Wie kann man Strom speichern?

Um 55 Prozent soll Deutschland seine Treibhausgasemissionen bis 2030 reduzieren. Jedoch stockt momentan die Energiewende. Die Hauptherausforderung bleibt, den von Solar- und Windkraftanlagen erzeugten Strom effizient zu speichern. Doch ist das überhaupt möglich?

1. Kohleausstieg nur mit effizienten Speichern möglich
2. Pumpspeicherwerke: Wie speichern sie Strom?
3. Power-To-Gas:Wasserstoff aus Strom herstellen
4. Was bringen Batterien als Stromspeicher?
5. Strom als Wärme speichern
6. Zusammenfassung

kohleausstieg nur mit effizienten Speichern möglich

38 Prozent des ins deutsche Netz eingespeisten Stroms stammte 2018 aus regenerativen Energien, bis 2035 soll der Anteil auf 60 Prozent steigen. Doch bei Photovoltaik- und Windkraftanlagen schwankt die Leistung je nach Wetterlage. Während an windigen oder sonnigen Tagen oft ein Überschuss vorhanden ist, droht bei Windstille und während des dunklen Winters eine Stromflaute.

Beispielsweise erzeugten Windkraftanlagen in Deutschland im windigen Dezember 2018 über 15 Milliarden Kilowattstunden Strom. Das entspricht ungefähr dem jährlichen Energieverbrauch Berlins. Jedoch fehlen adäquate Speichermöglichkeiten, um diesen Strom zu nutzen. Er wird zu niedrigen Preisen ins Ausland verkauft.

das ende der grundlast?

Derzeit regeln Kohle- und Atomkraftwerke die sogenannte Grundlast. Das ist die Energiemenge, die unabhängig von der Tageszeit ständig benötigt wird. Will aber Deutschland seine Klimaziele erreichen, müssen die Kohlekraftwerke spätestens 2030 vom Netz gehen. Noch davor, im Jahr 2022, soll das Aus für die Kernenergie erfolgen. Damit fehlt eine Energiequelle, die stets verfügbar ist. Umso mehr wird es nötig, in Zeiten von Überproduktion Energie zu speichern.

anforderungen an energiespeicher

• Wirtschaftlichkeit
• schnell betriebsfähig
• hohe Energiedichte
• Umweltfreundlichkeit

Speichermöglichkeiten im Überblick

Pumpspeicherwerke: wie speichern Sie Strom?

1. Pumpspeicherkraftwerke nutzen elektrische Energie, um Wasser zu einem höheren gelegenen Ort hinaufzupumpen.
2. Dort wird es in riesigen Becken gesammelt.
3. Wird Strom benötigt, lässt man das Wasser wieder in den Rohren hinunterfließen
4. Die mechanische Energie des Wassers treibt Generatoren an.

Pumpen wandeln die elektrische in potentielle Energie um

Wie viele pumpspeicherkraftwerke gibt es weltweit?

• Derzeit landet 99 Prozent des weltweit gespeicherten Stroms in Pumpspeicherwerken
• Das größte Pumpspeicherwerk ist aktuell die Bath County Pumped Storage Station in Virginia (USA). Seine Kapazität beträgt 24 GWh.
• In Deutschland beträgt die Gesamtkapazität der Pumpspeicherwerke 40 GWh
• Mit dem Wasser aus dem größten deutschen Pumpspeicherwerk in Goldisthal (Thüringen, 1,06 GW) lässt sich 8 Stunden lang eine Turbine betreiben und 8,5 GWh an Strom erzeugen.
• Um den deutschen Strombedarf (1.685 GWh/Tag) einen Tag lang zu decken, bräuchte man theoretisch 198 solcher Pumpspeicherwerke.
• Australische Forscher haben weltweit 530.000 potentielle Standorte für den Bau von Wasserkraftwerken gefunden.

