Stromspeicher im Vergleich: eine Infrastruktur für die Energiewende

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 - eine Cloud für den Strom. 

Speichermedien für Strom wurden und werden immer weiter erforscht und ihre Effektivität wird 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 Kohle- oder Atomkraftwerke zurück, was natürlich nicht im Sinn der Energiewende sein kann. Mit Hilfe von Stromspeichern 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.

Pumpspeicherkraftwerke

In Deutschland sind zurzeit 31 Pumpspeicherkraftwerke in Betrieb. Auch wenn diese Pumpspeicher nicht nur zur Speicherung regenerativ erzeugten Stroms eingesetzt werden, sind sie auch für die Energiewende interessant, da ihre Speicherkapazitäten die von Batteriespeichern bei Weitem übersteigen. Pumpspeicherkraftwerke verwenden eine seit langem erprobte Technik und können sehr schnell auf Schwankungen im Netz reagieren.

In Pumpspeicherkraftwerken wird mit Hilfe der zu speichernden Energie Wasser aus einem Unter- in ein Oberbecken gepumpt. Steigt die Strom-Nachfrage wieder, lässt man das Wasser aus dem Ober- in das Unterbecken fließen. Dabei treibt das Wasser Turbinen an, die Strom erzeugen.

Als besonderer Vorteil von Pumpspeicherkraftwerken gilt deren Schwarzstartfähigkeit, d. h., sie können nach einem großflächigen Stromausfall unabhängig vom Netz hochgefahren werden und so das Stromnetz wieder aufbauen. Diesen Vorteil bieten Batteriespeicher nach gegenwärtigem Stand nicht. Es gibt allerdings Pilotprojekte (z. B. in Schwerin beim Energieversorger Wemag), die das Ziel haben, Batteriespeicher ebenfalls schwarzstartfähig zu machen.

Die zentrale Lage von Pumpspeicherkraftwerken führt dazu, dass der Strom erst weit transportiert werden muss, bevor er gespeichert werden kann – Somit ist diese Form der Speicherung stark von den Stromnetzen abhängig, die sie eigentlich entlasten soll. Zudem ist der Wirkungsgrad von mindestens 65 % bis 80 % geringer als der einiger Batteriespeicher. Die massiven Eingriffe in die Landschaft, die sich beim Bau von Pumpspeicherkraftwerken nicht vermeiden lassen, stoßen in der Bevölkerung auf wenig Akzeptanz.

Druckluft

Eine weitere Form der Energiespeicherung, in die viel Hoffnung gesetzt wird, ist die Speicherung mittels Druckluft. Das Grundprinzip ist die Komprimierung und Speicherung der Luft in unterirdischen Kavernen. Um wieder Strom zu gewinnen, lässt man die Luft aus den Kavernen entweichen. Sie treibt eine Turbine an und erzeugt so Strom. Jedoch ist diese einfache Form der Druckluft-Speicherung im Vergleich zu anderen Speicherformen unwirtschaftlich, da die bei der Komprimierung der Luft entstehende Wärme verloren geht und nicht weiter genutzt wird. Wenn die Luft entweicht, muss jedoch wieder Energie zugeführt werden, um ein Vereisen der Turbinen zu verhindern. Der Wirkungsgrad von Druckluft-Speichern wird mit etwa 50 % angegeben.

Da zur Stromerzeugung zusätzlich zur Druckluft weitere Energie benötigt wird, arbeiten die bisher weltweit zwei Druckluftkraftwerke (in Huntorf, Deutschland und McIntosh, USA) mit einem Gasturbinen-Kraftwerk. Die entweichende Druckluft wird mit Erdgas vermischt und treibt eine Gasturbine an. Als nachhaltig kann diese Form der Energieerzeugung aber kaum bezeichnet werden, da Erdgas bisher hauptsächlich aus fossilen Quellen gewonnen wird. Eine mögliche zukünftige Alternative könnten Druckluftspeicherkraftwerke mit sogenanntem adiabatischem Betrieb darstellen: Hier wird die bei der Komprimierung entstehende Wärme gespeichert und später zur Erwärmung der entweichenden Luft eingesetzt, um ein Vereisen der Turbinen zu verhindern. Es wird kein zusätzliches Erdgas benötigt.

