Energiespeichertechnologien eine Übersicht

Weltweit können heute in netzgekoppelten Speichern rund 176 GW gespeichert werden. 96% davon in Pumpspeicherkraftwerken, die restlichen 4% teilen sich auf andere mechanische-, elektrochemische- und thermische Speicher auf.

Daneben werden dezentrale Homespeicher immer wichtiger. Schon 2018 stiegen die weltweiten Investitionen um 45% auf über 4 Mrd. USD an. Und auch in der Schweiz werden Lithium-Ionen-Batterie mittlerweile vermehrt stationär verwendet. Oft um durch eine Photovoltaikanlage produzierten Strom zwischenzuspeichern, bis er gebraucht wird.

Speichertechnologien

Wichtiger als die Unterscheidung nach Standorten ist aber, welche Technologie zum Einsatz kommt. Hier haben wir heute verschiedenste Ansätze zur Verfügung, wobei nicht alle überall eingesetzt werden können.

Mechanische Speicher

Der wohl etablierteste mechanische Speicher ist der Pumpspeicher. Wenn mehr Strom vorhanden ist, als zu dem Moment gebraucht wird, pumpen sie Wasser in höher gelegene Becken, um es bei Strommangel bergab durch Turbinen fliessen zu lassen. Selbst ältere Anlagen haben einen Wirkungsgrad von ca. 70%, neue kommen auf über 80%. Auch die lange Lebensdauer macht sie attraktiv, Speicherbecken und Talsperren müssen nur alle 80 bis 100 Jahre erneuert werden. Die Turbinen und Pumpen halten immerhin noch bis zu 60 Jahren durch.

Zu den neueren Konzepten mechanischer Speicher gehören Gravitationsspeicher, bei denen ein Kran schwere Blöcke anhebt und bei Bedarf wieder absenkt. Dabei dient der Motor als Generator und speist Strom ins Netz ein. Besonders interessant ist der hohe Wirkungsgrad von 90 % und, dass keine Energie durch Selbstentladung verloren geht.

Druckluftspeicher nutzen elektrisch angetriebene Kompressoren, um Aussenluft zu verdichten, sie in einem Hohlraum zu speichern und bei Bedarf durch eine Turbine zu entlassen. Aktuell werden zwei Anlagen betrieben, die einen Wirkungsgrad von 40% und 52% haben. In der Schweiz laufen Forschungen in diese Richtung, bei der auch die bei der Kompression entstehende Wärme genutzt wird. So kommt man rechnerisch auf einen Wirkungsgrad von 65 bis 75%.

Ein Schwungradspeicher wandelt Strom in Rotationsenergie um. Dazu wird ein Schwungrad in Rotation versetzt und bei Bedarf über einen Generator abgebremst, um Strom zu erzeugen. Dem hohen Wirkungsgrad von 95% steht allerdings eine 20% hohe Selbstentladungsrate gegenüber.

Elektrische Speicher

Kondensatoren speichern Energie in einem elektrostatischen Feld zwischen zwei durch ein Dielektrikum getrennte, geladene Elektroden. Die Kapazität hängt von der Fläche der Elektroden, dem Material des Dielektrikums und dem Abstand der Elektroden ab.

Bei Superkondensatoren (Supercaps, Ultracaps) handelt es sich um elektrochemische Kondensatoren ohne eigentliches Dielektrikum. Sie haben stattdessen ein Elektrolyt mit positiv und negativ geladenen Ionen. Hier wird die Energie in sogenannten Helmholtz-Doppelschichten gespeichert. Der Wirkungsgrad liegt zwischen 85 und 95%.

In supraleitenden magnetischen Energiespeichern (SMES) wird Strom im Magnetfeld einer supraleitenden Spule, in denen Strom widerstandfrei fliessen kann, gespeichert. Hierzu muss die Temperatur allerdings unter die Sprungtemperatur von maximal 90 K gekühlt werden, was den eigentlich sehr hohen Wirkungsgrad von 97 % abschwächt.

Elektrochemische Speicher

Im Innern von Blei-Säure-Batterien befinden sich zwei Elektroden in einem Elektrolyt aus verdünnter Schwefelsäure. Sie sind sehr robust, günstig, wartungsarm, sicher, einfach zu recyceln, haben einen Wirkungsgrad von 82% und keinen Memory-Effekt. Dafür haben sie allerdings eine geringe Energiedichte, entladen sich schnell und sich deshalb nur schlecht lagerfähig.

