Dagmar Oertel

Energiespeicher – Stand und Perspektiven

Berlin: Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag (TAB) 2008, TAB-Arbeitsbericht Nr. 123
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großes Bild Die Energieversorgung steht vor einer Reihe neuer Herausforderungen. Die zunehmende Liberalisierung und Globalisierung der Energiemärkte setzt nicht nur neue Rahmenbedingungen, sondern stellt auch neue Anforderungen an die Energieversorgungssysteme der Zukunft. Zentral ist dabei die Aufrechterhaltung der Versorgungssicherheit mit elektrischer Energie bei v. a. zunehmenden Anteilen fluktuierender Energieträger sowie veränderten Bezugsbedingungen für fossile Rohstoffe. Auch spielen die Vermeidung weiterer Klimaveränderungen und Umweltbelastungen durch die Energieversorgung eine wichtige Rolle. Energiespeicher sind heute ein fester Bestandteil unseres Energieversorgungssystems. Dennoch wird ihre Rolle – außerhalb der technischen Ebene – kaum wahrgenommen. Der TAB-Bericht gibt vor diesem Hintergrund einen Überblick über den aktuellen technischen Stand verfügbarer Energiespeichersysteme und innovativer Speicherkonzepte im stationären wie auch im mobilen Bereich.

Die Energiespeicherung ist ein Forschungs- und Wissensgebiet mit einer relativ langen Tradition, denn grundlegende Konzepte wurden bereits Ende des vorletzten Jahrhunderts entdeckt. Durchbrüche in der Speicherforschung sind aber in den letzten Jahrzehnten ausgeblieben, sodass sich – abgesehen von dem vor einigen Jahren wahrnehmbaren Hype um erreichbare Speicherdichten von Wasserstoff auf Kohlenstoffnanoröhrchen, der mittlerweile relativiert worden ist – nicht "viel Spektakuläres" getan hat. Diese Wahrnehmung verdeckt aber eine Vielzahl von Entwicklungsschritten, die – teilweise unter Nutzung nanoskaliger Effekte – in den letzten Jahren zu deutlichen Fortschritten bei Energiespeichern geführt haben.

Die Suche nach effizienten Energiespeichern hat sich in den letzten Jahren insbesondere für den Verkehrsbereich als ein kritischer Punkt für zukünftige Mobilitätskonzepte herauskristallisiert. Hier haben Arbeiten zur Speicherung von Wasserstoff und von elektrischer Energie für neue Antriebe eine hohe Priorität. Andererseits ist der Bedarf an neuen bzw. weiterentwickelten Energiespeichern im stationären Bereich in Deutschland lange Zeit nicht sehr deutlich ausgeprägt gewesen. Zum einen, weil die Kraftwerksdichte ebenso hoch ist wie die daraus resultierende Versorgungssicherheit – inkl. der Netze. Auch sorgt das europäische Verbundnetz in gewissem Rahmen für einen Ausgleich bei Stromangebot und -nachfrage. Zum anderen wurde "überschüssige Energie" bisher großtechnisch, z. B. in Pumpspeicherkraftwerken, zwischengespeichert. Bisher hat dies ausgereicht. Zukünftig könnten jedoch auch in Deutschland größere Energiemengen anfallen, bei denen es Sinn macht, diese zwischenzuspeichern.

Der neue Bedarf

Seit einiger Zeit nehmen die Anteile an fluktuierenden Energieträgern (Sonne, Wind) zu, wobei diese – entsprechend den Vorgaben der Bundesregierung – bis 2020 noch signifikant weiter steigen sollen. Mittlerweile haben die damit erreichbaren Strommengen eine Größenordnung erreicht, bei der es zukünftig zu Situationen kommen kann, in denen die "eingeplanten Anteile" dieser Energieträger in unserer Stromversorgung entweder nicht oder im Überfluss vorhanden sind: Beispielsweise wäre Windenergie bei Flauten oder Sturmabschaltungen gar nicht, bei günstigen Offshorestandorten aber zeitweise im Überangebot verfügbar. Ab einer bestimmten Energiemenge ist dies relevant für den Ausgleich in den Versorgungsnetzen. Dann muss nämlich im Fall einer Flaute entsprechende Regelleistung im Stromnetz vorgehalten werden. Sogenannte Schattenkraftwerke, heute meist konventioneller Art, müssen dafür über längere Zeiträume in Teillast gefahren werden. Dies ist emissions- und wirkungsgradseitig eher ungünstig. Ein eventuelles Überangebot müsste zunächst im lokalen Netz aufgenommen werden, wobei ein Teil auch europaweit verteilt werden könnte. Allerdings ist dies nur zu einem bestimmten Anteil technisch möglich, um das aus Gründen der Netzstabilität für die Frequenz- und Spannungshaltung notwendige Gleichgewicht von Einspeisungen und Entnahmen aus dem Stromnetz aufrechtzuerhalten.

Eine Option, dieses Dilemma zu lösen und mit dem zeitweisen Überhang an elektrischer Energie sinnvoll umzugehen, wäre die Speicherung. Hierzu wären an bestimmten Standorten jedoch größere Speicherkapazitäten gefragt, als sie bisher – mit Ausnahme der Pumpspeicherkraftwerke (PSW) – verfügbar sind. Die Errichtung von PSW stellt allerdings einen erheblichen Eingriff in die Umwelt dar. Die Erfahrungen mit anderen Speichertechnologien beschränken sich bislang jedoch meist auf kleinere Dimensionen, z. B. zur Absicherung der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) bei sensiblen Verbrauchern wie Krankenhäusern.

