Energiespeicher dienen derSpeicherung von momentan verfügbarer, aber nicht benötigterEnergie zur späteren Nutzung. Diese Speicherung geht häufig mit einer Wandlung der Energieform einher, beispielsweise von elektrischer in chemische Energie (Akkumulator) oder von elektrischer in potenzielle Energie (Pumpspeicherkraftwerk). Im Bedarfsfalle wird die Energie dann in die gewünschte Form zurückgewandelt. Sowohl bei der Speicherung als auch bei derEnergieumwandlung treten immer – meist thermische – Verluste auf.
Energiespeicher werden nach der gespeicherten (Haupt-)Energieform klassifiziert. Oft wird aber beim Auf- oder Entladen des Speichers eine davon abweichende Energieform verwendet. BeimAkkumulator wird beispielsweise elektrische Energie zugeführt; diese wirdwährend des Aufladens in chemische Energie umgewandelt:
Daneben wird der Begriff teils auch für Behälter benutzt, die selbst keine Energie, sondernBrenn- oderKraftstoffe aufnehmen:
Oft wird auch dieBrennstoffzelle 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.
Zudem lassen sich Energiespeicher anhand der Speicherdauer in Kurzzeit- und Langzeitspeicher unterteilen. Beispielsweise erfordern unterschiedliche Schwankungsmuster bei der Stromerzeugung mittelsPhotovoltaik (PV) undWindkraftanlagen 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:[1]
Kurzzeitspeicher speichern die jeweilige Energie für Sekundenbruchteile bis zu einem Tag, besitzen einen hohen Speicherwirkungsgrad und weisen hoheZyklenzahlen auf. Zu ihnen zählen u. a.Schwungmassenspeicher,Kondensatoren,Spulen (als Sekundenspeicher),Akkumulatoren (als Minuten- bis Tagesspeicher) undPumpspeicher undDruckluftspeicher als (Stunden- bis Tagesspeicher). Auch verschiedene latente und sensible Wärmespeicher können als Minuten- bis Tagesspeicher eingesetzt werden.[2]
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- undKraftstoffe sowie manche Pumpspeicher.[2]
Elektrische Energie lässt sich nur in verhältnismäßig geringen 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 meistnicht um eine kurzfristige Leistungserhöhung. Bei sehr kleinen Anlagen wie beimElektronenblitz steht manchmal die Leistungserhöhung im Vordergrund, weil beispielsweise die ursprüngliche Energiequelle nicht ausreichend Leistung abgeben kann. Auchhybride Speichersysteme sind möglich, um längerfristig geringe oder kurzfristige hohe Leistungsbedarfe bereitzustellen.
Bei häuslichen Photovoltaikanlagen werden derzeit ausschließlichBatteriespeicher eingesetzt.
| Verfahren[3] | max. Leistung in MW | Lebensdauer in Zyklen | Wirkungsgrad in % | Selbstentladung in %/h | Investition in €/kWh Speicherkapazität | Kosten je gespeicherter kWh in €-Cent | Energiedichte in Wh/kg | Typ. Zeit der Entladung bei üblicher Baugröße |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| NormalerKondensator | 0,01 | 100e6 | 95 | 0,01 | 0,03 | 0,01 s | ||
| Superkondensator | 0,1 | 0.5e6 | 90 | 0,2 | 10.000 | 5 | 100 s | |
| supraleitende Spule | 7 | 1e6 | 90 | ? | 30–200 | 0,03 | 0,01 s | |
| Schwungrad (Stahl, alte Bauart) 3.000 min−1 | 15 | 1e6 | 90 | 3–20 | 5000 | 6 | 100 s | |
| Schwungrad (aufgewickelterCFK) 80.000 min−1 | 50 | >100.000[4] | 95 | 0,1–10 | 500–1000[5] | 100 s | ||
| Batteriespeicher (mit Blei-Akkumulatoren) | 27[6] | etwa1000[7] | 80 | 0,01 | 100 | 30–120 | 4 h | |
| LiFePO4 Akkumulator | ? | 8000 bei 100 %Entladungsgrad (DOD)[8] | 90 | 0,01 | ca. 420[9] | 90 | 10 h | |
| LiPo Akkumulator | ? | 80 % Restkapazität nach 500 Zyklen[10] | 88 | 0,01 | 300–400 | 60 | 7 h | |
| Pumpspeicherkraftwerk | >3000[11] | >1000 | 80 | 0 | 71 | 3–5 (Speicherdauer 1 Tag)[12] | 0,1–3,3 | 8 h |
| Druckluftspeicherkraftwerk | 290 | ? | 42[13]–54[14] | ? | Pilotanlagen[15] | 2009: 5 (Speicherdauer 1 Tag)[12] | 9 | 2 h |
| Wasserstoff | 0,2 | 30.000 h[16] (Brennstoffzelle) | 34–62[17] | 0,1 | Versuchsanlagen[18] | 2009: 25 (unabhängig von Speicherdauer)[12] | 33.300[19] | 0,5 h |
| Methansynthese | ? | 30–54 (2011)[17] >75 (2018)[20] | < 0,00001 | Versuchsanlagen[21] | 14.000 | Wochen | ||
| Hochtemperatur-Wärmespeicher | 40–50 | 0,01 | Versuchsanlagen[22][23] | 100–200[24] |
Die Angaben beziehen sich auf die größten realisierten Anlagenim Dauerbetrieb.