Nickel-basierte Batterien spielen eine grosse Rolle bei portablen Anwendungen, wie z. B. Hybridfahrzeugen. Sie zeichnen sich durch ihre hohe Energiedichte, Robustheit, einen Wirkungsgrad von 85 bis 95 % und eine hohe Zyklenzahl aus. Sie sind durch das eingesetzte Cadmium allerdings toxisch.

Ohne Lithium-Ionen-Batterien wären die Elektrifizierung des Verkehrs und dezentrale Batteriespeicher kaum möglich. Ihre Speicherdichte hat sich in den letzten 10 Jahren praktisch verdreifacht, gleichzeitig gingen die Kosten stark zurück – und das bei einem Wirkungsgrad von bis zu 95%.

Zu den Natrium-basierte Batterien (Hochtemperaturbatterien) gehören Natrium-Nickelchlorid-Batterien und Natrium-Schwefel-Batterien, die aus einer flüssigen Natrium-Anode und Schwefel-Kathode bestehen, welche mit einer festen Elektrode verbunden sind. Sie brauchen mindestens 300°C, um zu funktionieren.

In Redox-Flussbatterie wird Energie durch zwei chemische Komponenten bereitgestellt, die von einer Membran getrennt durch das Batteriesystem gepumpt werden. Der Elektronenaustausch findet über diese Membran statt.

Chemische Speicher

Mit chemischen Speichern kann elektrische Energie durch ein Power-to-Gas-Verfahren in Wasserstoff oder synthetischem Methan gespeichert werden. Bei der Wiederverstromung von Wasserstoff in einer effizienten Brennstoffzelle liegt der Wirkungsgrad bei 35 bis 50%. Wird Methan einem effizienten Gas-Kombi-Kraftwerk verstromt liegt er bei ca. 47%.

Thermische Speicher

Der Sensible Speicher gibt über einen Wärmestrom Energie an ein Speichermedium, das eine andere Temperatur als die Umgebung hat und isoliert sein muss. Die Speichermenge hängt dabei von der spezifischen Wärmekapazität, der Masse des Speichers und der Temperaturdifferenz zur Umgebung ab. Sie sind als Warmwasserspeicher weit verbreitet.

Latente Wärmespeicher speichern thermische Energie in einem Phasenwechsel des Speichermediums. Sie können schon sehr kleine Temperaturunterschiede zur Speicherung nutzen und haben bei konstanten Betriebstemperaturen eine höhere Energiedichte als sensible Speicher.

Ein Thermochemischer Speicher speichert Energie durch eine chemische Reaktion, bei der zwei chemisch gebundene Stoffe durch Wärme getrennt werden. Bringt man sie wieder zusammen reagieren sie und geben Wärme ab.

Die «Carnot-Batterie» gehört zu den neueren «Power-to-Heat-to-Power»-Konzepten, bei denen klassische Kraftwerke umgenutzt werden. Um Strom zu speichern, wird mittels einer speziellen Art Wärmepumpe Hitze in einem Hochtemperaturspeicher gesammelt. Wird der Strom gebraucht, wird die Hitze mittels einer Gasturbine wieder in Strom umgewandelt.

Ebenfalls ein neueres «Power-to-Heat-to-Power»-Konzept ist die Flüssigluft-Energiespeicherung (kryogene Energiespeicher). Hier werden sehr tiefe Temperaturen und hoher Druck genutzt, um Luft zu verflüssigen. Um aus ihr wieder Strom zu gewinnen, wird die Luft verdampft und über eine Turbine Strom erzeugt.

Ob kleine Homespeicher oder riesige netzgebundene, sie alle können uns dabei helfen, den Wechsel hin zu erneuerbaren Energien zu vollziehen, ohne die Versorgungssicherheit aufgeben zu müssen. Und bei dem gegenwärtigen technologischen Fortschritt, können wir uns auf Technologien freuen, die heute noch wie Magie wirken.

Wenn Sie Fragen zum Thema Energiespeichertechnologien haben, können Sie gerne unseren Energieberater kontaktieren.