Energiespeicher der Zukunft: Überblick und innovative Ideen

Die Energiewende geht mit großen Schritten voran: In vielen Bereichen werden fossile Brennstoffe durch erneuerbare Energien ersetzt. Das Problem dabei: Windkraft und Solarenergie unterliegen natürlichen Schwankungen wie Witterung, Tages- und Jahreszeiten. Daher werden effektive Speichertechnologien immer wichtiger, um Energie zu speichern und eine flächendeckende Versorgung mit klimaneutralen Energien zu sichern.   

Wir geben Ihnen in diesem Beitrag einen Überblick über die bereits vorhandenen Speichersysteme und innovative Ansätze für die Energiespeicher der Zukunft. 
 

Warum werden Energiespeicher in Zukunft immer wichtiger?

Ob Privathaushalte oder Industrie – wir sind es gewohnt, Energie jederzeit und in nahezu beliebiger Menge auf Knopfdruck nutzen zu können. Möglich ist das, weil sich mittels fossiler Brennstoffe wie Kohle, Gas und Erdöl relativ beständig Energie erzeugen lässt. Das funktioniert mit erneuerbaren Energien nicht: Insbesondere Windkraft und Solarenergie stehen nicht gleichbleibend und dauerhaft zur Verfügung. Eine planbare Energieversorgung aber ist enorm wichtig. Nicht nur für die flächendeckend gesicherte Versorgung von Industrie und Haushalten, sondern auch für die Stabilität unserer Stromnetze.

Die Lösung sind Energiespeicher. Sie speichern in Überschussphasen erzeugte Energie für den späteren Verbrauch und sind eine der zentralen Schlüsseltechnologien für die Energiewende. Dabei gibt es neben stationären Speicherlösungen auch die Idee, Elektroautos selbst als mobile Speicher zu nutzen, die mit erneuerbaren Energien geladen und an verschiedenen Orten genutzt werden können.

Die Entwicklungsziele hängen immer von der Anwendung ab. Die wichtigsten Forschungsfelder sind dabei: Kosten, Rohstoffbedarf, Energiedichte, Leistungsfähigkeit, Zyklenfestigkeit und kalendarische Lebenszeit.

Welche Speichersysteme gibt es bereits für erneuerbare Energien?

Es gibt bereits heute zahlreiche Speichersysteme für Energie aus erneuerbaren Quellen. Batteriespeicher und Kondensatoren beispielsweise speichern nachhaltig erzeugten elektrischen Strom, während Wärmespeicher thermische Energie bevorraten. Dabei unterscheidet man primär zwischen Kurzzeit- und Langzeitspeichern. 

Kurzzeitspeicher können innerhalb kürzester Zeit aufgeladen und entladen werden. Ein Beispiel für Kurzzeitspeicher sind Batteriespeicher, die mit einer Photovoltaikanlage verbunden sind: Sie speichern den Strom für die nächsten Tage, aber nicht dauerhaft. 

Langzeitspeichersysteme wie zum Beispiel Wasserkraftwerke, Wasserstoff- oder Methanspeicher sind in der Lage, Energie aus erneuerbaren Quellen über mehrere Wochen zu bevorraten. 

 

Pumpspeicherkraftwerke

Pumpspeicherkraftwerke sind Wasserkraftwerke und mit einem Anteil von knapp 90 % die derzeit führende Speicheroption für erneuerbare Energien. Ihre Kapazitäten sind groß genug, um einen stabilen Netzbetrieb zu gewährleisten. Die umweltschädliche Braunkohle beispielsweise wurde so als Grundlastbringer überflüssig.  

Das Funktionsprinzip eines Pumpspeicherkraftwerks ist einfach: Auf einer Anhebung wird Wasser in Form eines Speichersees bevorratet. Zur Stromerzeugung lässt man das Wasser über ein starkes Gefälle in ein Auffangbecken abfließen. Die Bewegungsenergie des Wassers wird dabei auf Wasserturbinen übertragen, die sie mit Hilfe eines Generators in elektrische Energie umwandeln. Wird mehr Energie erzeugt, als gerade verbraucht wird, nutzt das Pumpspeicherkraftwerk den Überschuss, um bereits abgeflossenes Wasser wieder ins Oberbecken zu pumpen. 

Pumpspeicherkraftwerke sind in sich geschlossene Speicher- und nachhaltige Energiegewinnungskreisläufe mit einem Wirkungsgrad von circa 75–80 %. Hochgerechnet können die derzeit circa 30 deutschen Pumpspeicherkraftwerke mit einer Netto-Gesamtleistung von 6.500 MW knapp 4,5 Millionen Haushalte mit Strom versorgen.  

