Wie kriegen wir Strom in die Dunkelflaute?
Stromspeicher haben viele Funktionen: Wenn bei viel Sonne und Wind zu viel Strom im Netz ist, können Speicher entlasten. Bei Dunkelflauten können sie Strom ins Netz abgeben. Welche Möglichkeiten es gibt, um Strom über das gesamte Jahr hinweg verfügbar zu machen und die Energiewende erfolgreich umzusetzen, zeigen wir in dieser Grafik.
© SFV Wie kriegen wir Strom in Zeiten von Dunkelflauten und ein stabiles Netz, wenn Sonne und Wind zu viel Energie liefern? Wir stellen mögliche Speichertechnologien vor.
- Pumpspeicher-Kraftwerke
Pumpspeicherkraftwerke sind mechanische Energiespeicher: Mit überschüssigem Strom wird Wasser in einen Obersee gepumpt, bei Strombedarf rauscht das Wasser aus dem See durch Turbinen, treibt sie an und erzeugt so wieder elektrische Energie für mehrere Stunden. Sie dienen als Kurzzeitspeicher, wobei durch die Lagerung des Wassers im See auch über Monate riesige Mengen Strom gespeichert werden kann. Das größte Pumpspeicherkraftwerk Goldisthal in Thüringen hat eine elektrische Speicherkapazität von 8,5 GWh und eine Maximalleistung von 1 Gigawatt. Bei Turbinenvolllast kann 9 Stunden lang 1 GW ins Netz abgegeben werden. In Deutschland stehen 28 aktive Pumpspeicherkraftwerke mit ca. 6,3 GW Leistung und einer Stromspeicherkapazität von 35 – 40 GWh. Viel mehr gibt unser Land geografisch nicht her. - Batterien: Heim- & Quartierspeicher
Batterien speichern elektrische Energie über elektrochemische Reaktionen in den Batteriezellen. Dabei unterscheiden sie sich nicht nur hinsichtlich ihrer Kapazitäten und Größen, sondern auch in Bezug auf ihre Zellchemie. Bei Heim- oder Quartierspeichern kommen oft Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP) zum Einsatz, die ohne Cobalt oder Nickel auskommen. Mit Batteriespeichern kann der Eigenverbrauchsanteil einer PV-Anlage gesteigert werden, da Strom vom Tag auch abends und nachts verfügbar ist. Batterie-Heim- oder Quartierspeicher sind daher Kurzzeitspeicher. Wenn sie smart gesteuert werden, können sie auch die Netze stabilisieren. Bis heute sind fast 2 Mio. dezentrale Stromspeicher mit einer Kapazität von knapp 18 GWh installiert. - Batterien: Elektroautos
Der private Individualverkehr wird zukünftig hauptsächlich batterie-elektrisch sein. Die meisten der verbauten E-Autobatterien, insg. Kapazitäten von 115 GWh, können zurzeit nur mit Strom “betankt” werden. Da die Kapazitäten von E-Auto-Batterien ein Vielfaches größer sind als Batterie-Heimspeicher, sollen E-Autos in Zukunft auch Wohnungen oder Quartiere mit Strom versorgen und die Netze durch die flexible Strom-Auf- und entnahme stabilisieren (bidirektionales Laden). Um in Elektroautos bei begrenztem Bauraum möglichst große Reichweiten zu erzielen, werden Zell-Chemien mit besonders hoher Energiedichte genutzt. Hier kommen Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz, in Kombination mit Nickel, Mangan, Cobalt (NMC) oder Nickel, Cobalt, Aluminium (NCA). Wir hoffen, dass in Zukunft auch weniger bedenkliche Batterie-Typen verwendet werden. - Batterien: Großspeicher
