Energiespeicher

Der Staudamm Llyn Stwlan des Pumpspeicherkraftwerks Ffestiniog in Wales. Das untere Kraftwerk verfügt über vier Wasserturbinen, die für mehrere Stunden insgesamt 360 MW Strom erzeugen können - ein Beispiel für künstliche Energiespeicherung und -umwandlung. ⓘ

Unter Energiespeicherung versteht man das Auffangen von Energie, die zu einem bestimmten Zeitpunkt erzeugt wurde, um sie zu einem späteren Zeitpunkt zu nutzen und so Ungleichgewichte zwischen Energiebedarf und Energieerzeugung zu verringern. Ein Gerät, das Energie speichert, wird im Allgemeinen als Akkumulator oder Batterie bezeichnet. Energie gibt es in verschiedenen Formen, z. B. als Strahlung, chemische Energie, Gravitationspotenzial, elektrisches Potenzial, Elektrizität, erhöhte Temperatur, latente Wärme und kinetische Energie. Bei der Energiespeicherung geht es darum, Energie aus schwer speicherbaren Formen in bequemer oder wirtschaftlicher speicherbare Formen umzuwandeln. ⓘ

Einige Technologien ermöglichen eine kurzfristige Energiespeicherung, während andere eine wesentlich längere Lebensdauer haben. Bei der Speicherung von Massenenergie dominieren derzeit Wasserkraftwerke, sowohl konventionelle als auch Pumpspeicherwerke. Die Energiespeicherung im Netz ist eine Sammlung von Methoden, die zur Energiespeicherung in großem Maßstab innerhalb eines Stromnetzes eingesetzt werden. ⓘ

Gängige Beispiele für die Energiespeicherung sind die wiederaufladbare Batterie, die chemische Energie speichert, die leicht in Elektrizität umgewandelt werden kann, um ein Mobiltelefon zu betreiben, der Staudamm, der Energie in einem Stausee als potenzielle Gravitationsenergie speichert, und Eisspeicher, in denen Eis gespeichert wird, das durch billigere Energie in der Nacht gefroren wird, um den Spitzenbedarf an Kühlung während des Tages zu decken. Fossile Brennstoffe wie Kohle und Benzin speichern uralte Energie, die von Organismen aus dem Sonnenlicht gewonnen wurde, die später starben, begraben wurden und dann im Laufe der Zeit in diese Brennstoffe umgewandelt wurden. Lebensmittel (die nach demselben Verfahren wie fossile Brennstoffe hergestellt werden) sind eine Form von Energie, die in chemischer Form gespeichert ist. ⓘ

Geschichte

Im Stromnetz des 20. Jahrhunderts wurde elektrische Energie weitgehend durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt. Wenn weniger Energie benötigt wurde, wurde auch weniger Brennstoff verbrannt. Die Wasserkraft, eine mechanische Energiespeichermethode, ist die am weitesten verbreitete mechanische Energiespeicherung und wird seit Jahrhunderten genutzt. Große Wasserkraftwerke werden seit mehr als hundert Jahren als Energiespeicher genutzt. Die Besorgnis über Luftverschmutzung, Energieimporte und die globale Erwärmung haben das Wachstum der erneuerbaren Energien wie Solar- und Windenergie vorangetrieben. Die Windenergie ist unkontrolliert und kann zu einem Zeitpunkt erzeugt werden, zu dem keine zusätzliche Energie benötigt wird. Die Solarenergie schwankt mit der Bewölkung und ist bestenfalls nur während des Tages verfügbar, während die Nachfrage oft nach Sonnenuntergang ihren Höhepunkt erreicht (siehe Entenkurve). Das Interesse an der Speicherung von Strom aus diesen intermittierenden Quellen wächst in dem Maße, in dem die Industrie für erneuerbare Energien einen größeren Anteil am Gesamtenergieverbrauch erzeugt. ⓘ

Im 20. Jahrhundert war die netzunabhängige Stromnutzung ein Nischenmarkt, doch im 21. Jahrhundert hat sie sich ausgeweitet. Tragbare Geräte werden auf der ganzen Welt eingesetzt. Solarzellen sind heute weltweit in ländlichen Gegenden weit verbreitet. Der Zugang zu Elektrizität ist heute eine Frage der Wirtschaftlichkeit und der Finanzierbarkeit und nicht mehr nur der technischen Aspekte. Elektrofahrzeuge ersetzen nach und nach Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Die Entwicklung von Fahrzeugen für den Langstreckentransport ohne Verbrennungsmotor ist jedoch noch nicht abgeschlossen. ⓘ

Methoden

Elektrische Energie lässt sich nur in verhältnismäßig geringer Mengen in Kondensatoren oder supraleitenden Spulen direkt speichern. Deshalb ist es wirtschaftlicher, die Energie verlustbehaftet in eine andere Energieart umzuwandeln und bei Bedarf wiederum mit Energieverlust zurückzuwandeln. Während der Speicherdauer verliert der Speicher selber Energie. Die Summe aller Einzelverluste kann erheblich sein und das Verfahren insgesamt unwirtschaftlich machen. ⓘ

Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens steht bei Energiespeicherung meist im Vordergrund, also die Investitions- und Betriebskosten der Anlage und der Gesamtwirkungsgrad. Es geht zumindest bei großen Anlagen meist nicht um eine kurzfristige Leistungserhöhung. Bei sehr kleinen Anlagen wie beim Elektronenblitz steht manchmal die Leistungserhöhung im Vordergrund, weil beispielsweise die ursprüngliche Energiequelle nicht ausreichend Leistung abgeben kann. Auch hybride Speichersysteme sind möglich, um längerfristig geringe oder kurzfristige hohe Leistungsbedarfe bereitzustellen. ⓘ

Bei häuslichen Photovoltaikanlagen werden derzeit ausschließlich Batteriespeicher eingesetzt. ⓘ

Verfahren	max. Leistung in MW	Lebensdauer in Zyklen	Wirkungsgrad in %	Selbstentladung in %/h	Investition in €/kWh Speicherkapazität	Kosten für jede gespeicherte kWh in Eurocent	Energiedichte in Wh/kg	Typ. Zeit der Entladung bei üblicher Baugröße ⓘ
Normaler Kondensator	0,01	100 Mio.	95	0,01			0,03	0,01 s
Superkondensator	0,1	0,5 Mio.	90	0,2	10.000		5	100 s
supraleitende Spule	7	1 Mio	90	?	30–200		0,03	0,01 s
Schwungrad (Stahl, alte Bauart) 3.000 min−1	15	1 Mio	90	3–20	5000		6	100 s
Schwungrad (aufgewickelter CFK) 80.000 min−1	50	>100,000	95	0,1–10	500–1000			100 s
Batterie-Speicherkraftwerk (mit Blei-Akkumulatoren)	27	etwa 1000	80	0,01	100		30–120	4 h
LiFePO4 Akkumulator	?	8000 bei 100 % Entladungsgrad (DOD)	90	0,01	ca. 420		90	10 h
LiPo Akkumulator	?	80 % Restkapazität nach 500 Zyklen	88	0,01	300–400		60	7 h
Pumpspeicherkraftwerk	>3000	>1000	80	0	71	3–5 (Speicherdauer 1 Tag)	0,1–3,3	8 h
Druckluftspeicherkraftwerk	290	?	42–54	?	Pilotanlagen	2009: 5 (Speicherdauer 1 Tag)	9	2 h
Wasserstoff	0,2	30.000 h (Brennstoffzelle)	34–62	0,1	Versuchsanlagen	2009: 25 (unabhängig von Speicherdauer)	33.300	0,5 h
Methansynthese		?	30–54 (2011) >75 (2018)	< 0,00001	Versuchsanlagen		14.000	Wochen
Hochtemperatur-Wärmespeicher			40–50	0,01	Versuchsanlagen		100–200

Die Angaben beziehen sich auf die größten realisierten Anlagen im Dauerbetrieb. ⓘ

Anmerkungen:

• Die Leistungsbeschränkung bezieht sich in allen Fällen darauf, dass die gespeicherte Energie wieder durch eine „Umwandlungselektronik“ (z. B. einen Wechselrichter) in die ursprüngliche Art zurück gewandelt werden muss – das ist im Regelfall das 50-Hz-Netz. Die angegebenen Werte können ohne diese Rückumwandlung weit übertroffen werden, wenn man beispielsweise einen Kondensator oder einen Akkumulator kurzschließt – dann kann die Momentanleistung um den Faktor 10.000 oder mehr höher sein als in der Tabelle angegeben. In der Tabelle geht es aber um Energiespeicher und nicht um Leistungserhöhung.
• Die angegebenen Lebensdauern sind geschätzte Richtwerte und keine absoluten Grenzwerte. Beispielsweise kann ein Schwungrad lange vor Erreichen der 1-Mio-Grenze ausfallen oder früher verschrottet werden. Bei Akkus kann die Lebensdauer sehr unterschiedlich ausfallen. Ausschlaggebend dafür ist vor allem die Zellchemie und die Betriebsart. Bleibatterien haben eine eher kurze Lebensdauer, Lithium-Ionen-Akkumulatoren können je nach Betrieb bis zu mehrere 10.000 Zyklen genutzt werden (z. B. Lithiumtitanat-Akkumulator), wobei der Akkumulator meist schon bei einer Restkapazität ("state of health") von etwa 80 % als verschlissen gilt. Positiv für eine lange Haltbarkeit sind möglichst niedrige Entladeströme (in der Regel liegt die Maximalbelastung bei stationären Speichern bei etwa 0,5–1C), gemäßigte Temperaturen und eine geringe Entladetiefe im mittleren Ladezustandsbereich ("state of charge"). Beschleunigend für die Alterung wirken vor allem länger konstante Ladezustände nahe der Grenzwerte 0 % und 100 % und hohe Temperaturen. Häufig macht eine Second-Life Nutzung von gebrauchten Traktionsbatterien Sinn, da diese zwar nicht mehr praktikabel im Fahrzeug einzusetzen sind, aber für viele Jahre in einem stationären Speicher genutzt werden können, bevor sie letztendlich recycelt werden. Der bisher größte umgesetzte Second-Use Batteriespeicher befindet sich laut Daimler in Lünen, wo gebrauchte Batterien aus Smart ed Fahrzeugen zu einem 13 MWh Energiespeicher gebündelt wurden. Auch neuwertige Traktionsbatterien können zum Einsatz kommen. So betreibt ebenfalls Daimler einen 15 MWh großen Speicher mit 3000 Ersatzmodulen für Smart-Fahrzeuge. Da die Module regelmäßig geladen werden müssen um der Tiefentladung vorzubeugen, kann die Zyklisierung nebenbei auch noch zur Bereitstellung von Regelleistung genutzt werden. Der Zyklisierungsprozess findet laut der beteiligten Unternehmen sehr schonend statt, wodurch keine negativen Auswirkungen auf die Lebensdauer der Ersatzteile entstehen sollen.
• Bei Methan und Wasserstoff sind für den Wirkungsgrad jeweils die Verdichtung des Gases mit 80 bar (Erdgasleitung) berücksichtigt worden. Der bessere Wirkungsgrad bezieht sich hierbei auf die Möglichkeit der Erzeugung von Strom und Wärme (KWK). ⓘ