Ein Nachteil ist, dass es nur wenige geeignete Standorte mit dem nötigen Gefälle gibt. Zudem braucht die Errichtung großer Pumpspeicherkraftwerke viel Platz und stellt oft erhebliche Eingriffe in die Natur dar. Daher ist davon auszugehen, dass ihre Bedeutung als Energiespeicher künftig abnehmen wird. 

 

Batteriespeicher

Batteriespeicher (auch Stromspeicher genannt) sind sowohl für Privathaushalte als auch in der Industrie die wichtigste Speichertechnologie für Strom aus Wind- und Sonnenenergie. Dabei werden die einst gängigen Blei-Säure-Akkus zunehmend von den deutlich leistungsfähigeren Lithium-Ionen-Akkus ersetzt. Lithium kommt auch in Smartphones, Tablets, Notebooks sowie beispielsweise in Elektroautos zum Einsatz und ist eine begrenzte Ressource. So hat sich der Preis für Lithiumkarbonat in den letzten Jahren mehr als verzehnfacht.  

 

Die Zukunftsfähigkeit von Batteriespeichern hängt vor allem von künftigen Produktions- und Verwertungsmethoden ab. Eine Herausforderung ist der steigende Bedarf und die gleichzeitig knapp werdenden Rohstoffe bei den aktuellen Technologien.

Wichtig ist die Erforschung von effektiven Lithium-Recyclingmethoden, um benötige Rohstoffe aus Systemen neu zu verwenden. Auch die Gewinnung von Lithium innerhalb von Europa und Deutschland ist eine Frage, mit der sich Wissenschaftler, Experten und Unternehmen beschäftigen. Wie Letzteres konkret aussehen kann, erfahren Sie in unserem Blogbeitrag Lithium aus Deutschland – bald schon Realität? 

Gesucht: Die Energiespeicher-Ideen der Zukunft

Unbedingte Voraussetzung für eine erfolgreiche Energiewende ist die flächendeckend gesicherte Energieversorgung von Privathaushalten und Industrie. Damit das gelingen kann, müssen die Energiespeicher der Zukunft gleichsam wirtschaftlich, nachhaltig, flexibel, vernetzungsfähig und leistungsstark sein. Die Forschung in diesem Bereich läuft auf Hochtouren. Noch aber fehlt es an marktreifen und wirtschaftlich effizienten Entwicklungen.  

Die besten Aussichten scheint derzeit Wasserstoff zu bieten. So hat das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie mit der nationalen Wasserstoffstrategie den „Handlungsrahmen für die künftige Erzeugung, den Transport, die Nutzung und Weiterverwendung von Wasserstoff und damit für entsprechende Innovationen und Investitionen“ geschaffen. Welche Vorteile Wasserstoff bietet, erklären wir weiter unten in diesem Beitrag. 

 

Welche Speicher-Technologie könnte es in Zukunft geben?

Die Energiewende bringt eine stärkere Vernetzung der Energiesektoren mit sich. Strom, Wärme und Mobilität auf Basis erneuerbarer Energien greifen immer enger ineinander. Der Speicherung elektrischer Energie kommt dabei eine zentrale Rolle zu. Denn Strom lässt sich mittels Solar- und Windkraftanlagen klimaneutral erzeugen und flexibel umwandeln. 

Unter dem Dachbegriff „Power-to-X“-Technologien (PtX) wird bereits intensiv an innovativen Lösungen für die Energiespeicher der Zukunft geforscht. „Power“ steht dabei für stetig erzeugte Stromüberschüsse, während das „X“ Platzhalter für die unterschiedlichen Energieformen und Einsatzzwecke. ist. Die wichtigsten „Power-to-X“-Technologien sind Power-to-Gas, Power-to-Heat und Power-to-Liquid. 

 

Power-to-Gas

Power-to-Gas meint die Erzeugung von Gas aus Strom. Mit Hilfe von Strom wird zunächst Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff getrennt. Der gewonnene Wasserstoff wird entweder ins Erdgasnetz eingespeist (zulässiges Verhältnis 1:9) oder vollständig für die Erzeugung von synthetischen Gasen wie Methan genutzt. Synthetisches Methan eignet sich beispielsweise hervorragend für die Verbrennung in Gasheizungen. Wasserstoff lässt er sich über lange Zeiträume speichern – etwa in Druckgasspeichern oder als Flüssigkeit bei Temperaturen von minus 253 Grad Celsius. 

Die Power-to-Gas-Technologie ist vielversprechend, aber noch nicht wirtschaftlich effizient ausgereift. Schon in 10 – 20 Jahren aber könnte Power-to-Gas eines der wichtigsten Energiespeichersysteme der Zukunft sein. 

