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Energiespeicher

Definition: Anlage, die Energie aufnehmen und später wieder abgeben kann

Englisch: energy storage

Kategorie: Grundbegriffe

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 24.11.2012; letzte Änderung: 31.03.2019

Ein Energiespeicher ist eine Anlage, die Energie aufnehmen und später wieder abgeben kann. In der Regel wird die Energie in der gleichen Form entnommen, in der sie eingespeichert wurde. Jedoch wird sie nicht unbedingt in der gleichen Form gespeichert. Beispielsweise wird in einem Pumpspeicherkraftwerk elektrische Energie zur Speicherung in mechanische Energie (und zwar Lageenergie) umwandelt und später wieder zurück in elektrische Energie.

Energiespeicher gibt es für unterschiedliche Energieformen:

Manche Speicheranlagen verwenden gänzlich unterschiedliche Technologien für die Ein- und Ausspeicherung. Beispielsweise kann ein Speicher für elektrische Energie realisiert werden durch Kombinieren eines Elektrolyseurs (der mit elektrischer Energie Wasserstoff erzeugen kann), eines Wasserstofftanks und einer Brennstoffzelle (für die Rückumwandlung in elektrische Energie).

Ein erweiterter Begriff von Energiespeichern kann solche Anlagen umfassen, bei denen die Energie in einer anderen Form entnommen als eingespeichert wird. Beispielsweise könnten Stromüberschüsse zur Erzeugung von EE-Gas verwendet werden, welches dann ins Gasnetz eingespeist und z. B. für Gasheizungen verwendet wird. Elektrospeicherheizungen wandeln elektrische Energie in Wärme um und speichern sie als solche. Ebenfalls gibt es Speicher, deren Kapazität nur durch natürliche Ressourcen aufgefüllt wird.

Typische Anwendungen von Energiespeichern

Es gibt sehr unterschiedliche Anwendungen von Energiespeichern. Einige Beispiele hierfür:

  • Speicher für elektrische Energie können momentan überschüssige Erzeugungsleistungen von Kraftwerken speichern und später wieder abgeben, wenn der Verbrauch höher oder die Erzeugungsleistung geringer ist. Dies wird z. B. mit Pumpspeicherkraftwerken und Druckluftspeicherkraftwerken realisiert.
  • Wenn erneuerbare Energien einen großen Teil der Stromerzeugung übernehmen sollen, wäre ein Ansatz der, in großem Umfang Speicher (z. B. Solarstromspeicher) einzusetzen, um die fluktuierenden Einspeisungen und den Strombedarf miteinander in Einklang zu bringen. Dafür gut geeignete (verlustarme und kostengünstige) große Speicher sind allerdings bis auf weiteres nicht verfügbar.
  • Wärmespeicher (z. B. Warmwasserspeicher) werden oft verwendet, um kurzfristig hohe Leistungen zur Verfügung stellen zu können. Die Nachladung erfolgt u. U. über längere Zeit, z. B. mit einer Wärmepumpe geringer Leistung.
  • Saisonale Speicher für Wärme oder auch elektrische Energie können Überschüsse im Sommer aufnehmen und im Winter abgeben.
  • Fahrzeuge benötigen einen Speicher für die Antriebsenergie, wenn keine stetige Energiezufuhr während der Fahrt möglich ist (etwa durch eine Oberleitung).

Grundlegende Charakteristika von Energiespeichern

Energiespeicher haben eine Reihe wichtiger Charakteristika, die über ihre Eignung für verschiedene Zwecke entscheiden:

