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Speicher für elektrische Energie

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Definition: Anlagen, die elektrische Energie aufnehmen und später wieder abgeben können

Englisch: electrical energy storage

Kategorie: elektrische Energie

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 24.11.2012; letzte Änderung: 13.08.2016

Lesen Sie auch den Extra-Artikel "Energiespeicher und Stromnetze – was braucht die Energiewende?"!

Unter Speichern für elektrische Energie versteht man in der Regel Anlagen oder Geräte, die elektrische Energie aufnehmen und später wieder abgeben können – in manchen Fällen auch Geräte, denen Energie in anderer Form (z. B. als chemische Energie) zugeführt wurde und die dann elektrische Energie abgeben können.

Diverse Aspekte, die auch für andere Arten von Energiespeichern relevant sind, werden im Artikel über Energiespeicher diskutiert.

Arten von elektrischen Energiespeichern

Kondensatoren

Die direkte Speicherung elektrischer Energie – ohne Umwandlung in anderen Energieformen – ist möglich mit Kondensatoren. Diese speichern eine elektrische Ladung, die proportional zur angelegten elektrischen Spannung ist. Das Zuführen zusätzlicher elektrischer Ladung muss gegen diese Spannung erfolgen, erfordert also Energie und erhöht diese Spannung weiter. Die Spannung darf dabei aber nicht zu hoch werden, weil sonst ein elektrischer Durchschlag zur Zerstörung führt.

Die Verluste bei der Energiespeicherung in Kondensatoren sind sehr gering, und die Auf- und Entladung kann sehr schnell erfolgen, also mit hoher Leistungsdichte. Die Energiedichte ist aber gering, weswegen mit Kondensatoren nur relativ geringe Energiemengen gespeichert werden können. Dies gilt selbst für sogenannte Superkondensatoren mit besonders hoher Kapazität.

Nachteilig ist oft auch, dass die elektrische Spannung beim Laden und Entladen sehr stark variiert werden muss – viel mehr als bei Batterien.

Magnetische Speicher

Eine stromdurchflossene Spule erzeugt ein Magnetfeld, und auch dieses speichert Energie. Es gibt für die Energiespeicherung optimierte Apparate mit einem supraleitenden Magneten, wo der Strom widerstandslos fließen kann und deswegen keine Energieverluste während des Haltens der Ladung auftreten (außer durch Kühleinrichtungen u. ä.). Auch beim Laden und Entladen geht meist nur sehr wenig Energie verloren. Die Technik ist jedoch aufwendig, und die Energiedichte relativ gering, während die Leistungsdichte relativ hoch sein kann. Es gibt bisher kaum praktische Anwendungen für diese Technologie.

Batterien

In Akkumulatoren (aufladbaren Batterien) wird Energie in elektrochemischer Form gespeichert. Da die beim Aufladen stattfindenden Prozesse weitgehend reversibel (umkehrbar) sind, ist der dabei auftretende Energieverlust relativ gering – oft nur einige Prozent. Die Stärke der Selbstentladung hängt stark vom Batterietyp ab, ist meist aber moderat. Die Energiedichte ist wesentlich höher als bei allen Kondensatoren, aber doch sehr gering im Vergleich zu der von Brennstoffen. Deswegen ist es z. B. schwierig, batteriebetriebene Elektroautos mit großer Reichweite zu konstruieren.

Auch für Solarstromspeicher werden vereinzelt Akkumulatoren eingesetzt, obwohl sie für diese Anwendung viel zu hohe Kosten aufweisen.

Große Anlagen können als sogenannte Redox-Flow-Batterien ausgeführt werden, die sich allerdings noch in der Entwicklungsphase befinden. Hier wird eine mit Energie beladene Flüssigkeit extern in einem Tank gespeichert. (Häufig werden zwei Tanks für unterschiedliche Flüssigkeiten benötigt.) So ist eine hohe Speicherkapazität möglich, ohne dass das elektrochemische Bauteil sehr groß werden muss. Man erreicht damit also den zentralen Vorteil der chemischen Energiespeicherung.

Für die Langzeitspeicherung sind Batterien ungeeignet. Dies nicht etwa wegen der Selbstentladung, die bei manchen Batterietypen sehr schwach ist, sondern wegen der Kosten und der beschränkten Lebensdauer. Wenn eine Batterie z. B. nur wenige Male pro Jahr geladen und entladen würde, würden im Laufe der Lebensdauer nur sehr wenige Ladezyklen erreicht, und die Kosten pro Ladezyklus wären enorm hoch.

