaute“ locker meistern.

Ein See als Batterie: Pumpspeicherkraftwerke

Energiespeicher basieren stets auf dem Prinzip der Energieumwandlung. Die elektrische Energie „entsteht“ bei Bedarf erst durch eine chemische, elektrische, thermische oder mechanische Reaktion. Ein Beispiel sind Pumpspeicherkraftwerke: Seit den 1920er Jahren stützen sie die Elektrizitätsversorgung in Deutschland. Bis heute bieten sie die einzige ausgereifte Technologie, mit der sich langfristig, im großen Maßstab und insbesondere wirtschaftlich, Energie zur Stromversorgung speichern lässt. Am Grundprinzip dieser mechanischen Speicheranlagen hat sich seither nichts verändert: Dazu gehören ein oder mehrere Ober- und Unterbecken, die mit Pumpen und Turbinen über Rohre miteinander verbunden sind.

Der Schluchsee-Staumauer
Der Schluchsee-Staumauer. // Copyright: Adobe Stock/familie-eisenlohr.de

Diese Wasserreservoire werden gewissermaßen zur Speicherbatterie. Steht genügend Energie zur Verfügung, wird das Wasser damit in ein höherliegendes Becken gepumpt. Wird zu einem späteren Zeitpunkt Strom benötigt, kann das Wasser wieder abgelassen werden – es treibt dann Turbinen an, die wiederum Strom erzeugen. Die Reaktionszeit moderner Pumpspeicherkraftwerke ist dabei extrem kurz: Innerhalb von weniger als zwei Minuten sind sie von Stillstand auf Volllast gebracht. Der Wirkungsgrad ist dabei mit 65 bis 85 % vergleichsweise hoch. Trotzdem geht Energie verloren, weil das Hochpumpen mehr Strom benötigt, als man beim Öffnen der Schleusen des Oberbeckens wiedergewinnt.

Um die Energiewende voranzutreiben, müssen bestehende Speicherkapazitäten erweitert sowie neue Technologien erforscht und entwickelt werden.

Zunehmend unwirtschaftlich

Die Speicherkapazitäten lassen sich durch moderne und effiziente Pumpen und Turbinen verbessern. Zudem können mehrere Becken zu Kraftwerksanlagen gekoppelt werden: Die Schluchseewerk AG z. B. betreibt im Schwarzwald heute schon einen Energiespeicher bestehend aus 14 Staubecken und fünf Kraftwerken. Allerdings treffen bestehende Pumpspeicherkraftwerke wie auch Neubauplanungen im Zuge der Energiewende auf deutlich veränderte Marktbedingungen, weshalb ein wirtschaftlicher Betrieb von Pumpspeicherkraftwerken zunehmend schwieriger wird.

Aus Strom mach Gas

Das Thema Speicherkapazitäten treibt daher auch die Forschungsinstitute in Baden-Württemberg um. Besonders vielversprechend ist die Power-to-Gas-Technologie, wie sie 
z. B. am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung (ZSW) weiterentwickelt wird. Das Prinzip: Nicht benötigter Strom erzeugt per Elektrolyse Wasserstoff, der dann entweder direkt dem Gasnetz beigemischt wird oder mit Kohlendioxid zu Methan, sprich zu synthetischem Erdgas, weiterverarbeitet wird. Dafür steht bereits ein bilanzielles „Speichersystem“ zur Verfügung: Das Methan kann in das Erdgasnetz eingespeist und bei niedrigen Erträgen durch Wind und Sonne z. B. in Blockheizkraftwerken problemlos zurückverstromt werden. Das Besondere an der Stuttgarter Power-to-Gas-Forschungsanlage ist die Reinheit des aus dem Wasserstoff gewonnenen Gases. Es besteht zu 99 % aus Methan – „so hochwertig wie russisches Erdgas“, sagt Dr. Michael Specht, Leiter des Fachgebiets Regenerative Energieträger und Verfahren am ZSW.

Mehr über die Forschung des ZSW erfahren Sie in unserem Video.

Gemeinsam forschen für die Batterie der Zukunft

Doch das ZSW ist im Südwesten bei weitem nicht das einzige Institut, das an Speichermöglichkeiten forscht: Eine Initiative von Wissenschaftlern aus Baden-Württemberg hat sich zum Ziel gesetzt, Vorreiter der Batterieforschung zu werden und damit die Energiewende, insbesondere die Elektromobilität, zu unterstützen. Für das Projekt Celest haben sich Wissenschaftler der Universität Ulm, des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) zusammengeschlossen. 

Kleine Speicher, großer Effekt

Denn auch kleinere Batteriespeicher mit ihren geringeren Kapazitäten können zur Versorgungssicherheit beitragen – v. a. wenn sie direkt dort stehen, wo der überschüssige Strom anfällt. Diese Aufgabe erfüllen heute oft Lithium-Ionen-Batterien, die in privaten oder öffentlichen Kellern an Photovoltaikanlagen auf dem Dach angeschlossen werden.  

Eine weitere Zukunftsidee hinsichtlich dezentraler Speicher, die bei uns erforscht wird: E-Autos in Privathaushalten könnten durch eine intelligente Aufladesteuerung Energie aus dem Netz speichern und so zur Netzstabilität beitragen. Vorangetrieben wird diese Idee am Energy Smart Home Lab des Karlsruher Instituts für Technologie.

Neue Materialien, neue Möglichkeiten

Doch es geht nicht nur um die Einsatzmöglichkeiten, sondern auch um die Materialien: Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler experimentieren mit Innovationen für die Kernelemente, um Batterien noch effizienter, sicherer und günstiger zu gestalten. 

Ein Beispiel ist die Blei-Gel-Batterie, eine spezielle Bauform des bekannten Blei-Akkus. Während Blei-Akkus traditionell Schwefelsäure enthalten, wird die Leitflüssigkeit hier mit Kieselsäure gebunden. Die Gel-Batterie ist vollständig verschlossen. Damit ist sie besonders wartungsarm. Weitere Vorteile der Technologie: Blei-Gel-Akkus können sehr hohe Stromstärken erzeugen, was für den Heimbereich wichtig ist. Sie gelten darüber hinaus als eine der kostengünstigsten Speicherlösungen im Photovoltaik-Bereich. 

Eine besonders kreative Lösung entdeckte das Ulmer Helmholtz-Institut: Dem Team um Prof. Maximilian Fichtner ist es gelungen, aus Hühnereischalen Anodenmaterial für Batterien herzustellen. Das Team forscht nun daran, seinen Lösungsansatz weiter zu optimieren.  

Bei Speichern geht’s nicht nur um Strom

Erneuerbare Energien lassen sich allerdings nicht nur als elektrische Energie nutzen, sie können auch zum Heizen verwendet werden. Für die Wärmeenergie gibt es ebenfalls innovative Speichermöglichkeiten: z. B. Eisspeicher für Privathäuser und Unternehmen. Sie bestehen aus einer in den Boden eingelassenen, mit Leitungswasser gefüllten Zisterne und einer Wärmepumpe, die ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel durch ein Rohrsystem in der Zisterne pumpt. Im Winter entzieht die Wärmepumpe dem Zisternenwasser solange Wärme, bis dieses komplett durchgefroren ist: die Zisterne wird dadurch zum „Eisspeicher“. Zum Ende der Heizperiode, im Sommer, steht der durchgefrorene Eisspeicher dann wiederum zur Kühlung des Gebäudes zur Verfügung. 

Im Energieatlas BW können Sie sich über ein erfolgreiches Eisspeicherprojekt des Nagolder Unternehmens Schnepf informieren. 

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