Energiespeicher in der Wärmewende

Der weitere Ausbau Erneuerbarer Energien hängt stark von den verfügbaren Energiespeichern ab. Nur so kann eine flexible und ausgeglichene Versorgung mit Strom und Wärme stattfinden, wenn die benötigte Energie gerade nicht zur Verfügung steht. Diese Speicher können mechanischer, chemischer, elektrochemischer, elektrischer oder thermischer Art sein. Zur Speicherung der Energieformen gibt es unterschiedliche Verfahren, die alle verschiedene Vor- und Nachteile haben.

Auf dieser Seite informieren wir Sie neben Wärmespeichern auch über Stromspeicher, da diese im Rahmen der Sektorenkopplung als Zwischenspeicher fungieren können.

Agentur für Erneuerbare Energien e. V. (AEE)
Energiespeicher und ihre Bedeutung für die Sektorenkopplung

 

Prof. Dr. Volker Quaschning
Speicher für die Energiewende

Prof. Dr. Volker Quaschning
Dezentrale Speicher für die Energiewende

Pumpspeicherkraftwerke

Pumpspeicherkraftwerke werden häufig großtechnisch eingesetzt. Es ist die Speicherungstechnik, die sich bislang am besten bewährt hat. Dabei wird Wasser aus einem Unterbecken in ein Oberbecken gepumpt und dort gespeichert. Bei Bedarf wird das Wasser über eine Turbine abgelassen und ein Generator kann die potenzielle Energie des Wassers in elektrische Energie für Strom umwandeln. Um die Kosten der Anlage zu senken und gleichzeitig den Wirkungsgrad zu steigern, können Pumpe und Turbine zu einem Maschinensatz kombiniert werden.

Vorteile:

  • hoher Wirkungsgrad von 70 bis 80 Prozent
  • vergleichsweise hohe Speicherkapazität
  • flexibel zu steuern und schnell einzusetzen

Nachteile:

  • starker Eingriff ins Ökosystem
  • nur noch wenige geeignete Standorte in Deutschland

Druckluftspeicher

Bei Druckluftspeichern wird verdichtete Luft in geeigneten Behältern oder stoffdichten Hohlräumen, wie beispielsweise Drucklufttanks und Unterwasserballons eingeschlossen. Darin wird über sogenannte Verdichter komprimierte Luft eingebracht. Zur Energiegewinnung muss die Druckluft durch Turbinen, die Generatoren antreiben, entspannt werden. Auch hier wird mechanische Energie in elektrische umgewandelt.

Vorteile:

  • guter Windenergiespeicher
  • schnelle Verfügbarkeit und keine Notwendigkeit von Stromversorgung zum Hochfahren

Nachteile:

  • verbraucht mehr Strom als er generiert
  • an bestimmte Standortvoraussetzungen gebunden
  • benötigt Erdgas

Schwungradspeicher, Schwungmassespeicher

Durch Elektromotoren angetriebene Schwungräder speichern überschüssige elektrische Energie als Rotationsenergie (Bewegungs-, kinetische Energie). Um die gespeicherte Energie wieder nutzbar zu machen, wandelt ein Generator die Rotationsenergie wieder in elektrische Energie um. Ein sogenannter Frequenzumtrichter passt die elektrische Spannung an die Netzfrequenz an. Desto höher die Drehzahl des Schwungrades ist, desto mehr Energie kann gespeichert werden

Vorteile:

  • extrem hoher Wirkungsgrad von 95 Prozent
  • Abgabe der Energie in kürzester Zeit

Nachteile:

  • hohe Ruheverluste von etwa 20 Prozent pro Stunde
  • bedarf aufwendiger Kühlung

Supraleitende magnetische Energiespeicher

In einem supraleitenden magnetischen Energiespeicher (SMES) bildet sich ein energiespeicherndes Magnetfeld durch Gleichstrom, der aus einem Gleittrichter in einer Spule aus supraleitendem Material fließt. Wenn das Magnetfeld voll aufgeladen ist, wird die Stromzufuhr unterbrochen und die Spule durch einen ebenfalls aus supraleitendem Material bestehenden Schalter von einem Wechseltrichter getrennt. Um die gespeicherte Energie zu gewinnen, koppelt man den Stromkreis wieder an den Wechseltrichter, der den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt.