Schwungradspeicher

Beim Aufladen eines Schwungradspeichers wird ein Schwungrad mit Hilfe eines Elektromotors in schnelle Rotation versetzt. Beim Entladen dient in der Regel die gleiche Elektromaschine als Generator zur Stromerzeugung. Solche Speicher sind Kurzzeitspeicher mit hoher Leistung, aber begrenzter Energiedichte. Sie können beispielsweise Energie für das Fahren eines Elektrobusses von einer Haltestelle zur nächsten speichern. Das Nachladen erfolgt beim kurzen Halt an den Haltestellen durch Zufuhr einer hohen elektrischen Leistung.

Pumpspeicherkraftwerke

Weitaus größere Energiemengen können in Pumpspeichern gelagert werden. Hier wird Wasser in ein hoch gelegenes Reservoir gepumpt und kann später Turbinen antreiben, um wieder elektrische Energie zu erzeugen. Die speicherbare Energiemenge hängt ab vom Produkt aus dem Volumen des Reservoirs und der Fallhöhe. Die Energieverluste bei einem Lade-/Entladezyklus betragen typischerweise rund 15 bis 25 %. Die Leistung beim Laden und Entladen kann sehr hoch sein (hunderte von Megawatt, z. T. sogar über 1 GW).

Von den weltweit installierten Speicherkapazitäten machen die Pumpspeicherkraftwerke den allergrößten Teil aus.

Indirekte Speicherung in Wasser-Speicherkraftwerken

Wasser-Speicherkraftwerke ohne die Möglichkeit des Pumpens können immerhin für die indirekte Speicherung von überschüssiger Energie verwendet werden. Das bedeutet, dass man ihre Produktion reduziert oder einstellt, solange z. B. genügend Strom aus Windenergie verfügbar ist. Damit schont man die Wasservorräte und kann diese zu anderen Zeiten, wenn der Wind nicht weht, umfangreicher nutzen, als es sonst (ohne Windenergieanlagen) möglich gewesen wäre.

Das Verfahren der indirekten Speicherung hat nicht nur den Vorteil, dass bei den Wasserkraftwerken auf Pumpen verzichtet werden kann, sondern vermeidet auch die Energieverluste der Pumpspeicherung. Es genügt für die Verwertung überschüssigen Windstroms, solange die Windstrom-Leistung unterhalb der des Strombedarfs liegt. Erst bei höherer installierter Windleistung wird die Pumpspeicherung dann interessant. Allerdings ist es mit der indirekten Speicherung allein auch nicht möglich, wie bei der Pumpspeicherung die Wasserkapazität viele Male innerhalb eines Jahres zu nutzen – was bei knappen Speicherkapazitäten wichtig sein kann.

Druckluftspeicherkraftwerke

Druckluftspeicherkraftwerke benutzen einen großen unterirdischen Hohlraum, der beim Aufladen über Kompressoren mit Druckluft gefüllt wird. Beim Entladen kann diese Druckluft wieder Turbinen antreiben (oder bei kleineren Anlagen einen Gasexpansionsmotor). Kompliziert wird die Sache dadurch, dass die Luft beim Komprimieren heiß wird und beim Entspannen wieder abkühlt. Im Idealfall wird ein annähernd adiabatischer Betrieb erreicht, bei dem die Wärme beim Laden gespeichert wird und beim Entspannen der Luft wieder zugeführt wird. Sonst wird oft eine Kombination mit einem Gasturbinenkraftwerk realisiert, welches Erdgas verbraucht, aber wegen der Energiezufuhr durch die Druckluft in deutlich geringeren Mengen als ein reines Gaskraftwerk.

Druckluftspeicherkraftwerke dienen an manchen Orten der Deckung des Spitzenlastbedarfs. Ihre Energieeffizienz ist deutlich geringer als die von Pumpspeicherkraftwerken, aber sie sind in flachem Gelände eher realisierbar als jene.

Wasserstoff

In einem Elektrolyseur kann mit elektrischer Energie Wasserstoff gewonnen werden, der dann in Tanks gespeichert wird. Später kann damit mit einer Brennstoffzelle wieder elektrische Energie gewonnen werden. Solche Wasserstoff-Speicherkraftwerke sind anders als Pumpspeicherkraftwerke oder Druckluftspeicherkraftwerke praktisch an jedem Standort realisierbar. Sie sind jedoch wesentlich teurer und weisen höhere Energieverluste auf.