Vergleich der verschiedenen Energiespeichertechnologien ⓘ

Überblick

Die folgende Liste enthält verschiedene Arten von Energiespeichern:

• Speicherung fossiler Brennstoffe
• Mechanische
  • Feder
  • Druckluftenergiespeicher (CAES)
  • Feuerlose Lokomotive
  • Energiespeicherung im Schwungrad
  • Schwerkraft der festen Masse
  • Hydraulischer Akkumulator
  • Pumpspeicherkraftwerke (PHS, pumped hydroelectric storage, oder PSH, pumped storage hydropower)
  • Thermische Ausdehnung
• Elektrisch, elektromagnetisch
  • Kondensator
  • Superkondensator
  • Supraleitende magnetische Energiespeicher (SMES, auch supraleitende Speicherspule)
• Biologisch
  • Glykogen
  • Stärke
• Elektrochemisch (Batterie-Energiespeichersystem, BESS)
  • Durchfluss-Batterie
  • Wiederaufladbare Batterie
  • UltraBatterie
• Thermisch
  • Ziegelstein-Speicherheizung
  • Kryogener Energiespeicher, Flüssigluftspeicher (LAES)
  • Flüssigstickstoff-Motor
  • Eutektisches System
  • Klimatisierung von Eisspeichern
  • Speicher für geschmolzenes Salz
  • Phase-Change-Material
  • Saisonale thermische Energiespeicherung
  • Solarteich
  • Dampfspeicher
  • Thermische Energiespeicherung (allgemein)
• Chemie
  • Biokraftstoffe
  • Hydratisierte Salze
  • Speicherung von Wasserstoff
  • Wasserstoffsuperoxyd
  • Strom in Gas ⓘ

Mechanische

Energie kann in Wasser gespeichert werden, das mit Hilfe von Pumpspeichermethoden in höhere Lagen gepumpt wird, oder indem Feststoffe an höher gelegene Orte gebracht werden (Schwerkraftbatterien). Andere kommerzielle mechanische Methoden umfassen die Komprimierung von Luft und Schwungräder, die elektrische Energie in interne Energie oder kinetische Energie umwandeln und dann wieder zurück, wenn der Strombedarf Spitzenwerte erreicht. ⓘ

Elektrizität aus Wasserkraft

Staudämme mit Stauseen können so betrieben werden, dass sie in Spitzenzeiten Strom liefern. Das Wasser wird in Zeiten geringer Nachfrage im Stausee gespeichert und bei hoher Nachfrage abgelassen. Der Nettoeffekt ist ähnlich wie bei der Pumpspeicherung, allerdings ohne den Pumpverlust. ⓘ

Ein Staudamm speichert zwar nicht direkt Energie aus anderen Kraftwerken, verhält sich aber gleichwertig, indem er die Leistung in Zeiten überschüssigen Stroms aus anderen Quellen senkt. In diesem Modus sind Staudämme eine der effizientesten Formen der Energiespeicherung, da sich nur der Zeitpunkt der Erzeugung ändert. Die Anlaufzeit von Wasserturbinen liegt in der Größenordnung von wenigen Minuten. ⓘ

Gepumpte Wasserkraft

Der Sir Adam Beck Generating Complex an den Niagarafällen, Kanada, verfügt über ein großes Pumpspeicherwerk, das in Zeiten hoher Nachfrage zusätzliche 174 MW Strom liefert. ⓘ

Weltweit ist die Pumpspeicherung von Wasserkraft (PSH) die leistungsstärkste Form der aktiven Energiespeicherung im Netz, und im März 2012 berichtete das Electric Power Research Institute (EPRI), dass PSH mehr als 99 % der weltweiten Speicherkapazität ausmachen, was etwa 127 000 MW entspricht. Die Energieeffizienz von PSH schwankt in der Praxis zwischen 70 % und 80 %, mit Angaben von bis zu 87 %. ⓘ

In Zeiten geringer elektrischer Nachfrage wird die überschüssige Erzeugungskapazität genutzt, um Wasser aus einer tiefer gelegenen Quelle in ein höher gelegenes Reservoir zu pumpen. Wenn die Nachfrage steigt, wird das Wasser über eine Turbine in ein tiefer gelegenes Reservoir (oder einen Wasserweg oder ein Gewässer) zurückgeführt und Strom erzeugt. Umkehrbare Turbinen-Generator-Baugruppen fungieren sowohl als Pumpe als auch als Turbine (in der Regel eine Francis-Turbine). Nahezu alle Anlagen nutzen den Höhenunterschied zwischen zwei Gewässern. Bei reinen Pumpspeicherkraftwerken wird das Wasser zwischen Stauseen hin- und hergepumpt, während der "Pump-back"-Ansatz eine Kombination aus Pumpspeicherkraftwerken und konventionellen Wasserkraftwerken ist, die den natürlichen Flusslauf nutzen. ⓘ

Druckluftspeicher

Eine Druckluftlokomotive, die zwischen 1928 und 1961 in einem Bergwerk eingesetzt wurde. ⓘ

Bei der Druckluftspeicherung (CAES) wird überschüssige Energie genutzt, um Luft für die anschließende Stromerzeugung zu verdichten. Kleinere Systeme werden seit langem für den Antrieb von Grubenlokomotiven eingesetzt. Die komprimierte Luft wird in einem unterirdischen Reservoir, z. B. einem Salzstock, gespeichert. ⓘ

Anlagen zur Speicherung von Druckluftenergie (CAES) können die Lücke zwischen den Schwankungen der Erzeugung und der Last schließen. CAES-Speicher decken den Energiebedarf der Verbraucher, indem sie schnell verfügbare Energie zur Deckung der Nachfrage bereitstellen. Erneuerbare Energiequellen wie Wind- und Sonnenenergie schwanken. In Zeiten, in denen sie nur wenig Energie liefern, müssen sie durch andere Energieformen ergänzt werden, um den Energiebedarf zu decken. Druckluftspeicherkraftwerke können die überschüssige Energieproduktion der erneuerbaren Energiequellen in Zeiten der Überproduktion aufnehmen. Diese gespeicherte Energie kann zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden, wenn die Nachfrage nach Strom steigt oder die Verfügbarkeit von Energieressourcen sinkt. ⓘ

Bei der Komprimierung von Luft entsteht Wärme; die Luft ist nach der Komprimierung wärmer. Die Ausdehnung erfordert Wärme. Wenn keine zusätzliche Wärme zugeführt wird, ist die Luft nach der Expansion viel kälter. Wenn die bei der Kompression erzeugte Wärme gespeichert und bei der Expansion genutzt werden kann, verbessert sich der Wirkungsgrad erheblich. Ein CAES-System kann auf drei Arten mit der Wärme umgehen. Die Luftspeicherung kann adiabatisch, diabatisch oder isotherm sein. Ein anderer Ansatz nutzt Druckluft zum Antrieb von Fahrzeugen. ⓘ

Schwungrad

Die Hauptkomponenten eines typischen Schwungrads. ⓘ

Ein Flybrid-Schwungrad mit kinetischem Energierückgewinnungssystem. Es wurde für den Einsatz in Formel-1-Rennwagen entwickelt und dient der Rückgewinnung und Wiederverwendung der beim Bremsen gewonnenen kinetischen Energie. ⓘ

Bei der Schwungrad-Energiespeicherung (FES) wird ein Rotor (ein Schwungrad) auf eine sehr hohe Geschwindigkeit beschleunigt und die Energie als Rotationsenergie gespeichert. Wenn Energie zugeführt wird, erhöht sich die Drehzahl des Schwungrads, und wenn Energie entnommen wird, sinkt die Drehzahl aufgrund der Energieerhaltung. ⓘ

Die meisten FES-Systeme nutzen Strom, um das Schwungrad zu beschleunigen und abzubremsen, aber es werden auch Geräte in Betracht gezogen, die direkt mechanische Energie nutzen. ⓘ

FES-Systeme verfügen über Rotoren aus hochfesten Kohlefaserverbundwerkstoffen, die in Magnetlagern aufgehängt sind und sich mit Geschwindigkeiten von 20 000 bis über 50 000 Umdrehungen pro Minute (U/min) in einem Vakuumgehäuse drehen. Solche Schwungräder können innerhalb weniger Minuten ihre Höchstgeschwindigkeit erreichen (Aufladung"). Das Schwungradsystem ist an einen kombinierten Elektromotor/Generator angeschlossen. ⓘ

FES-Systeme haben eine relativ lange Lebensdauer (jahrzehntelang mit wenig oder gar keiner Wartung; für Schwungräder werden Lebensdauern von mehr als 10⁵ bis zu 10⁷ Nutzungszyklen angegeben), eine hohe spezifische Energie (100-130 W-h/kg oder 360-500 kJ/kg) und eine hohe Leistungsdichte. ⓘ