  • Von zentraler Bedeutung ist die Speicherkapazität. Sie gibt an, wie viel Energie dem Speicher entnommen werden kann, nachdem er vollständig geladen wurde.
  • Vor allem bei mobilen Anwendungen (etwa Elektroautos) kommt es auch auf eine hohe Energiedichte an, als auf eine hohe spezifische (gewichts- oder volumenbezogene) Speicherkapazität, weil ein Speicher ausreichender Kapazität sonst zu groß oder schwer würde.
  • Es gibt Grenzen für die Leistung, mit der Energie ein- oder ausgespeichert werden kann. Man spricht von der maximalen Beladungsleistung (oder Einspeiseleistung) bzw. Entnahmeleistung (oder Ausspeiseleistung), die unterschiedlich sein können. Solche Grenzen sind nicht unbedingt scharf definiert; es kann sein, dass der Wirkungsgrad oder die Lebensdauer bei höheren Lade- oder Entnahmeleistungen leidet, oder dass hohe Leistungen längerfristig zu Überhitzungen führen würden, kurzfristig aber möglich sind. Auch hier kann die spezifische (gewichts- oder volumenbezogene) Leistung (die Leistungsdichte) relevant sein.
  • Manche Energiespeicher können praktisch ohne Verzögerung entsprechend kurzfristig auftretendem Bedarf auf- oder entladen werden, während andere gewisse Vorlaufzeiten benötigen.
  • Es treten in der Regel Energieverluste auf, und zwar einerseits beim Ein- und Ausspeichern (insgesamt quantifiziert durch den Zykluswirkungsgrad) und andererseits während des Haltens der Ladung (Selbstentladung). Die Verluste beim Einspeichern sind tendenziell weniger relevant als die beim Ausspeichern, da sie die Kapazität des Speichers nicht beeinträchtigen.
  • Die Lebensdauer eines Speichers kann z. B. durch die Anzahl Lade-/Entladezyklen begrenzt sein oder auf ein gewisses Alter. Sie hängt häufig stark von den Betriebsbedingungen ab.
  • Von großer praktischer Bedeutung sind natürlich die Kosten für Bau und Betrieb eines Speichers.
  • Insbesondere Speicher mit hoher Energiedichte verursachen oft gewisse Gefahren durch Unfälle, bei denen die gespeicherte Energie plötzlich auf nicht gewollte Weise freigesetzt wird. Dies gilt beispielsweise für Talsperren, die bei Zerstörung in einem Erdbeben oder Krieg zerstörerische Flutwellen auslösen können, oder für Benzintanks und Batterien in Fahrzeugen bei Verkehrsunfällen.

Bei der Optimierung von Energiespeichern für gewisse Anwendungen müssen häufig Kompromisse eingegangen werden. Beispielsweise kann die Optimierung einer Batterie für hohe Leistung auf Kosten der Speicherkapazität und Lebensdauer gehen.

Langzeit- und Kurzzeitspeicher

Je nach den oben beschriebenen Charakteristika ist ein Speicher oft eher als Langzeitspeicher oder auch als Kurzzeitspeicher einsetzbar:

  • Ein Langzeitspeicher (z. B. saisonaler Speicher) muss seine Ladung über lange Zeiten ohne zu hohe Energieverluste halten können, d. h. eine geringe Selbstentladung aufweisen. Außerdem muss er, da typischerweise relativ wenige Lade-/Entladezyklen durchgeführt werden, geringe Kosten pro gespeicherter Energiemenge aufweisen. Sonst werden nämlich die Kosten pro entnommener Energiemenge sehr hoch.
  • Ein Kurzzeitspeicher erfährt meist häufigere Lade-/Entladezyklen, sollte also durch diese möglichst wenig an Lebensdauer verlieren. Die Energieverluste beim Ein- und Ausspeichern sind relevant, weniger die Verluste während des (kurzen) Speicherns. Häufig ist es auch wichtig, kurzzeitig eine hohe Leistung ein- oder ausspeichern zu können.

Für bestimmte Zeiträume vorgesehene Speicher werden auch z. B. als Tagesspeicher oder Wochenspeicher bezeichnet.