Denkbar ist auch, den erzeugten Wasserstoff anderweitig zu verwenden, z. B. in das Gasnetz einzuspeisen (ggf. nach einer Methanisierung). Dieser Ansatz wird als Power to Gas bezeichnet.

Bedarf für elektrische Energiespeicher im Stromnetz

In Stromnetzen können elektrische Energiespeicher sehr nützliche Funktionen erfüllen. Insbesondere können sie den Zwang, jederzeit genauso viel Leistung in Kraftwerken zu erzeugen, wie gerade benötigt wird, ein Stück weit lösen: Sie können Überschüsse aufnehmen und später bei Engpässen wieder abgeben. Dies erhöht nicht nur die Versorgungssicherheit, sondern erlaubt auch eine kostengünstigere Stromerzeugung und die Nutzung einer breiteren Auswahl von Kraftwerkstechnologien.

Freilich erfordert die Errichtung und der Betrieb von Energiespeichern einen gewissen Aufwand, und es treten auch Energieverluste auf. Deswegen ist jeweils abzuwägen, ob andere Möglichkeiten nicht günstiger sind:

In der Praxis kommt es darauf an, Art und Umfang der eingesetzten Energiespeicher sowie der eingesetzten Kraftwerke so zu bestimmen, dass insgesamt ein Optimum erzielt wird – wobei viele Aspekte wie Investitions- und Betriebskosten, Energieeffizienz, Umweltbelastungen und Versorgungssicherheit zu berücksichtigen sind. Dies ist eine sehr komplexe Optimierung. Je nach verfügbaren Technologien, Standorten und Kraftwerkstypen kann es sinnvoll sein, in höherem oder geringerem Umfang Speichertechnologien einzusetzen. Es gibt also nicht einen gegebenen Bedarf an Speichern, sondern ein zu ermitteltes Optimum für den Grad des Einsatzes von Speichern.

Als Folge der Energiewende wird in Deutschland mittel- bis langfristig ein größerer Bedarf an elektrischen Energiespeichern entstehen, weil ein zunehmender Anteil der elektrischen Energie mit fluktuierenden Quellen wie Windenergie und Sonnenenergie gedeckt werden wird. Jedenfalls wären leistungsfähige neue Speichertechnologien in diesem Zusammenhang sehr willkommen. Es ist bislang aber nicht klar, in welchem Umfang eine solche Entwicklung durch alternative Maßnahmen (siehe oben) ersetzt werden könnte oder sollte. Insbesondere könnte es kostengünstiger sein, ein europäisches Supergrid (ein zusätzliches Hochleistungs-Stromnetz mit Hochspannungs-Gleichstromübertragung) aufzubauen, um bereits vorhandene Speicher und viele verschiedener Erzeuger erneuerbarer Energie zusammenschließen zu können. Weil damit z. B. Windenergieanlagen und Photovoltaikanlagen vermehrt an günstigeren Standorten betrieben werden könnten, würden auch die Kosten der Stromerzeugung sinken. Dagegen würden dezentrale Solarstromspeicher zu massiven Zusatzkosten führen.

Die Photovoltaik hat die Wirtschaftlichkeit von Pumpspeichern reduziert – interessanterweise könnte noch mehr Photovoltaik diese Wirtschaftlichkeit aber wieder stärken!

Trotz des zunehmenden Anteils fluktuierender Einspeisungen in die Stromnetze hat sich die Wirtschaftlichkeit beispielsweise von Pumpspeicherkraftwerken in den letzten Jahren negativ entwickelt. Die Schwankungen der Börsenstrompreise, von denen die Betreiber von Energiespeichern letztlich leben, haben nämlich eher abgenommen. Dies liegt zum Teil daran, dass die zumindest bei gutem Wetter starken Einspeisungen von Photovoltaik-Strom die Mittagsspitze beim Verbrauch zu einem guten Teil decken. Damit wurde eine regelmäßig anfallende Aufgabe für diese Speicher, die erheblich zu deren Wirtschaftlichkeit beitrug, deutlich reduziert. Bei weiterem Ausbau der Photovoltaik dürfte sich diese Entwicklung jedoch umkehren: Wenn zur Mittagszeit deutlich mehr eingespeist wird, als zur Deckung der Verbrauchsspitzen nötig ist, könnten Pumpspeicher und andere Speicher die Überschüsse aufnehmen und beispielsweise abends wieder abgeben.

