Energiespeicher

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Energiespeicher dienen der Speicherung von überschüssiger Energie zur späteren Nutzung. Im Bedarfsfalle wird die Energie zurückgewandelt. Ein Beispiel ist die Wandlung chemischer Energie (Brennstoff) in thermische Energie (Wärme) und weiter zur Elektrizität. Sowohl bei der Speicherung als auch bei der Energieumwandlung treten immer - meist thermische - Verluste auf.

Einteilung und Übersicht[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Nach Energieform[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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:

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

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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Zudem lassen sich Energiespeicher anhand der Speicherdauer in Kurzzeit- und Langzeitspeicher unterteilen. Unterschiedliche Schwankungsmuster von Photovoltaik (PV), Wind und Stromverbrauch erfordern zudem Kapazitäten für verschieden lange Zeiträume. Je nach betrachteter Zeitskala kommen verschiedene Technologien zum Einsatz, wobei sich folgende Zeitfenster ausmachen lassen:[1]

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

Kurzzeitspeicher speichern die jeweilige Energie für Sekundenbruchteile bis zu einen Tag, besitzen eine 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.[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- und Kraftstoffe sowie manche Pumpspeicher.[2]

Speichern elektrischer Energie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

Die monetäre Wirtschaftlichkeit des Verfahrens steht bei Energiespeicherung meist im Vordergrund, also die Investitions- und Betriebskosten der Anlage und der Gesamtwirkungsgrad.[3] 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.

Verfahren[4] 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 ? 30–2000 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 1 Mio 95 0,1–10 1200[5] 100 s
Batterie-Speicherkraftwerk
(mit Akkumulatoren)
27[6] etwa 1000 [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
Pumpspeicherkraftwerk >3000[10] >1000 80 0 71 3-5 (Speicherdauer 1 Tag)[11] 0,1–3,3 8 h
Druckluftspeicherkraftwerk 290 ? 42[12]–54[13] ? Pilotanlagen[14] heute:5, ab 2016:3 (Speicherdauer 1 Tag)[11] 9 2 h
Wasserstoff 0,2 30.000 h[15]
(Brennstoffzelle)
34–62[16] 0,1 Versuchsanlagen[17] heute:25, ab 2016:10 (unabhängig von Speicherdauer)[11] 33.300[18] 0,5 h
Methansynthese ? 30–54[16] < 0,00001 Versuchsanlagen[19] 14.000 Wochen
Hochtemperatur-Wärmespeicher 40–50 0,01 Versuchsanlagen[20][21] 100–200[22]

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 ist bekannt, dass sie in Ausnahmefällen 7000 Zyklen aushalten, im Regelfall (Autoakku) aber nach 1000 Zyklen ersetzt werden müssen.
  • 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).

Speicherbedarf durch die Energiewende[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Energiewende

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 Stromspeichern ergeben. Dabei muss sich auch ökonomisch jeder Speicher gegen die technisch verfügbaren Alternativen durchsetzen. Einige dieser Alternativen sind Demand Side Management, Demand Response, zusätzliche Stromleitungen oder die Nutzung von Synergieeffekten (z. B. die geschickte Kombination von Wasser- und Solar/Windenergie). Während bei vergleichsweise niedrigen Anteilen keine Notwendigkeit für jedwede Integrationsmaßnahmen besteht, müssen ab der zweiten Phase der Energiewende, in der Deutschland mittlerweile angekommen ist, zusätzliche Maßnahmen wie z. B. der Aufbau von 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 hingegen 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 hingegen der letzte Schritt bei der Umstellung des Energiesystems hin zu 100 % Erneuerbaren Energien.[23]

Zu früh aufgebaute Speicherinfrastruktur kann sich hingegen ökologisch kontraproduktiv auswirken. So ist z. B. bis zu einem Anteil von ca. 40 % erneuerbaren Energien an der Jahresstromproduktion eine flexiblere Fahrweise 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.[24] 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.[25]

Marktentwicklung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Für Hauseigentümer mit eigener Stromerzeugung durch Photovoltaik lassen sich seit etwa 2013 dezentrale Stromspeicher wirtschaftlich betreiben. Nach Angaben des Bundesverbandes Solarwirtschaft sind 2014 die Preise von Batteriespeichern um 25 % gefallen. Seit Mai 2013 fördert die KfW die Installation von Batteriespeichern einschließlich Anreizen zur Netzstabilisierung. Dadurch stieg die Nachfrage sprunghaft an.[26] Nachdem die Förderung von Batteriespeichern zunächst zum 31. Dezember 2015 auslaufen sollte, wurde die Förderung entgegen der ursprünglichen Haltung von Sigmar Gabriel nach heftiger Kritik von zahlreichen Verbänden und Unternehmen dennoch in modifizierter Version verlängert.[27][28] Es ist erwartet, dass Heimenergiespeicherung immer präsenter werden wird, angesichts der wachsende Bedeutung von dezentralen Stromerzeugung (vor allem Photovoltaik) sowie die Tatsache, dass Gebäude die größte Anteil von Energieverbrauch darstellen.[29] Ein Haushalt ausgestattet mit Photovoltaik kann Stromselbstversorgung von maximal etwa 40 % erreichen. Um eine höhere Selbstversorgung erreichen zu können, wird Energiespeicherung benötigt, angesichts der Nichtübereinstimmung zwischen Energieverbrauch und der Energieproduktion aus Photovoltaik.[29]