pro und contra der pumpspeicherkraftwerke

• Pumpspeicherwerke speichern Energie für eine Dauer von 2 bis 24 Stunden und sind dazu geeignet, während Spitzenlastzeiten Strom zu liefern. Sie sind aber als langfristige Speicher ungeeignet.
• Der Wirkungsgrad beträgt 75 bis 80 Prozent. Damit schneiden sie im Vergleich zu anderen Speicherlösungen gut ab.
• Sie sind schwarzstartfähig, können also ohne Stromzufuhr in Betrieb genommen werden
• Lassen sich bei Bedarf schnell starten
• Sie lohnen sich vor allem in Kombination mit Kohlekraftwerken, die wegen ihrer Trägheit nachts nicht abgeschaltet werden. Da in den Nachtstunden der Strombedarf und der -preis niedrig sind, ist der Pumpenbetrieb dann wirtschaftlich sinnvoll.

die zukunft der pumpspeicherkraftwerke

Solaranlagen produzieren besonders in den Mittagsstunden Strom. Das Überangebot sorgt dafür, dass der Strom nicht teurer als nachts ist. Es stellt sich die Frage nach der Daseinsberechtigung herkömmlicher Pumpspeicherwerke.

• Die Stadt Dresden erteilte aus diesem Grund eine Absage zur Wiederinbetriebnahme des 2016 stillgelegten Pumpspeicherwerks Niederwartha.
• Geplante Pumpspeicherwerke wie das im bayerischen Lam lassen sich oft schwer realisieren, da die Eingriffe in die Natur auf Widerstände stoßen.
• Auf der anderen Seite forschen Wissenschaftler an alternativen Möglichkeiten, die die Landschaft weniger in Mitleidenschaft ziehen.
• Am Bodensee wurde beispielsweise ein Hohlkugelspeicher getestet, bei dem Pumpen in einer hohlen Betonkugel einen Unterdruck erzeugen. Bei Bedarf an elektrischer Energie treibt das strömende Wasser eine Turbine an. Damit ist der Speicher mit einer Kapazität von 20 MWh pro Kugel ein Hybrid aus Pump- und Druckluftspeicher.
• Seit 2017 sucht ein Projekt der Universität Duisburg-Essen nach Möglichkeiten, in stillgelegten Bergwerken ein unterirdisches Pumpspeicherwerk aufzubauen.

Power-to-GAS: Wasserstoff aus strom herstellen

1. Power-To-Gas bezeichnet eine Methode, mit Strom mittels Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten.
2. Wasserstoff wird mithilfe von Katalysatoren mit Kohlenstoff angereichert, der beispielsweise aus Biogasanlagen stammt (Methanisierung).
3. Daraus entsteht Methan, das entweder in Gaskraftwerken oder zur dezentralen Wärmeerzeugung verwendet wird.
4. Alternativ lässt sich der Wasserstoff für industrielle Verfahren oder als Kraftstoff für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge nutzen.

wer nutzt power-to-gas Anlagen?

• Der Deutsche Verein des Gas- und Wasserfaches (DVGW) zählt auf seiner Webseite 62 Power-To-Gas Projekte in Deutschland. 33 Anlagen sind bereits in Betrieb.
• Einer der Pioniere in diesem Feld ist der Autokonzern Audi. In seinem Werk in Werlte (Emsland) produzieren Windkraftanlagen Strom, der zusammen mit Kohlenstoff aus einer Biogasanlage Methan in die Erdgasleitungen speist.
• In Brunsbüttel (Schleswig-Holstein) plant Vattenfall zusammen mit ARGE Netz und MAN Energy Solutions ebenfalls den Windstrom zu nutzen, um synthetische Gase herzustellen.
• In Haßfurt ging 2019 die erste Power-To-Gas Anlage Bayerns in Betrieb.
• Die größte Wasserstoff-Elektrolyse-Anlage der Welt plant Shell in Wesseling (NRW). Mithilfe der Polymer-Elektrolyt-Membran-Technologie (PEM)  sollen 1.300 Tonnen Wasserstoff pro Jahr entstehen, die in der Shell-Raffinerie Verwendung finden werden.

gehört power-to-gas die Zukunft?

Obwohl die Technologie schon lange besteht, wird die Politik im Rahmen der Energiewende erst in den letzten Jahren auf Wasserstoff als Speichermöglichkeit für grünen Strom aufmerksam. So bezeichnete der EU-Klimaschutzkommissar Miguel Arias Cañete synthetische Gase als „die einzigen Gase, die im Energiemix 2050 enthalten sein werden“.