Die Einsetzbarkeit von Speichern z. B. als Langzeitspeicher hängt nicht nur von ihrer theoretischen technischen Eignung ab, sondern oft auch von wirtschaftlichen Aspekten. Beispielsweise können viele Pumpspeicherkraftwerke zwar als häufig eingesetzte Tagesspeicher (Umwälzwerke) sehr wirtschaftlich sein, als Langzeitspeicher (z. B. saisonale Speicher) dagegen keineswegs. Wenn nämlich pro Jahr nur wenige Lade-/Entladezyklen erfolgen, sind die anteiligen Kosten pro umgesetzter Kilowattstunde viel zu hoch. Deswegen verwendet man als saisonale Speicher eher Wasser-Speicherkraftwerke mit großen natürlichen Reservoirs, die mit leistungsstarken Turbinen nur zeitweise genutzt werden.

Beispiele

Batterien

Aufladbare Batterien dienen als Speicher für elektrische Energie. In der Regel sind als Kurzzeitspeicher gut geeignet; zumindest manche Typen können viele tausend Lade-/Entladezyklen überstehen und weisen dabei relativ geringe Energieverluste (z. B. rund 10 %) auf. Für Langzeitspeicher kommen sie dagegen nicht in Frage, selbst wenn sie eine geringe Selbstentladung zeigen: Die Kosten pro speicherbarer Kilowattstunde sind dafür zu hoch.

Beispielsweise kosten Anlagen mit Lithium-Ionen-Batterien grob geschätzt 800 € pro speicherbarer Kilowattstunde (Stand 2012). Wenn eine solche Anlage als saisonaler Speicher betrieben würde, wo nur einmal jährlich ein- und ausgespeichert wird, wären innerhalb einer Lebensdauer von z. B. 10 Jahren nur 10 Lade-/Entladezyklen möglich. Dann entstünden horrende Kosten von 80 €/kWh bezogen auf die entnommene Energie (ohne Betriebskosten). Man erkennt, dass selbst eine zehnfach günstigere Produktion oder eine viel längere Lebensdauer solche Batterien niemals als saisonale Speicher tauglich werden ließe.

Viel besser sieht es beim Einsatz in einem Elektroauto aus. Bei einem viel benutzten Fahrzeug könnten sich 500 Lade-/Entladezyklen pro Jahr ergeben, also 5000 innerhalb einer Lebensdauer von 10 Jahren. Dann wären die anteiligen Batteriekosten noch 16 ct/kWh bezogen auf die entnommene Energie. Dies ist immer noch viel – grob vergleichbar mit den Stromerzeugungskosten. Es ist aber gut vorstellbar, dass weitere technische Fortschritte diese Kosten bald auf ein akzeptables Niveau bringen.

Beim Einsatz im Elektroauto werden Hochleistungsbatterien benötigt, die kurzzeitig hohe Leistungen ein- und ausspeichern können. Lithium-Ionen-Batterien erfüllen diese Bedingung recht gut. Sie könnten ggf. noch um einen Superkondensator ergänzt werden, der so hohe Leistungen verlust- und verschleißarm bewältigen kann, aber eine geringe spezifische Speicherkapazität aufweist.

Speicherkraftwerke

Pumpspeicherkraftwerke pumpen Wasser in ein hoch gelegenes Reservoir, um später (bei höherem Strombedarf) damit mit Hilfe von Turbinen wieder elektrische Energie zu gewinnen. Hier sind die Kosten pro speicherbarer Kilowattstunde weitaus niedriger als bei Batterien, allerdings stark von den jeweiligen topographischen Bedingungen abhängig. Die Speicherung über längere Zeiträume wäre technisch ohne Weiteres möglich, aber wiederum ist der Betrieb viel wirtschaftlicher, wenn der Speicher häufig ge- und entladen wird; schließlich kann der Betreiber in aller Regel nur damit Einnahmen erzielen. Dem steht auch technisch nichts im Wege: Die verwendeten Pumpen und Turbinen können sehr viele Lade-/Entladezyklen überstehen, und die Energieverluste sind relativ gering (z. B. 15 bis 25 % pro Zyklus).

