Unter Energiespeichersystemen werden im Allgemeinen Systeme verstanden die Energie in Zeiten, in denen sie reichlich vorhanden ist, speichern und bei Bedarf freigeben. Energiespeichersysteme erleichtern die Integration Erneuerbarer und dezentraler Energiequellen, helfen die Schwankungen der Erneuerbaren Energien auszugleichen, Nachfragespitzen zu bewältigen, und verbessern den Energiezugang und die Sicherheit.
Die zunehmende Nutzung Erneuerbarer Energiequellen, Umweltbelange, die Modernisierung des Netzes und die Energieunabhängigkeit sind wichtige Treiber für Energiepeichersysteme. Dadurch werden Erneuerbare Energien zuverlässiger und konsistenter. Die Notwendigkeit, die Treibhausgasemissionen zu reduzieren und dadurch die Auswirkungen des Klimawandels abzumildern, treibt das Wachstum von Erneuerbaren Energien und Energiespeichersystemen voran. Integration und Innovation in diesem Sektor können dazu beitragen, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern und eine nachhaltigere Energiezukunft zu fördern.
Auch im Bereich des Stromnetzes spielen Speichersysteme eine wichtige Rolle. Die veraltete Infrastruktur und die steigende Stromnachfrage machen eine Modernisierung des Netzes erforderlich. Energiespeichersysteme können dazu beitragen, die Zuverlässigkeit und Stabilität des Netzes zu verbessern. Dezentrale Speichersysteme können die Unabhängigkeit der Verbraucher vor Stromausfällen und vom Stromnetz stärken
Klassifizierung von Speichertechnologien
Energiespeicher gibt es in vielen Formen und Größen. Je nach Anwendung stehen unterschiedliche Arten von Energiespeichertechnologien zur Verfügung. Beispiele hierfür sind mechanische, chemische, elektrische, elektro-chemische und thermische Speicher mit jeweils unterschiedlichem technologischen Entwicklungsstand. Lithium-Ionen-Batterien, Pumpspeicherkraftwerke und einige thermische Speicheroptionen haben sich bereits bewährt und sind für den kommerziellen Einsatz verfüg bar, andere Speicherlösungen hingegen benötigen noch Forschungsbedarf.
Energiespeicher lassen sich anhand der Speicherdauer in Kurzzeit- und Langzeitspeicher unterteilen. Je nach betrachteter Zeitskala kommen verschiedene Technologien zum Einsatz. Kurzzeitspeicher speichern die jeweilige Energie für Sekunden bis zu einem Tag, besitzen einen hohen Speicherwirkungsgrad und weisen hohe Zyklenzahlen auf. Zu ihnen zählen u.a. Schwungradspeicher und Kondensatoren (als Sekundenspeicher), Akkubatterien (als Minuten- bis Tagesspeicher) und Pumpspeicher (Stunden- bis Tagesspeicher). 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.