Vorteile:

  • Wirkungsgrad von 97 Prozent
  • teilweise Entladung möglich
  • hohe Energiedichte von 300 bis 3.000 Wh/kg (Wattstunden pro Kilogramm Masse)

Nachteile:

  • hoher Kühlungsaufwand

Superkondensatoren

Superkondensatoren, auch Doppelschichtkondensatoren, bestehen aus zwei Elektroden, an denen sich Ionen entgegengesetzter Ladung sammeln und hauchdünne Zonen von unbeweglichen Ladungsträgern bilden. Es kommt lediglich zu einer Verschiebung der Ladung.

Vorteile:

  • Wirkungsgrad von 85 bis 98 Prozent
  • hohe Leistungsdichte von rund 10.000 W/kg (Watt pro Kilogramm Masse)

Nachteile:

  • Selbstentladungsrate von bis zu 14 Prozent pro Monat
  • geringe Energiedichte von nur 5 bis 10 Wh/kg

© WEMAG AG

Zentrale Batteriespeicher

Zentrale Batteriespeicher bestehen aus zahlreichen Batterien, die zusammengeschlossen sind. Diese auch Quartierspeicher genannten Anlagen können Strom aus einem Niederspannungsnetz aufnehmen und gezielt wieder abgeben.

Virtuelle Kraftwerke sind viel komplexer. Schwarmkraftwerke beispielsweise können Strom jederzeit aufnehmen und abgeben. Dabei handelt es sich nicht um ein einzelnes Kraftwerk, sondern um den Zusammenschluss vieler, mitunter tausender verschiedener Energiespeicher.

Elektrochemische Speicher werden zudem nach ihrer Technologie unterschieden:

  • Blei-Säure-Akkumulator
  • Lithium-Ionen-Akkumulator
  • Natrium-Schwefel-Akkumulator
  • Redox-Flow Batterie

Die Chemische Speicherung läuft sektorenübergreifend ab, das heißt, dass verschiedene Energiesektoren miteinander verknüpft werden, zum Beispiel der Strom- mit dem Wärmesektor. Im Wärmebereich sind vor allem die Power-to Gas- und Power-to-Heat-Technologien von Bedeutung.

© bmp greengas GmbH

Power-to-Gas

Diese Energiespeicher wandeln Wasser durch Strom im Verfahren der Elektrolyse in Wasserstoff und danach teilweise noch in Methan um. Diese Gase werden dann in das Erdgasnetz eingespeist und dort gespeichert. Dieses ökologisch hergestellte Methangas hat somit dieselbe Struktur und dieselben Eigenschaften wie fossiles Erdgas. Es wird letztlich auch in Gastanks und Pipelines gespeichert.

Vorteile:

  • kann industrielles CO2 binden
  • bestehende Gasinfrastruktur kann zur Speicherung genutzt werden

Nachteile:

  • niedriger Wirkungsgrad
  • hohe Speicherkosten

© Kesselheld

Power-to-Heat

Power-to-Heat-Anlagen werden im Hochtemperaturbereich betrieben. Dabei werden Elektroden in Salzwasser im eigens dafür entwickelten Kessel erhitzt. Die erzeugte Wärme wird dann in Wärmespeichern oder Nah- und Fernwärmenetzen gespeichert.

Vorteile:

  • geringe Investitionskosten
  • sehr hoher Wirkungsgrad von fast 100 Prozent
  • hervorragende Energie- und Umweltbilanz bei Strom aus Erneuerbaren Energien
  • bei intern bezogenem Strom günstiger als mit konventionellen Energieträgern

Nachteile:

  • nicht bekannt

Sensible Wärmespeicher

Als Speichermedium für die sensiblen Wärmespeicher können vor allem Wasser, aber auch Gestein, Beton, Keramik, Stahl und Salz fungieren. Sie werden beim Beladen direkt oder über einen Wärmetauscher erwärmt und beim Entladen wieder abgekühlt. Die Vor- und Nachteile der einzelnen sensiblen Wärmespeicher unterscheiden sich durch ihr Material.

Latentspeicher

Latentspeicher nutzen die Aggregatzustandsänderungen der Speichermedien. Dabei werden diese durch Wärmezufuhr zum Schmelzen oder Verdampfen gebracht, ohne deren Temperatur zu erhöhen. Bei der Entladung wird die Wärme wieder abgegeben und das Speichermittel, häufig Paraffin, erstarrt oder verflüssigt sich wieder.