Schwerkraft der festen Masse

Die Veränderung der Höhe fester Massen kann über ein von einem Elektromotor/Generator angetriebenes Hebesystem Energie speichern oder freisetzen. Studien deuten darauf hin, dass die Energie bereits nach einer Vorwarnzeit von nur einer Sekunde freigesetzt werden kann, was die Methode zu einer nützlichen zusätzlichen Einspeisung in ein Stromnetz macht, um Lastspitzen auszugleichen. ⓘ

Der Wirkungsgrad der gespeicherten Energie kann bis zu 85 % betragen. ⓘ

Dies kann erreicht werden, indem die Massen in alten vertikalen Bergwerksschächten oder in speziell konstruierten Türmen untergebracht werden, wo die schweren Gewichte zur Energiespeicherung hochgezogen werden und die Energie durch kontrollierten Abstieg freigesetzt wird. Im Jahr 2020 wird in Edinburgh, Schottland, ein Prototyp eines vertikalen Speichers gebaut. ⓘ

Die potenzielle Energiespeicherung oder Schwerkraftspeicherung wurde 2013 in Zusammenarbeit mit dem California Independent System Operator aktiv entwickelt. Untersucht wurde die Bewegung von mit Erde gefüllten Trichterwagen, die von Elektrolokomotiven angetrieben werden, von niedrigeren zu höheren Lagen. ⓘ

Andere vorgeschlagene Methoden umfassen:- ⓘ

• Verwendung von Schienen, Kränen oder Aufzügen, um Gewichte nach oben und unten zu bewegen;
• Verwendung von solarbetriebenen Ballonplattformen in großer Höhe, die Winden zum Heben und Senken von darunter hängenden festen Massen tragen,
• Verwendung von Winden, die von einem Lastkahn getragen werden, um einen Höhenunterschied von 4 km zwischen der Meeresoberfläche und dem Meeresboden auszunutzen, ⓘ

Fernwärmespeicherturm von Theiss bei Krems an der Donau in Niederösterreich mit einer Wärmeleistung von 2 GWh ⓘ

Thermisch

Thermische Energiespeicherung (TES) ist die vorübergehende Speicherung oder Entnahme von Wärme. ⓘ

Sensible Wärmespeicherung

Sensible Wärmespeicher nutzen die fühlbare Wärme in einem Material, um Energie zu speichern. ⓘ

Die saisonale thermische Energiespeicherung (STES) ermöglicht die Nutzung von Wärme oder Kälte noch Monate, nachdem sie aus Abfällen oder natürlichen Quellen gewonnen wurde. Das Material kann in geschlossenen Aquiferen, in Bohrlöchern in geologischen Substraten wie Sand oder kristallinem Grundgestein, in ausgekleideten, mit Kies und Wasser gefüllten Gruben oder in wassergefüllten Minen gespeichert werden. Projekte zur saisonalen thermischen Energiespeicherung (STES) haben oft eine Amortisationszeit von vier bis sechs Jahren. Ein Beispiel dafür ist die Drake Landing Solar Community in Kanada, in der 97 % der ganzjährigen Wärme durch solarthermische Kollektoren auf den Garagendächern bereitgestellt wird, wobei ein thermischer Bohrlochspeicher (BTES) die Basistechnologie darstellt. In Braedstrup, Dänemark, nutzt das solare Fernwärmesystem der Gemeinde ebenfalls STES mit einer Temperatur von 65 °C (149 °F). Eine Wärmepumpe, die nur dann in Betrieb ist, wenn überschüssiger Windstrom aus dem nationalen Netz verfügbar ist, wird eingesetzt, um die Temperatur für die Verteilung auf 80 °C zu erhöhen. Steht kein überschüssiger Windstrom zur Verfügung, wird ein gasbefeuerter Heizkessel eingesetzt. Zwanzig Prozent der Wärme in Braedstrup wird solar erzeugt. ⓘ

Latentwärmespeicher (LHTES)

Latentwärme-Wärmespeichersysteme funktionieren durch die Übertragung von Wärme auf oder von einem Material, um dessen Phase zu ändern. Ein Phasenwechsel ist das Schmelzen, Verfestigen, Verdampfen oder Verflüssigen. Ein solches Material wird als Phasenwechselmaterial (PCM) bezeichnet. Die in LHTES verwendeten Materialien haben oft eine hohe latente Wärme, so dass der Phasenwechsel bei ihrer spezifischen Temperatur eine große Menge an Energie absorbiert, viel mehr als die fühlbare Wärme. ⓘ

Ein Dampfspeicher ist eine Art von LHTES, bei dem der Phasenwechsel zwischen Flüssigkeit und Gas stattfindet und die latente Verdampfungswärme von Wasser genutzt wird. Eisspeicher-Klimaanlagen nutzen Strom in der Schwachlastzeit, um Kälte zu speichern, indem Wasser zu Eis gefriert. Die im Eis gespeicherte Kälte wird während des Schmelzvorgangs freigesetzt und kann in Spitzenzeiten zur Kühlung verwendet werden. ⓘ

Kryogene thermische Energiespeicherung

Luft kann durch Kühlen mit Strom verflüssigt und mit bestehenden Technologien als Kryogen gespeichert werden. Die flüssige Luft kann dann durch eine Turbine entspannt und die Energie als Strom zurückgewonnen werden. Das System wurde 2012 in einer Pilotanlage im Vereinigten Königreich demonstriert. Für 2019 kündigte Highview Pläne für den Bau einer 50-MW-Anlage in Nordengland und Nord-Vermont an, wobei die geplante Anlage fünf bis acht Stunden Energie speichern kann, was einer Speicherkapazität von 250 bis 400 MWh entspricht. ⓘ

Carnot-Batterie

Elektrische Energie kann in Wärmespeichern durch Widerstandsheizung oder Wärmepumpen gespeichert werden, und die gespeicherte Wärme kann über den Rankine-Zyklus oder den Brayton-Zyklus wieder in Strom umgewandelt werden. Diese Technologie wurde untersucht, um bestehende kohlebefeuerte Kraftwerke in Systeme ohne fossile Brennstoffe umzurüsten. Kohlebefeuerte Kessel werden durch Hochtemperaturwärmespeicher ersetzt, die mit überschüssigem Strom aus variablen erneuerbaren Energiequellen geladen werden. Im Jahr 2020 beginnt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt mit dem Bau des weltweit ersten groß angelegten Carnot-Batteriesystems mit einer Speicherkapazität von 1.000 MWh. ⓘ

Elektrochemische

Wiederaufladbare Batterie

Eine wiederaufladbare Batteriebank, die als unterbrechungsfreie Stromversorgung in einem Rechenzentrum verwendet wird ⓘ

Eine wiederaufladbare Batterie besteht aus einer oder mehreren elektrochemischen Zellen. Sie werden als "Sekundärzellen" bezeichnet, weil ihre elektrochemischen Reaktionen elektrisch reversibel sind. Wiederaufladbare Batterien gibt es in vielen Formen und Größen, von Knopfzellen bis hin zu Megawatt-Netzsystemen. ⓘ

Wiederaufladbare Batterien haben geringere Gesamtnutzungskosten und Umweltauswirkungen als nicht wiederaufladbare (Einweg-)Batterien. Einige wiederaufladbare Batterietypen sind in denselben Formfaktoren wie Einwegbatterien erhältlich. Wiederaufladbare Batterien haben höhere Anschaffungskosten, können aber sehr billig wiederaufgeladen und viele Male verwendet werden. ⓘ

Gängige wiederaufladbare Batterietypen sind

• Blei-Säure-Batterie: Blei-Säure-Batterien haben den größten Marktanteil bei elektrischen Speicherprodukten. Eine einzelne Zelle erzeugt beim Aufladen etwa 2 V. Im geladenen Zustand sind die negative Elektrode aus metallischem Blei und die positive Elektrode aus Bleisulfat in einen verdünnten Schwefelsäure-Elektrolyten (H₂SO₄) eingetaucht. Bei der Entladung werden die Elektronen aus der Zelle verdrängt, da sich an der negativen Elektrode Bleisulfat bildet, während der Elektrolyt zu Wasser reduziert wird. ⓘ

• Die Blei-Säure-Batterie-Technologie wurde in großem Umfang entwickelt. Die Wartung erfordert nur minimalen Arbeitsaufwand und die Kosten sind gering. Die verfügbare Energiekapazität der Batterie unterliegt einer schnellen Entladung, was zu einer geringen Lebensdauer und einer niedrigen Energiedichte führt. ⓘ

• Nickel-Cadmium-Batterie (NiCd): Verwendet Nickeloxidhydroxid und metallisches Cadmium als Elektroden. Cadmium ist ein giftiges Element und wurde 2004 von der Europäischen Union für die meisten Anwendungen verboten. Nickel-Cadmium-Batterien sind fast vollständig durch Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH) ersetzt worden.
• Nickel-Metallhydrid-Akku (NiMH): Die ersten kommerziellen Typen waren 1989 erhältlich. Sie sind heute ein gängiger Verbraucher- und Industrietyp. Die Batterie hat eine wasserstoffabsorbierende Legierung für die negative Elektrode anstelle von Cadmium.
• Lithium-Ionen-Batterie: Sie werden in vielen Unterhaltungselektronikgeräten eingesetzt und haben eines der besten Energie-Masse-Verhältnisse sowie eine sehr langsame Selbstentladung, wenn sie nicht benutzt werden.
• Lithium-Ionen-Polymer-Akku: Diese Batterien haben ein geringes Gewicht und können in jeder gewünschten Form hergestellt werden. ⓘ

Durchfluss-Batterie

Eine Durchflussbatterie funktioniert, indem eine Lösung über eine Membran geleitet wird, wo Ionen ausgetauscht werden, um die Zelle zu laden oder zu entladen. Die Zellspannung wird chemisch durch die Nernst-Gleichung bestimmt und liegt in praktischen Anwendungen zwischen 1,0 V und 2,2 V. Die Speicherkapazität hängt vom Volumen der Lösung ab. Eine Durchflussbatterie ist technisch sowohl mit einer Brennstoffzelle als auch mit einer elektrochemischen Akkumulatorzelle verwandt. Kommerzielle Anwendungen sind die Speicherung langer Halbzyklen, z. B. als Reservestrom für das Netz. ⓘ

