Was ist Energiespeicherung?

Die Fähigkeit, Energie zu speichern, kann die Speisung sauberer Energie und erneuerbarer Energie in Stromnetze sowie die Integration in den alltäglichen Gebrauch erleichtern. So werden beispielsweise Elektrofahrzeuge durch in Batterien gespeicherten Strom angetrieben, während groß angelegte Energiespeichersysteme Versorgungsunternehmen dabei helfen, ihren Strombedarf in Zeiten zu decken, in denen erneuerbare Energiequellen keine Energie produzieren.

Der Ausbau erneuerbarer Energien, der durch Energiespeicher ermöglicht wird, kann einen Teil der auf fossilen Brennstoffen beruhenden Energieerzeugung und ihre Auswirkungen auf die Umwelt ersetzen und reduzieren. Dieser Fortschritt kann Ländern helfen, ihre Netto-Null-Ziele zu erreichen.

Eine der bekanntesten Erfindungen zur Speicherung von Elektrizität, die Batterie, geht auf das Jahr 1800 zurück. Der italienische Physiker Alessandro Volta verwendete ein Bündel von Nickelscheiben, Zinkscheiben und in Salzwasser getränkten Pads, um elektrischen Strom zu erzeugen. Etwa 60 Jahre später erfand der französische Physiker Gaston Planté eine wiederaufladbare Batterie aus Blei und Schwefelsäure – den sogenannten Bleiakkumulator (kurz Bleiakku). 

Anfang des 19. Jahrhunderts entwickelte der amerikanische Erfinder Thomas Edison eine andere Art von wiederaufladbarer Batterie, bei der Nickel und Eisen zum Einsatz kamen. Der kanadische Chemieingenieur Lewis Urry entwickelte 1957 den Prototyp der modernen Alkalibatterie, nachdem er Edisons Verwendung von Zink untersucht hatte.

Zwei weitere seit langem genutzte Formen der Energiespeicherung sind Pumpspeicher und die thermische Energiespeicherung. Die Pumpspeicher zur Speicherung von Wasserkraft wurden bereits 1890 in Italien und der Schweiz genutzt, bevor sie sich weltweit verbreiteten.

Die thermische Energiespeicherung (TES) wurde bereits im frühen 19. Jahrhundert in Kühlboxen zur Lebensmittelkonservierung eingesetzt. Moderne TES-Systeme werden seit dem frühen 20. Jahrhundert zur Beheizung und Kühlung von Gebäuden genutzt.

Die Stromerzeugungskapazität von Energiespeichersystemen kann auf zwei Arten gemessen werden:

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2. Leistungskapazität, auch die maximale Strommenge, die kontinuierlich erzeugt wird, gemessen in Watt (Kilowatt (kW), Megawatt (MW) und Gigawatt (GW)).
   
   
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4. Energiekapazität, auch die Gesamtmenge der gespeicherten Energie, gemessen in Wattstunden (Kilowattstunden (kWh), Megawattstunden (MWh) und Gigawattstunden (GWh)).

Elektrische Energiespeichersysteme (EES) unterstützen in der Regel Stromnetze.Zu den Arten von Energiespeichersystemen gehören:

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• Pumpspeicherkraftwerke
• Batteriespeichersysteme
• Schwungräder
• Druckluftspeicherkraftwerke
• Thermische Energiespeicher
• Wasserstoffspeicherung
• Superkondensatoren

Pumpspeicherkraftwerke, auch als Pumpspeicherwerk bekannt, können mit einer riesigen Batterie verglichen werden, die aus zwei Wasserreservoirs auf unterschiedlichen Höhen besteht. Die sogenannte Batterie „lädt sich auf“, wenn Strom verwendet wird, um Wasser aus einem niedriger gelegenen Reservoir in ein höher gelegenes zu pumpen.

Das Energiespeichersystem „entlädt“ sich, wenn Wasser, das durch die Schwerkraft angezogen wird, wieder in das tiefer gelegene Reservoir abgelassen wird und dabei eine Turbine passiert. Die Bewegung des Wassers durch die Turbine erzeugt Strom, der in das Stromnetz eingespeist wird.