• Herkömmliche Power-To-Gas Anlage erreichen einen Wirkungsgrad von zirka 50 Prozent. Damit sind sie nicht besonders wirtschaftlich.
• Im Rahmen des EU-Projekts HELMETH ließ sich jedoch der Wirkungsgrad auf 75 Prozent steigern.
• Methan lässt sich im Vergleich zu Strom speichern und leichter transportieren.
• Ob sich Power-To-Gas Anlagen als Massenspeicher durchsetzen werden, hängt mit der Optimierung des Elektrolyseverfahrens und der Methanisierung zusammen.

was bringen batterien als Stromspeicher?

• Solaranlagenbesitzer erwerben immer öfters Batteriespeicher gleich mit. Was im kleinen Maßstab (wenn auch mit langen Amortisationszeiten) funktioniert, scheitert bei großen Elektrizitätsmengen an den Kosten.
• Lithium-Ionen-Akkus besitzen einen sehr guten Wirkungsgrad von 85 Prozent
• Obwohl die Kosten seit 2010 um 85 Prozent gesunken sind, bleiben sie mit 150 bis 200 Euro pro kWh hoch. Vor allem das teure Lithium treibt der Preis in die Höhe.

die zukunft von batterien als Stromspeicher

• An einer Alternative zur Lithium-Ionen-Batterien arbeitet das IKTS Fraunhofer Institut Hermsdorf in Ostthüringen. Ihre Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie nutzt Kochsalz und Aluminiumoxid, die günstig und regional verfügbar sind.
• Im Rahmen des Projekts brine4power (Sole für Energie) kündigte EWE 2017 an, in Ostfriesland is 2023 die größte Redox-Flow-Batterie der Welt in riesigen unterirdischen Salzstöcken bauen zu wollen. Wegen mangelnder Finanzierung und technischer Probleme liegt das Projekt jedoch auf Eis.
• Die Wirtschaftlichkeit von Akkus als Stromspeicher hängt vor der Möglichkeit, eine neue Generation von Akkus mit einer höheren Speicherdichte zu entwickeln, die gleichzeitig ohne teures Lithium auskommen.

strom als wärme speichern

Ist es möglich, elektrische direkt in thermische Energie ohne große Verluste umzuwandeln? Bis jetzt wurde diese Möglichkeit nicht sonderlich erforscht. Es gibt aber EU-weit interessante Projekte und Pilotanlagen in diese Richtung.

• Im Hamburg Hafen erwärmt Strom 1.000 Tonnen Vulkansteine auf 750 Grad Celsius, die die Hitze besonders gut speichern. Mit dem Dampf wird nach Bedarf eine 1,5 MW Turbine angetrieben. Der Elektrisch-Thermische-Energiespeicher von Siemens Gamesa hat eine Kapazität von 30 MWh.
• Ein ähnliches Konzept verfolgten das Energieunternehmen SEAS-NVE und die Technische Universität Dänemarks Risø bei der Hochtemperatur -Thermalenergiespeicher (HT-TES) in Sorø. Die thermische Energie der 600-Grad-heißen Steine wird zur Warmwasseraufbereitung genutzt.

Überschussstrom wird benutzt, um Vulkansteine zu erwärmen. Der Dampf treibt später eine Turbine an oder heizt Wasser.

ZUSAMMENFASSUNG

	Größter Speicher (Kapazität in MWh)	Kosten pro KWh	Wirkungsgrad	Vorteile	Nachteile
Pumpspeicherwerke	24.000 (Bath County Pumped Storage, USA)	20-30 Ct	75-85	Große Kapazitäten Schwarzstartfähig	Große Eingriffe in die Umwelt nötig Hoher Platzbedarf
Power-To-Gas	51 (Frankfurt)	*	50-60	Leichte Transportierbarkeit Hohe Energiedichte	Niedriger Wirkungsgrad Hohe Kosten
Batterien	129 (Hornsdale, Australien)	08-10 Ct	90-95	hoher Wirkungsgrad	hohe Kosten für Lithium-Ionen-Akkus Andere Methoden noch nicht skalierbar Niedrige Energiedichte
Elektrothermale Speicher	30 (Hamburg)	*	*		Wenig erforscht

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