Superkondensator

Einer einer Flotte von Elektrobussen, die mit Superkondensatoren betrieben werden, an einer Schnellladestation-Bushaltestelle während der Expo 2010 in Shanghai, China. Über dem Bus sind Ladeschienen angebracht. ⓘ

Superkondensatoren, auch elektrische Doppelschichtkondensatoren (EDLC) oder Ultrakondensatoren genannt, sind eine Familie von elektrochemischen Kondensatoren, die kein herkömmliches festes Dielektrikum besitzen. Die Kapazität wird durch zwei Speicherprinzipien bestimmt, die Doppelschichtkapazität und die Pseudokapazität. ⓘ

Superkondensatoren schließen die Lücke zwischen herkömmlichen Kondensatoren und wiederaufladbaren Batterien. Sie speichern die meiste Energie pro Volumen- oder Masseneinheit (Energiedichte) unter den Kondensatoren. Sie haben eine Kapazität von bis zu 10.000 Farad/1,2 Volt, also das 10.000-fache von Elektrolytkondensatoren, können aber weniger als halb so viel Energie pro Zeiteinheit liefern oder aufnehmen (Leistungsdichte). ⓘ

Während Superkondensatoren eine spezifische Energie und Energiedichte haben, die etwa 10 % derjenigen von Batterien beträgt, ist ihre Leistungsdichte im Allgemeinen 10 bis 100 Mal höher. Dies führt zu wesentlich kürzeren Lade-/Entladezyklen. Außerdem vertragen sie viel mehr Lade- und Entladezyklen als Batterien. ⓘ

Superkondensatoren haben viele Anwendungsmöglichkeiten, darunter:

• Niedriger Versorgungsstrom für Speicher-Backups in statischen Random-Access-Speichern (SRAM)
• Energieversorgung für Autos, Busse, Züge, Kräne und Aufzüge, einschließlich Energierückgewinnung beim Bremsen, kurzfristige Energiespeicherung und Energiebereitstellung im Burst-Modus ⓘ

Chemie

Strom in Gas

Die neue Technologie trägt zur Reduzierung von Treibhausgasen und Betriebskosten in zwei bestehenden Spitzenlastkraftwerken in Norwalk und Rancho Cucamonga bei. Das 10-Megawatt-Batteriespeichersystem in Kombination mit der Gasturbine ermöglicht es dem Spitzenkraftwerk, schneller auf einen sich ändernden Energiebedarf zu reagieren und so die Zuverlässigkeit des Stromnetzes zu erhöhen. ⓘ

Power-to-Gas ist die Umwandlung von Strom in einen gasförmigen Brennstoff wie Wasserstoff oder Methan. Bei den drei kommerziellen Verfahren wird Strom verwendet, um Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. ⓘ

Bei der ersten Methode wird der Wasserstoff in das Erdgasnetz eingespeist oder für den Transport verwendet. Bei der zweiten Methode wird der Wasserstoff mit Kohlendioxid kombiniert, um durch eine Methanisierungsreaktion wie die Sabatier-Reaktion oder die biologische Methanisierung Methan zu erzeugen, was zu einem zusätzlichen Energieumwandlungsverlust von 8 % führt. Das Methan kann dann in das Erdgasnetz eingespeist werden. Die dritte Methode nutzt das Ausgangsgas eines Holzgasgenerators oder einer Biogasanlage, nachdem der Biogasaufbereiter mit dem Wasserstoff aus dem Elektrolyseur gemischt wurde, um die Qualität des Biogases zu verbessern. ⓘ

Wasserstoff

Das Element Wasserstoff kann eine Form der gespeicherten Energie sein. Wasserstoff kann über eine Wasserstoff-Brennstoffzelle Strom erzeugen. ⓘ

Bei einer Marktdurchdringung von weniger als 20 % des Netzbedarfs haben die erneuerbaren Energieträger keine gravierenden Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit; bei einem Anteil von mehr als 20 % des Gesamtbedarfs wird jedoch die externe Speicherung wichtig. Wenn diese Quellen zur Herstellung von ionischem Wasserstoff genutzt werden, können sie beliebig erweitert werden. In der abgelegenen Gemeinde Ramea in Neufundland und Labrador wurde 2007 ein fünfjähriges gemeindebasiertes Pilotprogramm mit Windturbinen und Wasserstoffgeneratoren gestartet. Ein ähnliches Projekt begann 2004 auf Utsira, einer kleinen norwegischen Insel. ⓘ

Die Energieverluste im Wasserstoffspeicherzyklus entstehen durch die Elektrolyse von Wasser, die Verflüssigung oder Komprimierung des Wasserstoffs und die Umwandlung in Strom. ⓘ

Für die Herstellung eines Kilogramms Wasserstoff werden etwa 50 kW-h (180 MJ) Solarenergie benötigt, so dass die Kosten für den Strom entscheidend sind. Bei einem Preis von 0,03 $/kWh, einem in den Vereinigten Staaten üblichen Tarif für Hochspannungsleitungen in Schwachlastzeiten, kostet der Wasserstoff 1,50 $ pro Kilogramm Strom, was einem Preis von 1,50 $/Gallone Benzin entspricht. Weitere Kosten fallen für die Elektrolyseuranlage, Wasserstoffkompressoren oder Verflüssigung, Lagerung und Transport an. ⓘ

Wasserstoff kann auch aus Aluminium und Wasser hergestellt werden, indem man die natürlich vorkommende Aluminiumoxid-Barriere des Aluminiums ablöst und sie mit Wasser verbindet. Diese Methode ist vorteilhaft, da recycelte Aluminiumdosen zur Wasserstofferzeugung verwendet werden können. Systeme zur Nutzung dieser Option sind jedoch noch nicht kommerziell entwickelt worden und sind wesentlich komplexer als Elektrolysesysteme. Zu den gängigen Methoden zur Entfernung der Oxidschicht gehören ätzende Katalysatoren wie Natriumhydroxid und Legierungen mit Gallium, Quecksilber und anderen Metallen. ⓘ

Bei der unterirdischen Wasserstoffspeicherung handelt es sich um die Speicherung von Wasserstoff in Kavernen, Salzstöcken und erschöpften Öl- und Gasfeldern. Große Mengen gasförmigen Wasserstoffs werden von Imperial Chemical Industries seit vielen Jahren problemlos in Kavernen gespeichert. Das europäische Hyunder-Projekt zeigte 2013, dass für die Speicherung von Wind- und Solarenergie mit unterirdischem Wasserstoff 85 Kavernen erforderlich wären. ⓘ

Powerpaste ist ein flüssiges Gel auf Magnesium- und Wasserstoffbasis, das bei der Reaktion mit Wasser Wasserstoff freisetzt. Es wurde vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) der Fraunhofer-Gesellschaft erfunden, patentiert und wird weiterentwickelt. Zur Herstellung von Powerpaste wird Magnesiumpulver bei 350 °C und dem fünf- bis sechsfachen des Atmosphärendrucks mit Wasserstoff zu Magnesiumhydrid verbunden. Anschließend werden ein Ester und ein Metallsalz hinzugefügt, um das fertige Produkt zu erhalten. Fraunhofer gibt an, eine Produktionsanlage zu bauen, die 2021 in Betrieb gehen und jährlich 4 Tonnen Powerpaste herstellen soll. Fraunhofer hat seine Erfindung in den Vereinigten Staaten und der EU patentieren lassen. Fraunhofer behauptet, dass Powerpaste in der Lage ist, Wasserstoffenergie mit der 10-fachen Energiedichte einer Lithiumbatterie ähnlicher Größe zu speichern, und dass es sicher und praktisch für den Einsatz im Auto ist. ⓘ

Methan

Methan ist der einfachste Kohlenwasserstoff mit der Summenformel CH₄. Methan lässt sich leichter speichern und transportieren als Wasserstoff. Die Infrastruktur für Speicherung und Verbrennung (Pipelines, Gasometer, Kraftwerke) ist ausgereift. ⓘ

Synthetisches Erdgas (Syngas oder SNG) kann in einem mehrstufigen Prozess hergestellt werden, der mit Wasserstoff und Sauerstoff beginnt. Wasserstoff wird dann in einem Sabatier-Prozess mit Kohlendioxid umgesetzt, wobei Methan und Wasser entstehen. Das Methan kann gespeichert und später zur Stromerzeugung verwendet werden. Das entstehende Wasser wird recycelt, wodurch der Wasserbedarf gesenkt wird. In der Elektrolysephase wird Sauerstoff für die Methanverbrennung in einer reinen Sauerstoffumgebung in einem benachbarten Kraftwerk gespeichert, wodurch Stickoxide vermieden werden. ⓘ

Bei der Methanverbrennung entstehen Kohlendioxid (CO₂) und Wasser. Das Kohlendioxid kann zur Verstärkung des Sabatier-Prozesses und das Wasser für eine weitere Elektrolyse zurückgewonnen werden. Bei der Herstellung, Lagerung und Verbrennung von Methan werden die Reaktionsprodukte recycelt. ⓘ

Das CO₂ hat als Bestandteil eines Energiespeichervektors einen wirtschaftlichen Wert und verursacht keine Kosten wie bei der Kohlenstoffabscheidung und -speicherung. ⓘ

Power-to-Liquid

Power-to-Liquid ist ähnlich wie Power-to-Gas, nur dass der Wasserstoff in Flüssigkeiten wie Methanol oder Ammoniak umgewandelt wird. Diese sind einfacher zu handhaben als Gase und erfordern weniger Sicherheitsvorkehrungen als Wasserstoff. Sie können für den Transport, einschließlich Flugzeugen, aber auch für industrielle Zwecke oder im Energiesektor verwendet werden. ⓘ