Laut der Internationalen Energieagentur ist die Pumpspeichertechnologie die weltweit am häufigsten eingesetzte Energiespeichertechnologie und machte im Jahr 2020 90 % der globalen Energiespeicherung aus.¹ Im Mai 2023 war China mit 50 Gigawatt (GW) und einem Anteil von 30 % an der weltweiten Kapazität der Spitzenreiter im Bereich der Pumpspeicherkapazität.²

Ein Batterie-Energiespeichersystem (BESS) ist ein elektrochemisches Speichersystem, mit dem Elektrizität als chemische Energie gespeichert und bei Bedarf freigesetzt werden kann. Zu den gängigen Typen gehören Blei-Säure- und Lithium-Ionen-Batterien, während zu den neueren Technologien Festkörper- und Flow-Batterien gehören.

Lithium-Ionen-Batterien dominieren derzeit den Markt für Batteriespeicher im Versorgungsmaßstab. Ab 2023 befand sich der größte Lithium-Ionen-Batteriespeicher der Welt mit einer Kapazität von 550 Megawatt in Monterrey County, Kalifornien.³ Lithium-Ionen-Batterien werden auch in Elektrofahrzeugen verwendet.

Es wird erwartet, dass Batteriespeicherlösungen in den kommenden Jahren den Marktanteil von Pumpspeichern überholen werden, da Länder auf der ganzen Welt verstärkt in Batteriespeicherlösungen im Versorgungsmaßstab investieren. In den USA beispielsweise wird erwartet, dass sich die installierte Batteriekapazität im Jahr 2024 verdoppeln wird, wobei sich die meisten neuen BESS-Installationen in Texas und Kalifornien befinden.⁴

Während ein Großteil der weltweiten BESS-Investitionen in großen, entwickelten Volkswirtschaften getätigt wird, erhalten die Entwicklungsländer Unterstützung für die Installation von Batteriespeichern durch Programme wie die Energy Storage Partnership der Weltbank.

Ein Schwungrad ist ein mechanischer Energiespeicher, in dem ein rotierendes Rad kinetische Energie speichert. Mit Hilfe von Strom wird das Rad „aufgeladen“, indem es sich mit hoher Geschwindigkeit dreht, während die Rotation des Rades mit konstanter Geschwindigkeit diese Energie speichert.

Systeme mit Schwungradspeicherung (Flywheel Energy Storage Systems, FESS) gelten als effiziente Energietechnologie, können Elektrizität jedoch nur für kürzere Zeiträume entladen als andere Speichermethoden. Während Nordamerika derzeit den globalen Markt für Schwungradspeicherung dominiert (große Schwungradspeichersysteme befinden sich in New York, Pennsylvania und Ontario), steigt die Nachfrage in Europa.⁵

Bei dieser Energietechnologie wird Luft mithilfe von Elektrizität komprimiert und unterirdisch, oft in Kavernen, gespeichert. Zur Stromerzeugung wird die Luft freigesetzt und durch eine Turbine geleitet, die mit einem elektrischen Generator verbunden ist. Weltweit befinden sich einige Druckluftspeicherkraftwerke (Compressed Air Energy Storage (CAES)) in Betrieb, unter anderem in Deutschland, China, Kanada, und den USA.

Wärmespeicher (Thermal Energy Storage, TES) finden sich in solarthermischen Kraftwerken, die Systeme zur Konzentration von Solarenergie (Concentrating Solar Power, CSP) verwenden. Solche Systeme nutzen konzentriertes Sonnenlicht, um eine Flüssigkeit wie Wasser oder geschmolzenes Salz zu erhitzen. Der Dampf aus der Flüssigkeit kann zwar sofort zur Stromerzeugung genutzt werden, die Flüssigkeit kann aber auch zur späteren Verwendung in Tanks gelagert werden.

Strom kann durch die Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff umgewandelt und gespeichert werden. Dabei werden Wassermoleküle mithilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Die Energie wird freigesetzt, wenn Wasserstoff als Kraftstoff für die Stromerzeugung und für den Transport verwendet wird. Die Wasserstoffspeicherung gilt als entscheidende Technologie für Brennstoffzellen, die durch chemische Reaktionen Strom erzeugen.