Batterie-Großspeicher sind stationäre Speicher, die auch auf Zellchemie mit einer geringen Energiedichte zurückgreifen, dafür aber eine höhere Zyklenfestigkeit, geringere Brandgefahr, niedrigere Kosten oder eine bessere Umweltbilanz aufweisen, wie z. B. Lithium-Eisenphosphat- (LFP) oder Natrium-Ionen-Zellen. Insgesamt sind knapp 3 GWh installiert. Sie dienen sowohl der Netzstabilisierung als auch der Versorgungssicherheit. Aktuell gehen sehr viele Netzanschluss-Anfragen bei den Netzbetreibern ein, weil der Betrieb von Großspeichern aufgrund niedriger Börsenstrompreise und hoher Bedarfe rentabel wird. - Power to Gas
Für die Langzeitspeicherung von Energie kommen z.B. Wasserstoff oder synthetisches Methan in Frage. Beides wird über Power-to-Gas-Verfahren gewonnen. Dabei wird mit (erneuerbarem) Strom in einem elektrochemischen Prozess Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) gespalten. Dieser Vorgang heißt Elektrolyse. Der Wasserstoff kann komprimiert, verflüssigt oder in andere Energieträger wie Methan (CH4) umgewandelt werden. Für eine spätere Verwendung können die Power-to-Gas-Produkte in speziellen Tanks oder Kavernen gespeichert werden. Für die Stromerzeugung wird Wasserstoff oder Methan verbrannt: Die heiße Luft treibt Turbinen an und ein Generator erzeugt elektrische Energie. Alternativ wird Wasserstoff in einer Brennstoffzelle mit Sauerstoff in Verbindung gebracht, auch dabei entstehen Strom und Wärme. Der größte Nachteil bei Power-To-Gas-Verfahren sind die hohen Wirkungsgradverluste bei allen Prozessschritten: Bei Wasserstoff zur Stromerzeugung bleibt nur ca. 30 % der eingesetzten Energie übrig. - Biogas und Biomethan
Methan kann auch über Biogasanlagen gewonnen werden. Aus Biomasse wie Gülle, Kompost, Mist oder Energiepflanzen entsteht durch Vergärung Rohbiogas, welches zu Biomethan aufbereitet werden kann. Beide Stoffe können in einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage direkt in Strom und Wärme umgewandelt werden. Biomethan kann zudem auch direkt ins Erdgasnetz eingespeist werden. Wenn Anlagen flexibel betrieben werden, können sie Stromnetze entlasten. Gespeichert wird das Biomethan in Gasdruckbehältern (z. B. als CNG – komprimiertes Methan), oder in unterirdischen Gasspeichern (wie Erdgas). - Power to Liquid – synth. Methanol
Wasserstoff kann auch in flüssige, chemische Energieträger wie Methanol umgewandelt werden. Dafür wird Wasserstoff mit Kohlendioxid synthetisiert und anschließend verflüssigt. Den Prozess nennt man Power-to-Liquid. Der Vorteil zu Wasserstoff: Methanol muss nicht energieaufwendig verdichtet werden und hat einen etwa fünfmal so hohen Energieinhalt pro Volumen. Methanol lässt sich dadurch sehr gut über lange Zeit speichern. In einer Brennstoffzelle / Gasturbine kann es bei Bedarf zur Wärme- und Stromversorgung genutzt werden. Aber auch die Nutzung als Treibstoff, besonders für Landmaschinen, ist denkbar. Der Wirkungsgrad für die Stromerzeugung liegt auch hier nur bei 18-34 Prozent (wenn die Abwärme der Prozessschritte nicht genutzt wird). - Forschung
Weitere Speichertechnologien befinden sich noch in Pilot-Phasen: Graphen-Speicher, die das leitfähige und stabile Material Graphen zur Energiespeicherung in Form von Batterien oder Superkondensatoren nutzen. Oder Schwungradspeicher, die innerhalb von Millisekunden Energie aufnehmen und wieder abgeben können und so zur Netzstabilisierung beitragen. Welche Rolle diese Speicher für die Energiewende in Zukunft einnehmen werden, wird sich zeigen.