 

Power-to-Heat 

Power-to-Heat steht für die Erzeugung von Wärme aus Strom. Die Idee ist, regenerative Energien für die Wärmeversorgung zu nutzen. Die technologischen Entwicklungen in diesem Bereich reichen von großtechnischen Durchlauferhitzern und elektrischen Industrieöfen über Stromdirekt-Heizungen und Wärmepumpen bis hin zu Elektrodenkesseln. 

Die meisten Power-to-Heat-Technologien befinden sich noch in der Entwicklungsphase und sind ebenfalls noch nicht wirtschaftlich effizient ausgereift. Wärmepumpen hingegen wandeln schon heute kosteneffizient Strom in Wärme um. Zudem kommen Wärmepumpen in flexiblen Kapazitäten zum Einsatz. Sowohl Privathäuser als auch ganze Ortschaften und Stadtteile lassen sich mit Wärmepumpensystemen für Heizung und Brauchwasser effektiv versorgen. Worauf beim Betrieb einer Wärmepumpe als Heizsystem im eigenen Zuhause über die Photovoltaikanlage zu achten ist, erfahren Sie in unserem Blogbeitrag Wärmepumpe mit Photovoltaik verbinden. 

 

Power-to-Liquid 

Power-to-Liquid erzeugt flüssigen Kraftstoff aus Strom. Ähnlich wie bei Power-to-Gas-Technologien wird zunächst Wasser mittels Elektrolyse in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten. Der Wasserstoff reagiert anschließend mit Kohlenstoffdioxid. In mehreren komplexen Arbeitsschritten entsteht zunächst synthetisches Gas, das abschließend zu klimaneutral produziertem Kerosin umgewandelt werden kann. Dieses kann als Treibstoff für die Luftfahrt oder Spezialfahrzeuge genutzt werden.

Eine Europäische Partnerschaft beginnt 2023 mit der Errichtung einer ersten industriellen Produktionsanlage in Norwegen, die bereits 2025 bis zu 100 Millionen Liter produzieren können soll. Das Konsortium will mit diesem Projekt den industriellen Beweis erbringen, dass Power-to-Liquid wirtschaftlich effizient arbeitet.

 

Carnot-Batterie 

Die Carnot-Batterie befindet sich, wie viele andere innovative Ansätze auch, noch in der Forschungsphase. Die Idee ist, Strom in einem Hochtemperaturspeicher in Wärme umzuwandeln, die dann mittels Flüssigsalzen, Steinen oder Flüssigmetallen nahezu verlustfrei gespeichert werden kann. Die Rückumwandlung in elektrische Energie soll sich mittels Dampfkraft vollziehen. Bisher gibt es keine konkrete Einschätzung, ob und ab wann die Carnot-Batterie marktreif entwickelt werden kann. 

 

Wasserstoff zur Energiespeicherung

In Wasserstoff als Energiespeicher der Zukunft werden große Hoffnungen gesetzt – das zeigt die oben bereits erwähnte nationale Wasserstoffstrategie der Bundesregierung. Ob Wasserstoff allerdings wirklich die vielgelobte "Zukunftstechnologie" ist, das wird sich erst noch zeigen müssen. Es gibt nämlich viele Anwendungsbeispiele, in denen Wasserstoff nicht ideal ist. In der passenden Anwendung kann Wasserstoff aber ein wichtiger Baustein sein.

Warum gilt Wasserstoff als so vielversprechend? 

Wasserstoff verbrennt nahezu emissionsfrei und kann enorm vielseitig eingesetzt werden, ob zum Heizen, in der Stahlindustrie, als Treibstoff für Fahrzeuge oder in der Raumfahrt. Zudem lässt sich Wasserstoff sehr gut über lange Zeiträume speichern. Darüber hinaus verspricht er hohe Energieerträge. So liefert ein Kilogramm Wasserstoff etwa so viel Energie wie 2,8 Kilogramm Benzin. Mithilfe von Strom aus Windkraft und Solarenergie lässt sich Wasserstoff nahezu vollständig klimaneutral erzeugen. Daher spricht man auch vom „grünen Wasserstoff“, der bei Bedarf wieder in Strom oder Wärme umgewandelt werden kann. 