Biokraftstoffe

Verschiedene Biokraftstoffe wie Biodiesel, Pflanzenöl, Alkoholkraftstoffe oder Biomasse können fossile Kraftstoffe ersetzen. Verschiedene chemische Prozesse können den Kohlenstoff und Wasserstoff in Kohle, Erdgas, pflanzlicher und tierischer Biomasse und organischen Abfällen in kurze Kohlenwasserstoffe umwandeln, die als Ersatz für bestehende Kohlenwasserstoffkraftstoffe geeignet sind. Beispiele hierfür sind Fischer-Tropsch-Diesel, Methanol, Dimethylether und Synthesegas. Diese Dieselquelle wurde im Zweiten Weltkrieg in Deutschland, das nur begrenzt Zugang zu Rohöl hatte, ausgiebig genutzt. Aus ähnlichen Gründen wird in Südafrika der meiste Diesel aus Kohle hergestellt. Ein langfristiger Ölpreis von über 35 US$/Barrel könnte solche synthetischen Flüssigkraftstoffe in großem Maßstab wirtschaftlich machen. ⓘ

Aluminium

Aluminium wurde von einer Reihe von Forschern als Energiespeicher vorgeschlagen. Sein elektrochemisches Äquivalent (8,04 Ah/cm3) ist fast viermal so hoch wie das von Lithium (2,06 Ah/cm3). Energie kann aus Aluminium gewonnen werden, indem man es mit Wasser zu Wasserstoff umsetzt. Dazu muss es jedoch zunächst von seiner natürlichen Oxidschicht befreit werden, was eine Zerkleinerung, chemische Reaktionen mit ätzenden Substanzen oder Legierungen erfordert. Das Nebenprodukt der Reaktion zur Erzeugung von Wasserstoff ist Aluminiumoxid, das mit dem Hall-Héroult-Verfahren zu Aluminium recycelt werden kann, wodurch die Reaktion theoretisch erneuerbar ist. Wenn das Hall-Héroult-Verfahren mit Sonnen- oder Windenergie betrieben wird, könnte Aluminium zur Speicherung der erzeugten Energie mit höherem Wirkungsgrad als bei der direkten Solarelektrolyse verwendet werden. ⓘ

Bor, Silizium und Zink

Bor, Silizium und Zink sind als Energiespeicherlösungen vorgeschlagen worden. ⓘ

Andere Chemikalien

Die organische Verbindung Norbornadien wandelt sich bei Lichteinfall in Quadricyclan um und speichert Sonnenenergie als Energie chemischer Bindungen. Ein funktionierendes System wurde in Schweden als molekulares solarthermisches System entwickelt. ⓘ

Elektrische Methoden

Kondensator

Dieser mit Öl gefüllte Mylar-Film-Kondensator hat eine sehr niedrige Induktivität und einen geringen Widerstand, um die hohe Leistung (70 Megawatt) und die sehr hohe Geschwindigkeit (1,2 Mikrosekunden) der Entladungen zu ermöglichen, die für den Betrieb eines Farbstofflasers erforderlich sind. ⓘ

Ein Kondensator (ursprünglich als "Kondensator" bezeichnet) ist ein passives elektrisches Bauteil mit zwei Anschlüssen, das zur elektrostatischen Speicherung von Energie dient. Praktische Kondensatoren sind sehr unterschiedlich, enthalten aber alle mindestens zwei elektrische Leiter (Platten), die durch ein Dielektrikum (d. h. einen Isolator) getrennt sind. Ein Kondensator kann elektrische Energie speichern, wenn er von seinem Ladestromkreis getrennt ist. Er kann also wie eine temporäre Batterie oder wie andere wiederaufladbare Energiespeichersysteme verwendet werden. Kondensatoren werden häufig in elektronischen Geräten verwendet, um die Stromversorgung aufrechtzuerhalten, während die Batterien gewechselt werden. (Dies verhindert den Verlust von Informationen in flüchtigen Speichern.) Herkömmliche Kondensatoren liefern weniger als 360 Joule pro Kilogramm, während eine herkömmliche Alkalibatterie eine Dichte von 590 kJ/kg aufweist. ⓘ

Kondensatoren speichern Energie in einem elektrostatischen Feld zwischen ihren Platten. Bei einem Potenzialunterschied zwischen den Leitern (z. B. wenn ein Kondensator an eine Batterie angeschlossen ist) baut sich ein elektrisches Feld über dem Dielektrikum auf, wodurch sich positive Ladung (+Q) auf einer Platte und negative Ladung (-Q) auf der anderen Platte sammelt. Wenn eine Batterie für eine ausreichende Zeit an einen Kondensator angeschlossen ist, kann kein Strom durch den Kondensator fließen. Wird jedoch eine Beschleunigungs- oder Wechselspannung an die Anschlüsse des Kondensators angelegt, kann ein Verschiebungsstrom fließen. Neben Kondensatorplatten kann Ladung auch in einer dielektrischen Schicht gespeichert werden. ⓘ

Die Kapazität ist größer, wenn der Abstand zwischen den Leitern geringer ist und wenn die Leiter eine größere Oberfläche haben. In der Praxis gibt das Dielektrikum zwischen den Platten eine geringe Menge an Leckstrom ab und hat einen Grenzwert für die elektrische Feldstärke, der als Durchbruchspannung bezeichnet wird. Der Effekt der Erholung eines Dielektrikums nach einem Hochspannungsdurchbruch verspricht jedoch eine neue Generation von selbstheilenden Kondensatoren. Die Leiter und Leitungen bringen unerwünschte Induktivität und Widerstand mit sich. ⓘ

Die Forschung untersucht die Quanteneffekte von nanoskaligen Kondensatoren für digitale Quantenbatterien. ⓘ

Supraleitende Magnetik

Supraleitende magnetische Energiespeichersysteme (SMES) speichern Energie in einem Magnetfeld, das durch den Gleichstromfluss in einer supraleitenden Spule erzeugt wird, die auf eine Temperatur unterhalb ihrer kritischen Supraleitungs-Temperatur abgekühlt wurde. Ein typisches SMES-System besteht aus einer supraleitenden Spule, einem Stromaufbereitungssystem und einem Kühlschrank. Sobald die supraleitende Spule aufgeladen ist, klingt der Strom nicht mehr ab und die magnetische Energie kann unbegrenzt gespeichert werden. ⓘ

Die gespeicherte Energie kann durch Entladung der Spule an das Netz abgegeben werden. Der zugehörige Wechselrichter/Gleichrichter verursacht einen Energieverlust von etwa 2-3 % in jeder Richtung. Im Vergleich zu anderen Methoden der Energiespeicherung geht bei SMES die geringste Menge an Strom verloren. SMES-Systeme bieten einen Wirkungsgrad von mehr als 95 % im Umlauf. ⓘ

Aufgrund des Energiebedarfs für die Kühlung und der Kosten für supraleitende Drähte wird SMES für die Kurzzeitspeicherung eingesetzt, um beispielsweise die Stromqualität zu verbessern. Es gibt auch Anwendungen für den Netzausgleich. ⓘ

Anwendungen

Mühlen

Die klassische Anwendung vor der industriellen Revolution war die Steuerung von Wasserwegen zum Antrieb von Wassermühlen für die Getreideverarbeitung oder zum Antrieb von Maschinen. Komplexe Systeme von Stauseen und Dämmen wurden gebaut, um Wasser (und die darin enthaltene potenzielle Energie) zu speichern und bei Bedarf wieder abzugeben. ⓘ

Haushalte

Angesichts der zunehmenden Bedeutung der dezentralen Erzeugung erneuerbarer Energien (insbesondere der Photovoltaik) und des hohen Anteils des Energieverbrauchs in Gebäuden wird die Energiespeicherung in Privathaushalten voraussichtlich immer mehr an Bedeutung gewinnen. Um einen Selbstversorgungsgrad von 40 % in einem mit Photovoltaik ausgestatteten Haushalt zu erreichen, ist eine Energiespeicherung erforderlich. Mehrere Hersteller produzieren wiederaufladbare Batteriesysteme für die Energiespeicherung, in der Regel um überschüssige Energie aus der heimischen Solar- oder Windenergieerzeugung zu speichern. Für die Energiespeicherung in Privathaushalten sind heute Li-Ionen-Batterien den Blei-Säure-Batterien vorzuziehen, da sie ähnlich teuer, aber wesentlich leistungsfähiger sind. ⓘ

Tesla Motors stellt zwei Modelle der Tesla Powerwall her. Das eine ist eine 10-kWh-Wochenzyklusversion für Backup-Anwendungen und das andere ist eine 7-kWh-Version für Tageszyklusanwendungen. Im Jahr 2016 kostete eine begrenzte Version des Tesla Powerpack 2 $398(US)/kWh, um Strom im Wert von 12,5 Cent/kWh (durchschnittlicher US-Netzpreis) zu speichern, was eine positive Kapitalrendite zweifelhaft macht, solange die Strompreise nicht über 30 Cent/kWh liegen. ⓘ

RoseWater Energy stellt zwei Modelle des "Energy & Storage System" her, den HUB 120 und den SB20. Beide Versionen bieten eine Leistung von 28,8 kWh und eignen sich damit für den Betrieb größerer Häuser oder kleinerer Gewerbebetriebe sowie zum Schutz kundenspezifischer Anlagen. Das System bietet fünf Schlüsselelemente in einem System, einschließlich der Bereitstellung einer sauberen 60-Hz-Sinuswelle, Null-Übertragungszeit, Überspannungsschutz in Industriequalität, Netzrückspeisung erneuerbarer Energien (optional) und Batterie-Backup. ⓘ

Enphase Energy kündigte ein integriertes System an, das es Heimanwendern ermöglicht, Strom zu speichern, zu überwachen und zu verwalten. Das System speichert 1,2 kWh Energie und hat eine Ausgangsleistung von 275W/500W. ⓘ

Die Speicherung von Wind- oder Sonnenenergie mit Hilfe von thermischen Energiespeichern ist zwar weniger flexibel, aber wesentlich billiger als Batterien. Ein einfacher elektrischer 52-Gallonen-Wassererhitzer kann etwa 12 kWh Energie zur Ergänzung von Warmwasser oder Raumheizung speichern. ⓘ