Anders ist die Situation bei Wasser-Speicherkraftwerken mit Stauseen, die nur durch natürliche Zuflüsse gespeist werden. Die begrenzten Zuflüsse erlauben nur eine begrenzte Betriebszeit pro Jahr, die dann natürlich in Zeiten hohen Strombedarfs und entsprechend hoher Preise an der Strombörse gelegt wird. Dies führt oft vorwiegend zu einem Einsatz als saisonaler Speicher, d. h. mit Stromproduktion vorwiegend im Winter. Natürlich gilt der Begriff Speicher hier insofern eingeschränkt, dass nicht elektrische Energie eingespeichert werden kann, sondern Energie aus natürlichen Zuflüssen.

Wärmespeicher

Ein Warmwasser-Pufferspeicher mit z. B. 400 Litern Volumen kann je nach Temperaturhub z. B. 20 Kilowattstunden Wärme speichern – genug z. B. für einen Tagesbedarf einer Familie an Warmwasser. Wünschenswert wären aber viel größere saisonale Speicher, die überschüssige Wärme von Sonnenkollektoren im Sommer einspeichern und für die Beheizung von Gebäuden im Winter bereitstellen könnten. Für ein gut wärmegedämmtes Einfamilienhaus ging es hierbei um eine Speicherkapazität der Größenordnung von 10 000 kWh. Eine Realisierung als Warmwasserspeicher mit hunderten von Kubikmetern ist aber schwierig, da hierfür eine sehr gute Wärmedämmung benötigt würde, um die Speicherverluste genügend gering zu halten.

Allerdings wird die Realisierung einfacher, wenn noch größere Warmwasserspeicher gebaut werden, die dann z. B. ganze Wohngebiete versorgen. Dies liegt nicht nur an den geringeren spezifischen Kosten, sondern auch weil das Verhältnis von Oberfläche und Volumen günstiger wird: Wenn beispielsweise alle Abmessungen doppelt so groß gemacht werden, steigt die Wärme verlierende (und zu dämmende) Oberfläche um einen Faktor 4 an, das Speichervolumen aber um den Faktor 8. Bei sehr großen Wärmespeichern ist eine Langzeitspeicherung also viel leichter möglich.

Es gibt auch die Möglichkeit der unterirdischen Wärmespeicherung in Aquiferen unter Verzicht auf jegliche Wärmedämmung. Die relativen Wärmeverluste bleiben gering einerseits wegen des günstigen Verhältnisses von Oberfläche und Volumen und andererseits wegen der erhöhten Umgebungstemperatur in ausreichend großer Tiefe.

Chemische Energiespeicherung

Chemische Energiespeicher sind eher als Langzeitspeicher geeignet – beispielsweise in Form von Power to Gas als saisonale Speicher für elektrische Energie. Sie weisen jedoch meist hohe Energieverluste bei Erzeugung und Verwendung auf. Wesentlich günstiger sind diesbezüglich Redox-Flow-Batterien, jedoch erlauben diese viel geringere Speicherkapazitäten als Power to Gas.

Wie relevant sind Speicherverluste?

Wie schädlich Energieverluste sind, die in Energiespeichern auftreten, hängt stark von der jeweiligen Anwendung, der Zielsetzung, den Randbedingungen und der gewählten ökonomischen Perspektive ab:

  • Wenn z. B. die Akkumulatoren eines Elektroautos Verluste aufweisen, erhöht dies entsprechend den Bedarf an elektrischer Energie beim Aufladen, was die Kosten erhöht und den Klimaschutzeffekt reduziert. Auch die Reichweite des Fahrzeugs kann beeinträchtigt werden. Solche Verluste sind also sehr unerwünscht.
  • Wenn ein Speicher nur gelegentlich anfallende überschüssige Energie aufnimmt, die anders auf keine Weise nutzbar wäre, können erhebliche Verluste beim Einspeichern oft akzeptiert werden – in dem Sinne, dass es eben keine bessere Lösung gäbe. Schädlicher sind Verluste beim Entladen, da dies die nutzbare Speicherkapazität reduziert.
  • Wenn Speicher am Stromnetz in großem Umfang z. B. überschüssige Windenergie aufnehmen sollten, wären hohe Verluste beim Einspeichern betriebswirtschaftlich akzeptabel, wenn der Überschussstrom zu sehr niedrigen Preisen eingekauft werden kann. Volkswirtschaftlich gesehen ist diese Marktsituation aber sehr unerwünscht, weil unter erheblichen Kosten erzeugter Strom viel von seinem Wert verlöre. Man wünscht sich also Speicher, die die Schwankungen des Börsenpreises für Strom erheblich reduzieren könnten. Dies setzt aber verlustarme Speicher zwingend voraus, da verlustreiche Speicher nur bei stark schwankenden Strompreisen betriebswirtschaftlich sinnvoll betrieben werden können. Deswegen kann z. B. der Ansatz Power to Gas das Problem der zeitlichen Fluktuation von Windenergie nur unvollständig lösen, weil der Zykluswirkungsgrad zu gering ist.