Noch wird Wasserstoff vor allem in Druckgasspeichern und Flüssigspeichern bei minus 253 Grad Celsius gespeichert. Diese Methoden benötigen sehr viel Platz und Energie und sind daher nur bedingt wirtschaftlich. Ein neuer Ansatz für die Wasserstoffspeicherung ist aber bereits in der Entwicklung
 

Metallhydrid-Speicher für Wasserstoff 

Aktuelle Forschungen zur Wasserstoffspeicherung fokussieren sich unter anderem auf den Einsatz sogenannter Metallhydrid-Speicher. Metallhydride sind Metalle in Pulverform. Stark vereinfacht kann man sich Metallhydrid-Speicher wie eine Art Schwamm vorstellen, der Wasserstoff über lange Zeit hinweg nahezu verlustfrei speichert. Der große Vorteil wäre, dass weder Hochdruck noch enorme Minustemperaturen nötig sind, um Wasserstoff bedarfsgerecht zu speichern. Weniger Energieaufwand, weniger Platzbedarf, größere Flexibilität bei Transport und Lagerung – das würde die Wirtschaftlichkeit von Wasserstoff als Energiespeicher der Zukunft maßgeblich erhöhen. 

Im Zuge des EU-Projekts „HyCare“ entwickeln Wissenschaftler gemeinsam mit europäischen Partnern derzeit einen Tankprototypen, der bis zu fünf Tonnen Metallpulver und somit etwa 50 Kilogramm Wasserstoff auf engstem Raume aufnehmen und sicher speichern kann. Sollte das Forschungsprojekt erfolgreich sein, wäre das eine vielversprechende Basis für stationäre Wasserstoffspeicher – etwa für die Industrie oder auch Wasserstofftankstellen. 

 

Akkus aus Stein 

Ja, auch Akkus aus Stein könnten zu den Energiespeichersystemen der Zukunft zählen.

Beispiel 1: Eine Gruppe von Wissenschaftlern um Julio D'Arcy von der Washington University in St. Louis haben Ziegelsteine mittels Nanofasern eines leitfähigen Kunststoffs so modifiziert, dass sie Strom speichern und wieder abgeben können. So sollen 50 Ziegelsteine, kombiniert mit Solarzellen, eine Notbeleuchtung von circa 5 Stunden ermöglichen. 

Beispiel 2: Bereits seit 2019 ist in Hamburg-Altenwerder ein Energiespeicher aus Vulkangestein im Betrieb. Dort werden mittels erneuerbarer Energien circa 1.000 Tonnen Vulkangestein auf rund 750 Grad Celsius erhitzt. Dieser elektrothermische Energiespeicher (ETES) kann rund 130 Megawattstunden über eine Woche hinweg speichern und mittels einer Dampfturbine wieder in Strom umwandeln. Das Ziel ist, dass Anlagen wie diese schon in näherer Zukunft mehrere Gigawattstunden speichern. Das würde für die Stromversorgung mehrerer hunderttausend Privathaushalte genügen.

 

Betonkugel auf dem Meeresgrund 

Wie man über Gefälle und Wasserturbinen Strom erzeugen und speichern kann, haben wir bereits im Abschnitt Pumpspeicherkraftwerke skizziert. Letztlich nutzt die Idee Betonkugel auf dem Meeresgrund das gleiche Prinzip. Bei Stromüberschuss wird Wasser zutage gefördert, das bei einem Strommangel wieder abfließt und dabei Generatoren betreibt, die ihrerseits Strom erzeugen. Es gibt noch zahlreiche weitere Ideen und Ansätze, die in diese Richtung gehenEs bleibt spannend, welche sich als zukunftsfähig erweisen. 

 

Kondensatoren und Elektromobilität

Auch Kondensatoren bieten Potenziale als Energiespeicher der Zukunft. Kondensatoren werden bereits in E-Fahrzeugen eingesetzt und sind derzeit noch deutlich langlebiger als Batterien. Zudem kennzeichnen sie sich durch einen verhältnismäßig geringen Energieverlust. 

 

Fazit: Das Entwicklungspotenzial für Energiespeicher ist riesig

Der Weg in eine klimaneutrale Gesellschaft setzt eine ökologisch saubere Energieversorgung voraus. Dabei sind die Energiespeicher der Zukunft ein zentraler Baustein. So groß das Entwicklungspotenzial ist, so dringend ist die stabile, wirtschaftlich effiziente und flächendeckend gesicherte Versorgung von Industrie und Privathaushalten. 

Die Energiewende wird nur dann erfolgreich sein, wenn die Energiespeicher der Zukunft diesen Anforderungen gerecht werden. 

Die Bundesregierung setzt mit ihrer nationalen Wasserstoffstrategie verstärkt auf Wasserstoff als Energiespeicher. Wir werden sehen, welche technologischen Energiespeichersysteme noch entwickelt werden und sich letztendlich durchsetzen. 

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