Zu rein finanziellen Zwecken kann in Gebieten, in denen Net-Metering möglich ist, der zu Hause erzeugte Strom über einen netzgekoppelten Wechselrichter an das Stromnetz verkauft werden, ohne dass Batterien für die Speicherung verwendet werden müssen. ⓘ

Die Kombination von Photovoltaik mit Batteriespeichern hat insbesondere in Bayern und Nordrhein-Westfalen hohen Zubau erfahren, wie das Speichermonitoring des Bundeswirtschaftsministeriums zeigt. Möglich ist ebenfalls die Nutzung von alten Batterien aus E-Autos für Speicherkraftwerke. Diese haben dann noch etwa 80 % ihrer Speicherkapazität und können noch ca. 10 Jahre weiter zur Energiespeicherung oder zur Bereitstellung von Regelleistung dienen. Eine im Januar 2020 veröffentlichte Studie des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) kommt zu dem Ergebnis, dass ab 2035 durch den wachsenden Marktanteil von Elektroautomobilität eine jährliche Batteriekapazität von 50 bis 75 GWh aus ausgedienten E-Fahrzeugen zur Verfügung stehen wird. Diese günstigen "Second-Life-Batterien" könnten dann für die industrielle Stromspeicherung genutzt werden und eine höhere Systemsicherheit gewährleisten. Für eine optimale Nutzung bräuchte es allerdings standardisierte Batteriemanagementsysteme, sodass es zu möglichst wenig Kompatibilitätsproblemen kommt. Pilot-Projekte werden durchgeführt, jedoch nur mit Batterien eines Fahrzeugmodells. Es bestehe daher noch weiterer Forschungsbedarf. ⓘ

Netzstrom und Kraftwerke

Erneuerbare Energie

Bau der Salztanks, die eine effiziente thermische Energiespeicherung ermöglichen, so dass Strom nach Sonnenuntergang erzeugt werden kann und die Leistung an die Nachfrage angepasst werden kann. Das 280-MW-Kraftwerk Solana ist für eine sechsstündige Speicherung ausgelegt. Dadurch kann das Kraftwerk im Laufe eines Jahres etwa 38 % seiner Nennleistung erzeugen. ⓘ

Das 150-MW-Solarkraftwerk Andasol in Spanien ist ein solarthermisches Parabolrinnen-Kraftwerk, das Energie in Tanks mit geschmolzenem Salz speichert, damit es auch dann Strom erzeugen kann, wenn die Sonne nicht scheint. ⓘ

Die größte Quelle und der größte Speicher für erneuerbare Energie sind die Wasserkraftwerke. Ein großer Stausee hinter einem Damm kann so viel Wasser speichern, dass der durchschnittliche Jahresdurchfluss eines Flusses zwischen Trocken- und Regenzeit erreicht wird. Ein sehr großer Stausee kann so viel Wasser speichern, dass der durchschnittliche Durchfluss eines Flusses zwischen Trocken- und Regenjahren erreicht wird. Ein Staudamm speichert zwar nicht direkt Energie aus intermittierenden Quellen, aber er sorgt für ein Gleichgewicht im Netz, indem er seine Leistung senkt und sein Wasser zurückhält, wenn Strom aus Sonnen- oder Windenergie erzeugt wird. Wenn die Wind- oder Solarstromerzeugung die Wasserkraftkapazität der Region übersteigt, wird eine zusätzliche Energiequelle benötigt. ⓘ

Viele erneuerbare Energiequellen (insbesondere Solar- und Windenergie) erzeugen eine variable Leistung. Speichersysteme können die dadurch entstehenden Ungleichgewichte zwischen Angebot und Nachfrage ausgleichen. Der Strom muss so genutzt werden, wie er erzeugt wird, oder sofort in speicherbare Formen umgewandelt werden. ⓘ

Die wichtigste Methode zur Speicherung von Strom im Netz ist die Pumpspeicherung von Wasserkraft. In Regionen wie Norwegen, Wales, Japan und den USA werden hochgelegene geografische Gegebenheiten als Reservoirs genutzt, die mit elektrisch betriebenen Pumpen gefüllt werden. Bei Bedarf fließt das Wasser durch Generatoren und wandelt das Schwerkraftpotenzial des fallenden Wassers in Strom um. Die Pumpspeicherkraftwerke in Norwegen, das seinen Strom fast ausschließlich aus Wasserkraft gewinnt, haben derzeit eine Kapazität von 1,4 GW, aber da die installierte Gesamtkapazität fast 32 GW beträgt und 75 % davon regulierbar sind, kann sie erheblich erweitert werden. ⓘ

Zu den Speicherformen, die Strom erzeugen, gehören Pumpspeicher-Wasserkraftwerke, wiederaufladbare Batterien, thermische Speicher wie geschmolzene Salze, die sehr große Mengen an Wärmeenergie effizient speichern und wieder abgeben können, sowie Druckluftspeicher, Schwungräder, kryogene Systeme und supraleitende Magnetspulen. ⓘ

Überschüssige Energie kann auch in Methan umgewandelt werden (Sabatier-Verfahren), das im Erdgasnetz gespeichert wird. ⓘ

Im Jahr 2011 hat die Bonneville Power Administration im Nordwesten der Vereinigten Staaten ein Versuchsprogramm ins Leben gerufen, um überschüssigen Wind- und Wasserkraftstrom, der nachts oder in stürmischen Zeiten mit starkem Wind erzeugt wird, aufzunehmen. Unter zentraler Steuerung nehmen Haushaltsgeräte überschüssige Energie auf, indem sie Keramikziegel in speziellen Raumheizern auf Hunderte von Grad erhitzen und die Temperatur modifizierter Warmwasserspeicher erhöhen. Nach dem Aufladen sorgen die Geräte je nach Bedarf für Heizung und Warmwasser. Das experimentelle System wurde als Folge eines schweren Sturms im Jahr 2010 entwickelt, der eine so hohe Überproduktion an erneuerbarer Energie verursachte, dass alle konventionellen Energiequellen abgeschaltet oder - im Falle eines Kernkraftwerks - auf die niedrigstmögliche Betriebsstufe heruntergefahren wurden, so dass ein großes Gebiet fast vollständig mit erneuerbarer Energie betrieben werden konnte. ⓘ

Eine andere fortschrittliche Methode, die im ehemaligen Projekt Solar Two in den Vereinigten Staaten und im Solar Tres Power Tower in Spanien eingesetzt wird, verwendet geschmolzenes Salz, um die von der Sonne eingefangene Wärmeenergie zu speichern und sie dann umzuwandeln und als elektrischen Strom zu übertragen. Das System pumpt geschmolzenes Salz durch einen Turm oder andere spezielle Leitungen, um von der Sonne erhitzt zu werden. In isolierten Tanks wird die Lösung gespeichert. Die Elektrizität wird durch die Umwandlung von Wasser in Dampf erzeugt, der in Turbinen geleitet wird. ⓘ

Seit Anfang des 21. Jahrhunderts werden Batterien zur Lastverteilung und Frequenzregulierung im Versorgungsbereich eingesetzt. ⓘ

Bei der Fahrzeug-Netz-Speicherung können Elektrofahrzeuge, die an das Stromnetz angeschlossen sind, bei Bedarf gespeicherte elektrische Energie aus ihren Batterien in das Netz einspeisen. ⓘ

Klimatisierung

Thermische Energiespeicher (TES) können für Klimaanlagen verwendet werden. Sie werden am häufigsten zur Kühlung einzelner großer Gebäude und/oder Gruppen kleinerer Gebäude eingesetzt. Gewerbliche Klimaanlagen tragen am meisten zu den elektrischen Spitzenlasten bei. Im Jahr 2009 wurden Wärmespeicher in über 3 300 Gebäuden in mehr als 35 Ländern eingesetzt. Dabei wird das Material in der Nacht gekühlt und in den wärmeren Tageszeiten zur Kühlung verwendet. ⓘ

Die beliebteste Technik ist die Eisspeicherung, die weniger Platz als Wasser benötigt und billiger als Brennstoffzellen oder Schwungräder ist. Bei dieser Anwendung wird nachts eine Standard-Kältemaschine betrieben, um einen Eisberg zu erzeugen. Tagsüber zirkuliert Wasser durch den Eisberg, um das Wasser zu kühlen, das normalerweise die Tagesleistung der Kältemaschine wäre. ⓘ

Ein Teilspeichersystem minimiert die Investitionskosten, indem die Kältemaschinen fast 24 Stunden am Tag laufen. Nachts produzieren sie Eis für die Speicherung und tagsüber kühlen sie Wasser. Das Wasser, das durch das schmelzende Eis zirkuliert, erhöht die Produktion von gekühltem Wasser. Ein solches System produziert 16 bis 18 Stunden am Tag Eis und schmilzt es sechs Stunden am Tag. Die Investitionskosten sind geringer, da die Kältemaschinen nur 40 bis 50 % der Größe haben, die für ein herkömmliches System ohne Speicher erforderlich ist. Ein Speicher, der die verfügbare Wärme eines halben Tages speichern kann, ist in der Regel ausreichend. ⓘ

Bei einem vollständigen Speichersystem werden die Kältemaschinen während der Spitzenlastzeiten abgeschaltet. Die Investitionskosten sind höher, da ein solches System größere Kältemaschinen und ein größeres Eisspeichersystem erfordert. ⓘ

Dieses Eis wird produziert, wenn die Stromtarife niedriger sind. Kühlsysteme außerhalb der Spitzenlastzeiten können die Energiekosten senken. Der U.S. Green Building Council hat das Programm Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) entwickelt, um die Planung von Gebäuden mit geringer Umweltbelastung zu fördern. Die Kühlung in der Schwachlastzeit kann zur LEED-Zertifizierung beitragen. ⓘ