Mögliche Alternativen zu Energiespeichern

Die grundlegende Funktion von Energiespeichern ist es, zeitweilige Abweichungen zwischen Energieangebot und Verbrauch auszugleichen. Der Bedarf an Energiespeichern ist natürlich umso höher, je stärker und häufiger solche Abweichungen auftreten. Er kann also verringert werden, indem man entweder das Energieangebot besser steuerbar macht oder aber den Verbrauch besser dem Angebot anpasst. Beispielsweise kann dies im Bereich der elektrischen Energie so aussehen, dass man einerseits möglichst flexible (also schnell in der Leistung steuerbare) Kraftwerke einsetzt und andererseits mithilfe von Lastmanagement die Stromnachfrage möglichst in Zeiten mit gutem Angebot verlagert. Auch dies ist mit Kosten verbunden – beispielsweise weil flexible Gaskraftwerke höhere Betriebskosten haben als unflexible Kohlekraftwerke; dies muss ggf. mit den Kosten für zusätzliche Energiespeicher verglichen werden.

Ein weiterer Ansatz zur Verringerung des Bedarfs an Energiespeichern sind verbesserte Transportmöglichkeiten – im Stromsektor durch leistungsfähige Hochspannungsleitungen. Damit lassen sich Erzeugung und Verbrauch durch räumliche statt durch zeitliche Verlagerung ausgleichen. Dieser Ansatz ist oft wesentlich kostengünstiger als der Einsatz von Energiespeichern und bringt außerdem typischerweise deutlich geringere Energieverluste mit sich.

Der Artikel über Speicher für elektrische Energie enthält hierzu weitere Details.

Literatur

[1]Blog-Artikel: Spezifische Kosten von Energiespeichern
[2]Extra-Artikel: Energiespeicher und Stromnetze – was braucht die Energiewende?
[3]Extra-Artikel: Staatlich geförderte Solarstromspeicher – eine sinnvolle Ergänzung zur Photovoltaik?

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Energie, saisonaler Energiespeicher, Wärmespeicher, Speicher für elektrische Energie, Solarstromspeicher, Batterie, Pumpspeicherkraftwerk, Schwungradspeicher, chemische Energiespeicherung, Elektrospeicherheizung, Energiedichte, Leistung, Power to Gas, RP-Energie-Blog 2015-05-19, RP-Energie-Blog 2015-01-19
sowie andere Artikel in der Kategorie Grundbegriffe

Kommentare von Lesern

05.03.2019

Prinzipiell stimme ich dem Autor zu. Leider scheitert der Ausbau der Energienetze immer wieder an Bürgerinitiativen. Ich frage mich in diesem Zusammenhang immer wieder, ob man nicht z.B. in Bayern als erstes festlegt, dass der dort produzierte Atommüll auch dort eingelagert werden muss und man zweitens nicht endlich dort den Strom abdreht, wenn die Eigenerzeugung nicht mehr ausreicht. “Lieber heiliger Sebastian, schütz mein Haus - zünd andere an!”

Antwort vom Autor:

Ein schöner Vorschlag, nur wird vermutlich selbst der nicht angenommen werden!

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