Die Kombination von Photovoltaik mit Batteriespeichern hat insbesondere in Bayern und Nordrhein-Westfalen hohen Zubau erfahren, wie das Speichermonitoring des Bundeswirtschaftsministeriums zeigt.[30] 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 Stromspeicherung oder zur Bereitstellung von Regelleistung dienen.[31]

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Portal: Energie – Übersicht zu Wikipedia-Inhalten zum Thema Energie

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Peter Birke, Michael Schiemann: Akkumulatoren: Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft elektrochemischer Energiespeicher. Utz, München 2013, ISBN 978-3-83160-958-1.
  • Michael Sterner, Ingo Stadler: Energiespeicher – Bedarf, Technologien, Integration. Springer, Berlin 2014, ISBN 978-3-642-37379-4.
  • Erich Rummich: Energiespeicher. Grundlagen, Komponenten, Systeme und Anwendungen, Expert, Renningen 2009, ISBN 978-3-8169-2736-5.
  • Robert A. Huggins: Energy storage - fundamentals, materials and applications. Springer, Cham 2016, ISBN 978-3-319-21238-8.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Ludwig Einhellig und Andreas Eisfelder, Stromspeicher als intelligente Lösung für den deutschen Markt?, S. 34.. In: Energiewirtschaftliche Tagesfragen (2012) Abgerufen am 22. April 2015.
  2. a b Michael Sterner, Ingo Stadler: Energiespeicher – Bedarf, Technologien, Integration. Springer, Berlin 2014, S. 41f.
  3. 100 Prozent minus Verluste bei Umwandlung und Speicherung gleich Gesamtwirkungsgrad
  4. Stromspeicher-Technologien im Vergleich, auf energieverbraucher.de
  5. flywheels (PDF; 1,1 MB) Zugriff am 2. Oktober 2010.
  6. Batteries for Large-Scale Stationary Electrical Energy Storage (PDF; 826 kB), The Electrochemical Society Interface, 2010, (engl.)
  7. Geschlossene Bleibatterie [1] abgerufen Juni 2016
  8. Sony LifePO4-Akku Seite 8: nach 8000 Ladezyklen mit 100% DOD 74% Restkapzität (Anmerkung: Akku kam 2009 auf den Markt.) , abgerufen am 6. Februar 2015.
  9. Stand Anfang 2015, siehe Akkupreise
  10. Dominion: Bath County Pumped Storage Station, abgerufen am 21. November 2013.
  11. a b c vde.com siehe Bild 4, Tagesspeicherung, eingefügt 13. Mai 2014
  12. siehe Kraftwerk Huntorf (Niedersachsen)
  13. siehe Kraftwerk McIntosh (Alabama/USA)
  14. Es gibt weltweit zwei Anlagen (Stand 2011). Eine dritte ist in Planung, siehe Druckluftspeicherkraftwerk Staßfurt, geplante Fertigstellung 2013.
  15. U.Bünger, W.Weindorf: Brennstoffzellen - Einsatzmöglichkeiten für die dezentrale Energieversorgung. Ludwig-Bölkow-Systemtechnik, Ottobrunn 1997.
  16. a b Gutachten des Fraunhofer IWES zum Thema: Windgas (PDF; 2,1 MB)
  17. Versuchsanlagen zur Speicherung von Wasserstoff
  18. Technische Eigenschaften von Wasserstoff
  19. IDW-Online 29. November 2011
  20. DLR Wärmespeicher HOTREG
  21. RWE Power entwickelt Hochtemperatur-Wärmespeicher für GuD-Kraftwerke
  22. Wärmespeicher
  23. Vgl. Henning et al, Phasen der Transformation des Energiesystems. In: Energiewirtschaftliche Tagesfragen 65, Heft 1/2, (2015), S. 10-13.
  24. Michael Sterner, Ingo Stadler: Energiespeicher – Bedarf, Technologien, Integration. Berlin - Heidelberg 2014, S. 95.
  25. Martin Zapf: Stromspeicher und Power-to-Gas im deutschen Energiesystem. Rahmenbedingungen, Bedarf und Einsatzmöglichkeiten. Wiesbaden 2017, S. 133.
  26. Hannover Messe / BEE: Der positive Beitrag dezentraler Stromspeicher für eine stabile Energieversorgung. Studie, 2015, PDF
  27. TWCportal: Photovoltaik & Solarthermie Förderung 2016
  28. Energiesysteme 360°: Solarstrom-Speicherförderung wird bedingt verlängert
  29. a b Guilherme de Oliveira e Silva, Patrick Hendrick: Lead–acid batteries coupled with photovoltaics for increased electricity self-sufficiency in households. In: Applied Energy. Band 178, 2016, S. 856–867, doi:10.1016/j.apenergy.2016.06.003.
  30. Speichermonitoring
  31. Aus alten Autobatterien werden Speicher. In: Energie und Management, 4. November 2015. Abgerufen am 5. Juni 2016.