Wärmespeicherung zum Heizen ist weniger verbreitet als zum Kühlen. Ein Beispiel für die Wärmespeicherung ist die Speicherung von Sonnenwärme, die nachts zum Heizen verwendet wird. ⓘ

Latente Wärme kann auch in technischen Phasenwechselmaterialien (PCMs) gespeichert werden. Diese können in Wand- und Deckenpaneelen eingekapselt werden, um die Raumtemperaturen zu moderieren. ⓘ

Verkehr

Flüssige Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe sind die am häufigsten verwendeten Formen der Energiespeicherung für den Einsatz im Verkehr, gefolgt von einem wachsenden Einsatz von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen und Hybrid-Elektrofahrzeugen. Andere Energieträger wie Wasserstoff können verwendet werden, um die Erzeugung von Treibhausgasen zu vermeiden. ⓘ

Öffentliche Verkehrssysteme wie Straßenbahnen und Oberleitungsbusse benötigen Strom, aber aufgrund ihrer schwankenden Bewegungen ist eine ständige Versorgung mit Strom aus erneuerbaren Energien eine Herausforderung. Auf Gebäudedächern installierte Photovoltaikanlagen können zur Stromversorgung öffentlicher Verkehrssysteme in Zeiten verwendet werden, in denen ein erhöhter Strombedarf besteht und der Zugang zu anderen Energieformen nicht ohne weiteres möglich ist. Zu den bevorstehenden Umstellungen im Verkehrssystem gehören z. B. auch Fähren und Flugzeuge, bei denen die elektrische Stromversorgung als interessante Alternative untersucht wird. ⓘ

Elektronik

Kondensatoren werden in elektronischen Schaltungen häufig verwendet, um Gleichstrom zu sperren und Wechselstrom durchzulassen. In analogen Filternetzen glätten sie den Ausgang von Stromversorgungen. In Resonanzkreisen stimmen sie Radios auf bestimmte Frequenzen ab. In elektrischen Stromübertragungssystemen stabilisieren sie die Spannung und den Stromfluss. ⓘ

Anwendungsfälle

Die International Energy Storage Database (IESDB) des US-Energieministeriums ist eine frei zugängliche Datenbank über Energiespeicherprojekte und -strategien, die vom US-Energieministerium (Office of Electricity) und den Sandia National Labs finanziert wird. ⓘ

Kapazität

Die Speicherkapazität ist die Energiemenge, die einem Energiespeicher oder -system entnommen wird; sie wird in der Regel in Joule oder Kilowattstunden und deren Vielfachen gemessen, kann aber auch in Stunden der Stromerzeugung bei Nennleistung des Kraftwerks angegeben werden; bei Primärspeichern (z. B. Wärme- oder Pumpspeicherkraftwerken) wird die Leistung nur aus dem in das Kraftwerk integrierten Speichersystem bezogen. ⓘ

Wirtschaftlichkeit

Die Wirtschaftlichkeit der Energiespeicherung hängt stark von der geforderten Reserveleistung ab, und mehrere Unsicherheitsfaktoren beeinflussen die Rentabilität der Energiespeicherung. Daher ist nicht jede Speichermethode technisch und wirtschaftlich für die Speicherung mehrerer MWh geeignet, und die optimale Größe der Energiespeicher ist markt- und standortabhängig. ⓘ

Außerdem sind ESS von mehreren Risiken betroffen, z. B:

• Technisch-wirtschaftliche Risiken, die sich auf die spezifische Technologie beziehen;
• Marktrisiken, d. h. Faktoren, die das Stromversorgungssystem beeinflussen;
• Regulierungs- und politische Risiken. ⓘ

Daher sind herkömmliche Techniken, die auf einem deterministischen Discounted Cash Flow (DCF) für die Investitionsbewertung beruhen, nicht vollständig geeignet, um diese Risiken und Ungewissheiten sowie die Flexibilität des Investors, mit ihnen umzugehen, zu bewerten. Daher wird in der Literatur empfohlen, den Wert von Risiken und Ungewissheiten mit Hilfe der Realoptionsanalyse (ROA) zu bewerten, die in unsicheren Kontexten eine wertvolle Methode darstellt. ⓘ

Bei der wirtschaftlichen Bewertung von Großanwendungen (einschließlich Pumpspeicherung und Druckluftspeicherung) werden unter anderem folgende Vorteile berücksichtigt: Vermeidung von Stromabschaltungen, Vermeidung von Netzengpässen, Preisarbitrage und kohlenstofffreie Energielieferung. In einer technischen Bewertung des Carnegie Mellon Electricity Industry Centre wurde festgestellt, dass die wirtschaftlichen Ziele mit Batterien erreicht werden könnten, wenn die Kapitalkosten 30 bis 50 US-Dollar pro Kilowattstunde betragen. ⓘ

Ein Maß für die Energieeffizienz der Speicherung ist der ESOI-Wert (Energy Storage on Energy Invested), d. h. die Energiemenge, die mit einer Technologie gespeichert werden kann, geteilt durch die Energiemenge, die zum Bau dieser Technologie erforderlich ist. Je höher der ESOI-Wert ist, desto besser ist die Speichertechnologie energetisch. Bei Lithium-Ionen-Batterien liegt dieser Wert bei etwa 10 und bei Bleibatterien bei etwa 2. Andere Speicherformen wie Pumpspeicherkraftwerke haben im Allgemeinen einen höheren ESOI, etwa 210. ⓘ

Die Pumpspeicherung von Wasserkraft ist bei weitem die größte weltweit genutzte Speichertechnologie. Die Nutzung der konventionellen Pumpspeicherung ist jedoch begrenzt, da sie ein Gelände mit Höhenunterschieden voraussetzt und außerdem einen sehr hohen Flächenbedarf für eine relativ geringe Leistung hat. An Standorten ohne geeignete natürliche Gegebenheiten könnten auch unterirdische Pumpspeicherkraftwerke eingesetzt werden. Aufgrund der hohen Kosten und der begrenzten Lebensdauer sind Batterien nach wie vor ein "schwacher Ersatz" für abschaltbare Stromquellen und können nicht in der Lage sein, tage-, wochen- oder monatelange Lücken in der variablen erneuerbaren Stromversorgung zu schließen. In Netzmodellen mit hohem EE-Anteil dominieren die überhöhten Kosten für die Speicherung tendenziell die Kosten des gesamten Netzes - in Kalifornien beispielsweise würden allein bei einem EE-Anteil von 80 % 9,6 TWh Speicher benötigt, bei 100 % wären es 36,3 TWh. Im Jahr 2018 verfügte der Bundesstaat nur über 150 GWh an Speicherkapazität, vor allem in Form von Pumpspeichern und zu einem kleinen Teil in Form von Batterien. Einer anderen Studie zufolge würde die Deckung von 80 % des US-Bedarfs durch erneuerbare Energien ein intelligentes Netz für das ganze Land oder Batteriespeicher erfordern, die das gesamte System 12 Stunden lang versorgen könnten, wobei die Kosten für beides auf 2,5 Billionen US-Dollar geschätzt werden. Ebenso haben mehrere Studien ergeben, dass die alleinige Nutzung von EE-Strom und Energiespeicherung etwa 30-50 % mehr kosten würde als ein vergleichbares System, das EE-Strom mit Kernkraftwerken oder Kraftwerken mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung anstelle von Energiespeicherung kombiniert. ⓘ

Forschung

Deutschland

Im Jahr 2013 stellte die deutsche Bundesregierung 200 Mio. Euro (ca. 270 Mio. US-Dollar) für die Forschung zur Verfügung und weitere 50 Mio. Euro für die Förderung von Batteriespeichern in Solaranlagen auf Hausdächern, so ein Vertreter des Deutschen Energiespeicherverbandes. ⓘ

Die Siemens AG hat eine Produktions- und Forschungsanlage in Auftrag gegeben, die 2015 am Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff (ZSW), einer Universitäts- und Industriekooperation in Stuttgart, Ulm und Widderstall, eröffnet werden soll und in der rund 350 Wissenschaftler, Forscher, Ingenieure und Techniker arbeiten. Die Anlage entwickelt neue produktionsnahe Materialien und Prozesse (NPMM&P) unter Verwendung eines computergesteuerten Überwachungs- und Datenerfassungssystems (SCADA). Es soll die Ausweitung der Produktion von wiederaufladbaren Batterien mit höherer Qualität und niedrigeren Kosten ermöglichen. ⓘ

Vereinigte Staaten

Im Jahr 2014 wurden Forschungs- und Testzentren zur Bewertung von Energiespeichertechnologien eröffnet. Dazu gehörte das Advanced Systems Test Laboratory an der University of Wisconsin in Madison im Bundesstaat Wisconsin, das mit dem Batteriehersteller Johnson Controls zusammenarbeitet. Das Labor wurde als Teil des neu eröffneten Wisconsin Energy Institute der Universität eingerichtet. Zu den Zielen des Labors gehört die Bewertung von Batterien für Elektrofahrzeuge der neuesten und der nächsten Generation, einschließlich ihrer Verwendung als Netzergänzung. ⓘ

Der Bundesstaat New York eröffnete sein New York Battery and Energy Storage Technology (NY-BEST) Test- und Kommerzialisierungszentrum im Eastman Business Park in Rochester, New York, dessen Labor mit einer Fläche von fast 1.700 m2 ²3 Millionen Dollar kostet. Zu dem Zentrum gehört das Center for Future Energy Systems, eine Zusammenarbeit zwischen der Cornell University in Ithaca, New York, und dem Rensselaer Polytechnic Institute in Troy, New York. NY-BEST testet, validiert und zertifiziert unabhängig verschiedene Formen der Energiespeicherung für den kommerziellen Einsatz. ⓘ

Am 27. September 2017 brachten die Senatoren Al Franken aus Minnesota und Martin Heinrich aus New Mexico den Advancing Grid Storage Act (AGSA) ein, der mehr als 1 Milliarde US-Dollar für Forschung, technische Unterstützung und Zuschüsse zur Förderung der Energiespeicherung in den Vereinigten Staaten bereitstellen würde. ⓘ