Der große Vorteil dieser Speicherform gegenüber anderen Speichern: Sie nutzt unterirdische Speicher wie Salzstöcke oder leere Gas-Kavernen und greift optisch nicht in die Landschaft ein. Ein weiterer Vorteil ist die im Vergleich zu Batterie-Speichern größere Speicherkapazität. Wie Pumpspeicherkraftwerke sind auch Druckluftspeicherkraftwerke in der Regel zu einem Schwarzstart in der Lage.

Allerdings gibt es nur wenige vielversprechende Projekte im Bereich der Druckluftspeicherung. Die Planungen für das deutsche Druckluftspeicherkraftwerk in Staßfurt, Sachsen-Anhalt, ruhen derzeit, da dem Projekt die „konkrete[…] Marktperspektive“ fehle (Christian Metzger, RWE).

Power-to-Gas

Die Power-to-Gas-Speichermethode wird heutzutage noch nicht besonders oft eingesetzt, da ihr Wirkungsgrad (etwa 80 %, bei Rückverstromung des erzeugten Wasserstoffs ca. 40 %) noch nicht die Höhe von Lithium-Ionen-Akkus oder Redox-Flow-Batterien erreicht. Der große Vorteil: Die Methode ist gut erforscht und nutzt eine vorhandene Infrastruktur. Mit Power-to-Gas lassen sich Energiereserven über besonders lange Zeit nahezu verlustfrei lagern.

Der überschüssige Strom wird nicht direkt gespeichert, sondern dazu genutzt, Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Der Wasserstoff kann direkt ins vorhandene Erdgas-Netz eingespeist und z. B. für Brennstoff-Zellen oder in Blockheizkraftwerken zur Stromerzeugung genutzt werden. Lässt man den Wasserstoff mit CO2 reagieren, erhält man Methan. Dieses kann seinerseits in Gaskraftwerken genutzt werden, um Strom zu erzeugen.

Power-to-Gas bietet gegenüber Pumpspeicherkraftwerken und Druckluftspeichern den enormen Vorteil, dass Einlagerung und Transport des gespeicherten Stroms im bestehenden Erdgas-Netz stattfinden, das enorme Kapazitäten besitzt. Gegen die Kapazitäten von 200 TWh kommen alle deutschen Pumpspeicherkraftwerke mit einer kombinierten Kapazität von 0,04 TWh bei Weitem nicht an. Wenn am Ausbau der Stromnetze weiter wie bisher gespart werden soll, führt an Power-to-Gas kein Weg vorbei.

Zudem ist Power-to-Gas enorm vielseitig: Mit Methan werden Heizungen und Gasherde betrieben. Es dient als Treibstoff für Autos. Aus Wasserstoff und Methan wird Strom erzeugt. Die Auslastung deutscher Gaskraftwerke würde wieder steigen. Durch die Erzeugung synthetischen Methans aus erneuerbarem Strom wird die Umweltbilanz verbessert und Treibhausgase werden eingespart.

Der zurzeit im Vergleich zu anderen Technologien noch relativ niedrige Wirkungsgrad, der von Gegnern gerne vorgebracht wird, um Power-to-Gas hinten anzustellen, ist nur ein scheinbares Gegenargument: 

Jede Technik, die die Abschaltung von Windkraftanlagen verhindert und die Speicherung von Strom ermöglicht, anstatt diesen verfallen zu lassen, ist besser als den „kostenlosen“ Strom aus Wind und Sonne gar nicht erst zu erzeugen. In jedem Fall können die Kosten für Entschädigungen an die Anlagenbetreiber reduziert werden.