Anmerkungen:
Thermovoltaik Speicher ermöglichen die Speicherung von Wärmeenergie in Graphit und deren Rückgewinnung aus Wärmestrahlung durch die Nutzung von Photovoltaikzellen. Der Wirkungsgrad liegt bei bis zu 40 % und die Graphitspeicher halten Temperaturen bis zu 2500 °C (Vgl. Dampfturbine 30 % und 1500 °C).[27]
Durch die Energiewende, die u. a. ausUmwelt- undKlimaschutzgründen sowie der Endlichkeit der fossilen Energieträger einen Umstieg vongrundlastfähigen konventionellen Kraftwerken hin zu mehrheitlich fluktuierendenerneuerbaren 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 sindDemand Side Management,Demand Response, zusätzliche Stromleitungen oder die Nutzung von Synergieeffekten (z. B. zwischen Wasser- und Solar/Windenergie).[28]
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.[29] So sind z. B. großeFernwärmespeicher derzeit die günstigste Form der Energiespeicherung überhaupt.[30]
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 vonintelligenten Stromnetzen (englischSmart 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 diePower-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. imVerkehrswesen einzusetzen. Die Rückverstromung ist schließlich der letzte Schritt bei der Umstellung des Energiesystems hin zu 100 % Erneuerbaren Energien.[28]
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 vonBraunkohlekraftwerken zulasten weniger umweltschädlicher Kraftwerke (Steinkohle und Erdgas) und erhöhen damit dieCO2-Emissionen.[31] 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 Stromnetzausbau und den Aufbau von Speichern erhöhen sich die Kosten der Energieversorgung. Bei einer Vollversorgung mit 100 % erneuerbaren Energien werden die Mehrkosten für Speicherung auf 20–30 % der reinenStromgestehungskosten der Erzeugung geschätzt.[32]
Für Hauseigentümer mit eigener Energieeinspeisung durchPhotovoltaik lassen sich seit etwa 2013 dezentrale Energiespeicher wirtschaftlich betreiben. Nach Angaben desBundesverbandes Solarwirtschaft sind 2014 die Preise vonBatteriespeichern um 25 % gefallen. Seit Mai 2013 fördert dieKfW die Installation von Batteriespeichern einschließlich Anreizen zur Netzstabilisierung. Dadurch stieg die Nachfrage sprunghaft an.[33] Nachdem die Förderung von Batteriespeichern zunächst zum 31. Dezember 2015 auslaufen sollte, wurde die Förderung entgegen der ursprünglichen Haltung vonSigmar Gabriel nach heftiger Kritik von zahlreichen Verbänden und Unternehmen dennoch in modifizierter Version verlängert.[34][35] Es wird erwartet, dass Heimenergiespeicherung immer präsenter werden wird, angesichts der wachsenden Bedeutung von dezentraler Energieversorgung (vor allem Photovoltaik) sowie der Tatsache, dass Gebäude den größten Anteil am gesamten Energieverbrauch darstellen[36] und die Einspeisetarife unter den Netzbezugstarifen liegen. Ein Haushalt nur mit Photovoltaik kann eine Energieselbstversorgung von maximal etwa 40 % erreichen. Um eine höhere Selbstversorgung zu erreichen, wird angesichts der unterschiedlichen Zeitverläufe von Energieverbrauch und der Energieeinspeisung aus Photovoltaik ein Energiespeicher benötigt.[36]
Die Kombination von Photovoltaik mit Batteriespeichern hat insbesondere in Bayern und Nordrhein-Westfalen hohen Zubau erfahren, wie das Speichermonitoring des Bundeswirtschaftsministeriums zeigt.[37] 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.[38] Eine im Januar 2020 veröffentlichte Studie desFraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) kommt zu dem Ergebnis, dass ab 2035 durch den wachsenden Marktanteil vonElektroautomobilität 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 standardisierteBatteriemanagementsysteme, sodass es zu möglichst wenig Kompatibilitätsproblemen kommt. Pilot-Projekte werden durchgeführt, jedoch nur mit Batterien eines Fahrzeugmodells. Es bestehe daher noch weiterer Forschungsbedarf.[39]