In Netzmodellen mit hohem VRE-Anteil dominieren die überhöhten Kosten für die Speicherung tendenziell die Kosten des gesamten Netzes - in Kalifornien beispielsweise würden allein für einen VRE-Anteil von 80 % 9,6 TWh Speicher benötigt, für 100 % jedoch 36,3 TWh. Einer anderen Studie zufolge würde die Deckung von 80 % des US-Bedarfs durch erneuerbare Energien ein intelligentes Netz für das ganze Land oder Batteriespeicher, die das gesamte System 12 Stunden lang versorgen können, erfordern, wobei die Kosten für beides auf 2,5 Billionen Dollar geschätzt werden. ⓘ

Vereinigtes Königreich

Im Vereinigten Königreich schlossen sich im Mai 2014 etwa 14 Industrie- und Regierungsbehörden mit sieben britischen Universitäten zusammen, um das SUPERGEN Energy Storage Hub zu gründen, das bei der Koordinierung der Forschung und Entwicklung von Energiespeichertechnologien helfen soll. ⓘ

Einteilung und Übersicht

Nach Energieform

Fernwärmespeicher des Kraftwerkes Theiß mit 50.000 m³ Inhalt, welcher das Fernwärmenetz Krems speist. Speichervermögen 2 GWh je Ladevorgang ⓘ

Batterieraum ⓘ

Energiespeicher werden nach der gespeicherten (Haupt-)Energieform klassifiziert. Oft wird aber beim Auf- oder Entladen des Speichers eine davon abweichende Energieform verwendet. Beim Akkumulator wird beispielsweise elektrische Energie zugeführt; diese wird während des Aufladens in chemische Energie umgewandelt:

• Thermische Energie: Wärmespeicher, Fernwärmespeicher, Thermochemische Wärmespeicher, Latentwärmespeicher, Gasverflüssigung durch Kälte
• Chemische Energie:
  • anorganisch: galvanische Zelle (Akkumulator, Batterie), Redox-Flow-Batterie, Wasserstoff, Batterie-Speicherkraftwerk
  • organisch: ADP, ATP, AMP, Glykogen, Kohlenhydrate, Fette, Chemische Wasserstoffspeicher
• Mechanische Energie:
  • Kinetische Energie (Bewegungsenergie): Schwungrad bzw. Schwungradspeicher
  • Potentielle Energie (Lageenergie): Feder, Pumpspeicherkraftwerk, Druckluftspeicherkraftwerk, Hubspeicherkraftwerk
• Elektrische Energie: Kondensator, Supraleitender Magnetischer Energiespeicher ⓘ

Daneben wird der Begriff teils auch für Behälter benutzt, die selbst keine Energie, sondern Brenn- oder Kraftstoffe aufnehmen:

• Kavernenspeicher für Rohöl, Erdgas und Druckluft
• Kohlehalde als Lagerort für Kohle
• Biogasspeicher, die etwa eine Tagesproduktion eines Biogaskraftwerks zwischenspeichern können.
• Porenspeicher für Erdgas
• Stauseen zur Regulierung des Zuflusses für Wasserkraftwerk sowie als Speicher für Speicherkraftwerke
• Lagertank und Kraftstofftank
• Adsorptionsspeicher ⓘ

Oft wird auch die Brennstoffzelle als Energiespeicher bezeichnet. Sie ist jedoch nur in der Lage, elektrische Energie aus chemischen Reaktionen zu gewinnen und zählt somit zu den Energiewandlern, nicht zu den Energiespeichern. ⓘ

Nach Speicherdauer

Zudem lassen sich Energiespeicher anhand der Speicherdauer in Kurzzeit- und Langzeitspeicher unterteilen. Beispielsweise erfordern unterschiedliche Schwankungsmuster bei der Stromerzeugung mittels Photovoltaik (PV) und Windkraftanlagen einerseits und dem Stromverbrauch andererseits Speicherkapazitäten für verschieden lange Zeiträume. Je nach betrachteter Zeitskala kommen verschiedene Technologien zum Einsatz, wobei sich folgende Zeitfenster ausmachen lassen:

• Subsekundenbereich bis zu wenigen Minuten (Einspeisefluktuationen);
• bis zu einem Tag (z. B. PV-Tagesmuster);
• bis zu drei Tagen (Zufallsschwankungen);
• ein bis zwei Wochen (anhaltende Stark- oder Schwachwindperioden);
• saisonaler Ausgleich. ⓘ

Kurzzeitspeicher speichern die jeweilige Energie für Sekundenbruchteile bis zu einem Tag, besitzen einen hohen Speicherwirkungsgrad und weisen hohe Zyklenzahlen auf. Zu ihnen zählen u. a. Schwungmassenspeicher, Kondensatoren, Spulen (als Sekundenspeicher), Akkumulatoren (als Minuten- bis Tagesspeicher) und Pumpspeicher und Druckluftspeicher als (Stunden- bis Tagesspeicher). Auch verschiedene latente und sensible Wärmespeicher können als Minuten- bis Tagesspeicher eingesetzt werden. ⓘ

Langzeitspeicher können Energie hingegen über Tage bis Jahre speichern und besitzen pro Leistungseinheit ein sehr hohes Energiespeichervermögen. Sie weisen eine niedrige Selbstentladung auf und haben geringere Speicherwirkungsgrade sowie niedrigere Zyklenzahlen als Kurzfristspeicher. Zu ihnen zählen Gasspeicher, sensible und latente Wärmespeicher, Fernwärmespeicher, Brenn- und Kraftstoffe sowie manche Pumpspeicher. ⓘ

Speicherbedarf durch die Energiewende

Karikatur zur Diskussion um die Notwendigkeit von Energiespeichern Gerhard Mester (2017) ⓘ

Durch die Energiewende, die u. a. aus Umwelt- und Klimaschutzgründen sowie der Endlichkeit der fossilen Energieträger einen Umstieg von grundlastfähigen konventionellen Kraftwerken hin zu mehrheitlich fluktuierenden erneuerbaren Energien vorsieht, wird sich langfristig weltweit ein zusätzlicher Bedarf an Energiespeichern ergeben. Hierbei muss sich jede Speicherlösung ökonomisch gegen verfügbare Alternativen behaupten. Beispiele für solche Alternativen sind Demand Side Management, Demand Response, zusätzliche Stromleitungen oder die Nutzung von Synergieeffekten (z. B. zwischen Wasser- und Solar/Windenergie). ⓘ

Wichtig in diesem Zusammenhang ist es, das Energiesystem ganzheitlich und gekoppelt zu betrachten und nicht nur den Stromsektor. So liegt der Sinn der sog. Sektorenkopplung u. a. darin, über die verschiedenen Sektoren des Energiesystems einen sehr flexiblen Stromverbrauch zu schaffen, der die nötige Flexibilität aufweist, um die Erzeugungsschwankungen der variablen erneuerbaren Energien aufzunehmen. Während z. B. Ansätze, die nur den Stromsektor alleine betrachten, oft vergleichsweise hohe und teure Stromspeicherkapazitäten erfordern, ermöglichen sektorgekoppelte Energiesysteme einen geringeren Einsatz von vergleichsweise teuren Stromspeichern, da die schwankende Erzeugung von Wind- und Solarstrom nicht mehr nur im Stromsektor ausgeglichen werden muss, sondern unter anderem auch Wärmesektor oder Verkehrssektor die nötige Flexibilität zum Ausgleich der Schwankungen liefern können. So sind z. B. große Fernwärmespeicher derzeit die günstigste Form der Energiespeicherung überhaupt. ⓘ

Eine Notwendigkeit für Integrationsmaßnahmen der erneuerbaren Energien besteht erst ab der zweiten Phase der Energiewende, in der Deutschland mittlerweile angekommen ist. In dieser zweiten Phase der Energiewende müssen Maßnahmen wie z. B. der Aufbau von intelligenten Stromnetzen (englisch Smart Grids), der Ausbau der Stromnetze usw. erfolgen. Ab dieser Phase wird dann auch zunehmend der Einsatz von Kurzfristspeichern wie z. B. Pumpspeicher- oder Batteriespeichern sinnvoll. Langzeitspeicher wie die Power-to-Gas-Technologie werden erst notwendig, wenn es im Stromsystem hohe und längere Stromüberschüsse gibt, wie sie ab Anteilen der erneuerbaren Energien von mindestens 60 bis 70 Prozent zu erwarten sind. Auch hier ist es jedoch sinnvoll, zunächst das gewonnene Synthesegas nicht rückzuverstromen, sondern es vorwiegend in anderen Sektoren wie z. B. im Verkehrswesen einzusetzen. Die Rückverstromung ist schließlich der letzte Schritt bei der Umstellung des Energiesystems hin zu 100 % Erneuerbaren Energien. ⓘ

Eine zu früh aufgebaute Speicherinfrastruktur kann ökologisch kontraproduktiv sein. So ist z. B. bis zu einem Anteil von ca. 40 % erneuerbaren Energien an der Jahresstromproduktion eine flexiblere Auslastung der bestehenden konventionellen Kraftwerke die vorteilhafteste Möglichkeit zur Einbindung von regenerativen Energien. Erst darüber werden zusätzliche Speicherkraftwerke benötigt. Speicher, die vorher gebaut werden, ermöglichen stattdessen eine bessere Auslastung von Braunkohlekraftwerken zulasten weniger umweltschädlicher Kraftwerke (Steinkohle und Erdgas) und erhöhen damit die CO₂-Emissionen. Für eine Versorgung mit 100 % erneuerbaren Energien sind Energiespeicher zwingend erforderlich, wobei der notwendige Speicherbedarf durch Maßnahmen wie den internationalen Stromnetzausbau und die Erhöhung von Netzkuppelstellen stark reduziert werden kann. Durch den Aufbau von Speichern erhöhen sich die Gestehungskosten von erneuerbaren Energien; bei einer Vollversorgung mit 100 % erneuerbaren Energien machen die Kosten der Energiespeicherung ca. 20–30 % der Stromgestehungskosten aus. ⓘ