Superkondensatoren sind elektrochemische Geräte, die Energie speichern, indem sie elektrische Ladungen auf Elektroden (elektrischen Leitern) sammeln, die mit einer Elektrolytlösung gefüllt sind. Sie können Elektrizität schnell entladen und haben eine lange Lebensdauer. Sie werden manchmal als potenzieller Ersatz für Lithium-Ionen-Batterien angesehen, haben aber eine geringere Energiedichte.⁶

Die Vorteile von Energiespeichersystemen erstrecken sich auch auf die Stromnetze, da sie in der Lage sind, Schwankungen in der Energieversorgung auszugleichen. Ein ESS kann überschüssigen Strom speichern, wenn er verfügbar ist, häufig während Zeiten mit geringem Stromverbrauch in der Nacht und am Morgen. Zu Zeiten, zu denen die primären Energiequellen nicht genug Strom liefern, insbesondere zu Spitzenzeiten des Energieverbrauchs, wie am späten Nachmittag und am Abend, kann ein ESS zur Stromversorgung beitragen.

Darüber hinaus können ESS, die sich im Besitz von Netzkunden befinden, bei Netzausfällen Notstrom liefern und in Microgrids integriert werden.

Die Flexibilität, die ESS den Stromnetzen bieten, kann dazu beitragen, erneuerbare, grüne Energie (sowohl Anlagen im Versorgungsnetz als auch kleinere, dezentrale Ressourcen) in Energiesysteme zu integrieren, die zuvor von fossilen Brennstoffen abhängig waren. Projekte zur Speicherung erneuerbarer Energien können helfen, den Stromfluss zu stabilisieren, indem sie Energie zu Zeiten bereitstellen, in denen erneuerbare Energiequellen keinen Strom erzeugen. So liefern sie beispielsweise nachts Strom für Solaranlagen mit Photovoltaikzellen oder an windstillen Tagen, wenn die Windräder nicht laufen.

Umgekehrt sind ESS auch dann hilfreich, wenn erneuerbare Energiequellen überschüssigen Strom produzieren, wie z. B. die Erzeugung von Solarstrom an sonnigen Nachmittagen oder von Windstrom an windigen Tagen. Lösungen zur Speicherung erneuerbarer Energien sorgen dafür, dass überschüssiger Strom nicht verschwendet wird.

Die Unterstützung der Stromnetze durch Energiespeicherung gilt als ausschlaggebend, um Ländern beim Übergang zu sauberer Energie und in eine Netto-Null-Zukunft zu helfen. Indem Länder die Nutzung erneuerbarer Energien steigern, können sie ihre Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen reduzieren. Diese Umstellung kann ihre Treibhausgasemissionen erheblich senken und ihnen helfen, Nachhaltigkeit bei Energieverbrauch und Produktion zu erreichen.

Die Dauer, für die ein EES Strom liefern kann, variiert je nach Energiespeicherprojekt und -typ. Energiespeichersysteme mit kurzer Dauer liefern Energie für nur wenige Minuten, während Energiespeichersysteme mit Tageszyklus über Stunden hinweg Energie liefern. Pumpspeicher-, Druckluft- und einige Batterie-Energiespeichersysteme bieten eine Speicherung über den Tageszyklus, während andere Batteriesysteme und Schwungräder eine Speicherung über kurze Zeiträume unterstützen.

Hohe Energiekosten und kurze Speicherdauern können Hindernisse bei der Einführung einiger Energiespeichersysteme sein, aber Forscher arbeiten daran, diese Hürden zu überwinden. Innovationen in Energietechnologien könnten es ermöglichen, kostengünstige elektrische Energiespeichersysteme zu betreiben, die Strom für zehn Stunden oder länger liefern. Dadurch könnte die Stromversorgung weiter stabilisiert werden, wenn mehr erneuerbare Energiequellen ans Netz gehen.

Die Entwicklung solcher Langzeit-Energiespeicher (Long-Duration Energy Storage, LDES) wird auch von politischen Entscheidungsträgern unterstützt, wobei Länder wie Spanien, das Vereinigte Königreich und die USA Pläne zur Förderung von LDES-Projekten entwickeln.