Speicher auf welcher Ebene?

Speicher für den Ausgleich von Erzeugung und Bedarf können im Prinzip auf unterschiedlichen Ebenen installiert werden: im Übertragungsnetz, in lokalen Verteilungsnetzen, im Extremfall sogar in einzelnen Häusern beispielsweise als Ergänzung zu einer Photovoltaikanlage. Speicher auf der höchsten Ebene, der der Übertragungsnetze, haben dabei zwei wichtige Vorteile:

Kosten für Speicher

Die Verwendung von Speichern kann verschiedene Arten von Kosten verursachen:

All diese Faktoren müssen bei der Bewertung der Wirtschaftlichkeit berücksichtigt werden.

Wenn für einen Speicherkosten pro Kilowattstunde genannt werden, können völlig unterschiedliche Angaben damit gemeint sein:

Vorsicht: Die Kosten pro Kilowattstunde hängen entscheidend davon ab, ob man sie auf die Speicherkapazität oder auf die in einer bestimmten Anzahl von Zyklen umgesetzte Energie bezieht!

Wenn beispielsweise ein auf Lithium-Ionen-Batterien basierender Solarstromspeicher eine Investition von 10 000 € erfordert und eine nutzbare Speicherkapazität von 5 kWh bietet, ergeben sich 10 000 € / 5 kWh = 2000 €/kWh. Wenn der Speicher eine Lebensdauer von 10 000 Zyklen erreichen würde, ergäben sich in Bezug auf die umgesetzte Energiemenge Kosten von 0,20 €/kWh. Wenn allerdings die Batterien nach zehn Jahren tatsächlichen Betriebs erst 2000 Zyklen durchgemacht haben, aber trotzdem dann durch Alterung unbrauchbar geworden sind, liegen diese Kosten weit höher, nämlich bei 1 €/kWh. Wohlgemerkt sind hierbei weder Betriebskosten noch Energieverluste berücksichtigt.

Energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen

Die betriebswirtschaftliche Bilanz von Stromspeichern hängt entscheidend auch von gewissen energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen ab. Insbesondere ist wichtig, zu welchen Tarifen und mit welchen Abgaben Strom für das Laden von Speichern bezogen werden kann.

Gemäß der aktuellen Rechtslage beispielsweise in Deutschland werden Speicher für elektrische Energie im Prinzip wie Letztverbraucher eingestuft – obwohl sie die Energie ja nur zwischenspeichern und später an eigentliche Letztverbraucher abgeben. Es gibt aber diverse Sonderregelungen, die beispielsweise eine starke Reduktion der Netznutzungsentgelte für Pumpspeicherkraftwerke ermöglichen. Auch für die Stromsteuer gibt es für Pumpspeicherkraftwerke eine Befreiung, aber bisher nicht für andere Speichertechnologien. Weitere Aspekte betreffen Abgaben wie die KWK-Umlage und die Offshore-Umlage. Zum Teil besteht das Problem, dass insbesondere neue Speichertechnologien, die bei der Verfassung der derzeit gültigen Regeln keine Rolle spielten, durch an sich nicht gerechtfertigte Abgaben belastet werden. Eine entsprechende Anpassung der Regeln erscheint als angebracht und dürfte die Einführung neuer Speichertechnologien ein Stück weit erleichtern.

Literatur

[1]Blog-Artikel: Energiespeicher oder Stromnetze: Was ist die richtige Lösung?
[2]Blog-Artikel: Spezifische Kosten von Energiespeichern
[3]Extra-Artikel: Energiespeicher und Stromnetze – was braucht die Energiewende?
[4]Extra-Artikel: Energiespeicherung – ein zentrales Problem für erneuerbare Energien?
[5]Agora-Energiewende: Stromspeicher in der Energiewende, https://www.agora-energiewende.de/fileadmin/downloads/publikationen/Studien/Speicher_in_der_Energiewende/Agora_Speicherstudie_Web.pdf

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Energiespeicher, elektrische Energie, chemische Energiespeicherung, Kondensator, Batterie, Schwungradspeicher, Pumpspeicherkraftwerk, Druckluftspeicherkraftwerk, Solarstromspeicher, Power to Gas, Residuallast, Supergrid
sowie andere Artikel in der Kategorie elektrische Energie

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