Speicherformen
Es stehen mehrere Speicherformen zur Verfügung, die Wesentlichen sind neben Pumpspeichern und Batterien der grüne Wasserstoff und Power-to-Gas. Die wichtigste der derzeitigen Speichermöglichkeiten für Erneuerbare Energien ist, mit einem Anteil von über 90%, das Pumpspeicherkraftwerk und ist gleichzeitig bis heute die einzige wirklich effiziente Speichertechnologie. Pumpspeicherkraftwerke pumpen Wasser in ein hoch gelegenes Reservoir, um später (bei höherem Strombedarf) das Wasser mit Hilfe von Turbinen wieder energetisch zu nutzen. Pumpspeicherkraftwerke erreichen einen Wirkungsgrad von bis zu 85%. Bei Bedarf kann Strom so binnen weniger Minuten ins Netz gespeist werden. Dies ist für den Ausgleich plötzlicher und unvorhersehbarer Netzfrequenzschwankungen besonders wichtig. Pumpspeicherkraftwerke haben hohe Standortanforderungen und bedeuten hohe Anfangsinvestitionskosten. Batterien sind durch eine hohe Energie- und Leistungsdichte gekennzeichnet und weisen Wirkungsgrade zwischen 40% bei Metall-Luft-Batterien und 95% bei Lithium-Ionen-Batterien auf. Batterien sind optimale Kurzzeitspeicher. Die kompakte Bauweise und die Unabhängigkeit von hydrologischen und geologischen Ressourcen machen Batterien zu einer vielseitigen und skalierbaren Technologie. Die aktuellen Einsatzgebiete reichen vom Elektroauto über Energiespeicher in Haushalten bis hin zum Großspeicher. Als Energiespeicher der Zukunft werden der grüne Wasserstoff und Power-to-Gas gesehen. Als grün gilt Wasserstoff dann, wenn er aus Wasser mit erneuerbarem Strom abgespalten wird. Emissionsfrei, aber kostenintensiv lässt sich das Gas durch eine Reihe chemischer Reaktionen gewinnen. Das Speicherpotenzial ist eine seiner größten Stärken. Einmal hergestellt, hat er die Eigenschaften von Benzin oder Diesel. Das Gas kann über Jahre bereitgehalten werden, was für eine große Flexibilisierung des Stromnetzes sorgen kann. Wasserstoff kann durch Zugabe von CO2 zu synthetischem Methan umgewandelt und wie Erdgas verwendet werden. Die Nachteile von Wasserstoff sind nach wie vor die aufwendige und kostenintensive Herstellung sowie der hohe Primärenergiebedarf bei der Produktion. Die bekannten Energiespeicher und ihre derzeitige Anzahl werden nicht ausreichen, um Erneuerbare Energien stabil und zuverlässig nutzen zu können. Es ist daher wichtig, dass in Zukunft der Fokus vermehrt auf die Forschung an Energiespeichersystemen gelegt wird.
Der Einfluss der Erneuerbaren auf ein stabiles Stromnetz
Während sich aus fossilen Energieträgern wie Kohle, Erdgas und Erdöl relativ konstant Energie gewinnen lässt, ist das bei manchen Erneuerbaren nicht der Fall. Insbesondere Sonnen- und Windenergie unterliegen abhängig von der Witterung und den Jahreszeiten starken Schwankungen. Dies behindert die Möglichkeit, einer vollständigen Energieunabhängigkeit, die sich allein auf Erneuerbare Quellen stützt. Eine planbare Energiegewinnung ist jedoch wichtig, nicht nur, damit Haushalte und Industrie zuverlässig versorgt werden können, sondern auch, weil das Stromnetz nur dann stabil arbeitet, wenn Erzeugung und Verbrauch jederzeit im Gleichgewicht sind. Bereits jetzt sind zahlreiche Möglichkeiten vorhanden, Energie zu speichern. Die Energiespeicher der Zukunft werden jedoch noch deutlich wirkungsvoller arbeiten müssen, um den wachsenden Anforderungen gerecht zu werden.
Ausblick
Neben den Energiespeichern müssen sich auch die Verbraucher*innen bereiterklären, den Strom möglichst netzdienlich (zeitlich flexibel) zu nutzen. Dies kann beispielsweise durch flexible Stromtarife oder Lastenmanagementoptionen unterstützt werden. In Zukunft können durch die Vernetzung vieler kleiner dezentraler PV-Speicher und E-Autobatterien Stromschwankungen ganz einfach ausgeglichen werden. Dabei wird überschüssig gewonnener Strom in den jeweiligen Batterien gespeichert und bei Bedarf wieder ins Netz abgegeben. Energiespeichersysteme sind für die weitere Entwicklung der Erneuerbaren Energiequellen und die Dezentralisierung der Energiegewinnung von entscheidender Bedeutung. Da sich die Technologie weiter verbessert und die Kosten bei einem Ausbau der Erneuerbaren weiter sinken werden, wird die Energiespeicherung eine immer wichtigere Rolle beim Übergang zu einem nachhaltigeren und widerstandsfähigeren Energiesystem spielen.