Vorteile:

  • energiesparend
  • lange Speicherdauer
  • geringer Platzbedarf und einfache Installation

Nachteile:

  • hohe Anschaffungskosten

Thermochemische Speicher

Thermochemische Speicher nutzen reversible chemische Reaktionen. Den Speichermedien Silikagel oder Zeolith werden beim Laden Wärme zugeführt und Wasser in Form von Dampf entzogen. Umgekehrt lagert sich zugeführter Wasserdampf an das Speichermittel an. Dabei wird Wärme freigesetzt.

Vorteile:

  • vergleichsweise hohe Energiedichten
  • hoher Wirkungsgrad
  • fast unbegrenzte Speicherdauer

Nachteile:

  • geringe Wärmeleitfähigkeit der eingesetzten Materialien

Energiespeicher im Vergleich

Energiespeicher in Mecklenburg-Vorpommern

Die herausragende Bedeutung von Energiespeichern wurde auch bereits in Mecklenburg-Vorpommern erkannt. So stellt Tobias Struck, Abteilungsleiter Speicher und Projekte bei der WEMAG AG, fest:

© WEMAG AG

„Seit zehn Jahren beschäftige ich mich bei der WEMAG mit innovativen Themen wie der Speicherung von elektrischer Energie und der Sektorenkopplung. Beides liegt eng beisammen mit der kurzzeitigen Speicherung von Elektrizität. In Batteriespeichern wird das Stromnetz stabil gehalten und indirekt der Ausbau erneuerbarer Energieanlagen ermöglicht. Diese wiederum sind Voraussetzung für die Sektorenkopplung, denn aus erneuerbarem Strom können andere, besser und länger speicherbare Energieträger, wie zum Beispiel Wasserstoff herstellen. Ebenso kann der grüne Strom direkt mittels Wärmepumpen oder indirekt als Nebenprodukt der Elektrolyse in Wärme umgewandelt und gespeichert werden.

Das Beste daran: die Wertschöpfung bleibt in der Region, somit sind Energiespeicher für mich die Zukunft.“

© WIND-Projekt

Regenerativer Wasserstoff Werder, Kessin, Altentreptow

Das RH2-WKA besteht aus einem Wasserstoffspeicher und einem Windpark mit 28 Windrädern. Die Anlage ist durch ein 380-kV-Windumspannwerk ans Stromnetz angebunden. Es zählt zu den leistungsstärksten Hybridkraftwerken Deutschlands.

Das Interesse national wie international ist groß. Windpark und Speicher wurden 2013 in Betrieb genommen und werden stetig weiter ausgebaut. So soll etwa eine Erdgasanbindung realisiert werden.

Speicherkapazität: ca. 30 mWh (Megawattstunden)

© WEMAG AG

Das Batteriespeicherkraftwerk in Schwerin ist ein echtes Vorzeigeprojekt. Es verfügt nach seinem Ausbau 2017 über einen technischen Verbund aus 53.444 Lithium-Ionen-Akkus in 215 Batterieschränken, 18 Wechselrichtern, neun Transformatoren und einer Mittelspannungsanlage, die eine Leistung von 10 MW erreichen. Damit ist der Speicher der WEMAG AG der größte Lithium-Batterien-Verbund in Europa. Und es gibt noch Ausbaureserven.

Speicherkapazität: 15 mWh

© Stadtwerke Rostock AG

Dieser Wärmespeicher (Power-to-Heat) befindet sich derzeit noch im Bau. Das Projekt wird von den Stadtwerken Rostock in Zusammenarbeit mit dem Übertragungsnetzbetreiber 50Hertz Transmission geleitet und umgesetzt. Es soll ein sogenanntes Wind-Wärme-Speichersystem erproben, das erstmals einen Wärmespeicher direkt energetisch und steuerungstechnisch mit Windenergieanlagen verbunden und für eine Nahwärmeversorgung im Quartiermaßstab eingesetzt wird.

Das wäre eine innovative Möglichkeit einer Power-to-Heat-Speicherung. Zur Auswertung der Ergebnisse wird das Projekt von einem Forschungsteam begleitet. Die Leistung der Anlage, die gleichzeitig das Stromnetz und das Klima entlastet, soll 20 MW betragen.

Speicherkapazität: ca. 8 mWh