Die technischen Möglichkeiten

Die Palette technischer Speichermöglichkeiten ist breit. Dadurch kann zwar das ganze Spektrum benötigter Leistungen prinzipiell abgedeckt werden, aber es gibt nach wie vor keinen "Universalspeicher", mit dem ein Großteil des Speicherbedarfes zufriedenstellend bedient werden kann. Da die direkte Speicherung von elektrischer Energie nur in Kondensatoren und in Spulen möglich ist, wird zumeist ein indirekter Weg gegangen. Zunächst erfolgt eine Umwandlung in eine andere Energieform mit anschließender Speicherung, um bei Bedarf wieder elektrische Energie zu erzeugen. Dies ist immer mit zusätzlichem Energieaufwand und Umwandlungsverlusten verbunden.

Naturwissenschaftliche Gesetzmäßigkeiten begrenzen die erreichbaren Energiedichten. Auch wenn keine neuen Speicherkonzepte in Sicht sind, gibt es eine Reihe von Weiterentwicklungen etwa bei materialtechnischen Komponenten. So rücken auch etablierte Konzepte wieder neu in das Blickfeld. Erkennbar ist bei vielen Weiterentwicklungen aber ein Spagat zwischen angestrebter hoher Leistungsdichte sowie hohem Wirkungsgrad auf der einen Seite und Anforderungen der Handhabbarkeit wie Robustheit sowie Zyklenbeständigkeit auf der anderen Seite. Verbesserungen bei einzelnen Eigenschaften gehen zumeist mit "Rückschritten" bei anderen Eigenschaften einher: So stehen höhere Leistungsdichten von Lithium-Ionen-Akkumulatoren einer abnehmenden Robustheit und zunehmenden Kosten gegenüber.

Im Folgenden wird – ohne Anspruch auf Vollständigkeit – ein Überblick über die technischen Möglichkeiten der Energiespeicherung gegeben.

Mechanische Speicher

Zu den wohl bekanntesten Speichersystemen großtechnischer Art gehören Pumpspeicherkraftwerke (PSW), also Wasserkraftwerke, deren Speichervorrat an Wasser bei Stromüberschuss in ein höher liegendes Becken gepumpt wird. PSW können ihre gesamte Leistung zu Spitzenlastzeiten nach etwa einer Minute zur Verfügung stellen, und das bei Wirkungsgraden zwischen 70 und 80 %. Der Schwerpunkt künftiger Entwicklungen liegt auf einer technischen Verbesserung bestehender Anlagen. Eine Option für den Bau neuer PSW bestünde eventuell darin, zukünftig unterirdische Anlagen zu installieren, was sich auf das Unterbecken beziehen würde. Alternativ sind neben Süß- auch Salzwasserstandorte denkbar. In Japan gibt es bereits eine Salzwasseranlage, um technische und umweltrelevante Aspekte zu untersuchen.

In Druckluftspeicherkraftwerken wird die zu speichernde elektrische Energie zum Komprimieren von (Umgebungs-)Luft verwendet, die in unterirdischen Kavernen gespeichert wird. Rückgewonnen wird diese durch das Verbrennen der komprimierten Luft zusammen mit Erdgas in einer Gasturbine. Vorteilhaft ist auch hier, dass die Anlagen schon nach einer relativ kurzen Zeit die gespeicherte Energie zur Verfügung stellen können, allerdings bei vergleichsweise moderatem Wirkungsgrad von etwa 50 %. Zur Wirkungsgradverbesserung werden adiabatische Druckluftspeicher entwickelt. Bei diesen werden Wirkungsgradverluste dadurch vermieden, dass die Druckluftspeicherung ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung erfolgt. Dazu wird die bei der Luftkompression entstehende Wärme zwischengespeichert und dann später zur Lufterwärmung wieder genutzt. Angestrebt wird damit ein Gesamtwirkungsgrad von ca. 70 %. Aus technischer Sicht erfordert die Umsetzung eines adiabatischen Druckluftspeichers aber noch die Entwicklung entsprechender Systemkomponenten. Druckluftspeicherkraftwerke stehen in letzter Zeit verstärkt im Fokus, weil sie sich für eine dezentrale, offshorenahe Speicherung für Windenergie anbieten. Entlang der norddeutschen Küste gibt es zahlreiche Salzformationen, die als Druckluftenergiespeicher für Windkraftanlagen genutzt werden könnten. Hier könnte es zu Nutzungskonkurrenzen mit unterirdischen Erdgasspeichern kommen, jedoch kaum zur unterirdischen CO2-Speicherung, weil diese in größeren Tiefen erfolgt (etwa 800 m und mehr).

Auch bei Schwungrädern – also rotierenden Körpern – liegt ein wesentlicher Vorteil in den extrem kurzen Zugriffszeiten, die im Millisekundenbereich liegen. Für die Kurzzeitspeicherung werden dann Wirkungsgrade von 90 bis 95 % erreicht, aber die Ruheverluste sind relativ hoch. Diskutiert wird deren Nutzung zum Ausgleich von Schwankungen bei der Einspeisung von Windkraft ins Stromnetz. Zur Stabilisierung von Netzen wird die Installation von Systemen im Megawattbereich mit mehreren Schwungrädern erwogen, die in transportablen Containern angeordnet sind. Bisher existiert eine Demonstrationsanlage. Schwungradspeicher sind zudem für Weltraumanwendungen (kleine Satelliten, Raumfahrzeuge) interessant. Auch bekommt deren Nutzung in elektrischen Fahrzeugen durch die Entwicklung leichterer Schwungradspeicher aus Verbundwerkstoffen neue Impulse.

Bereits lange etabliert ist das direkte Speichern stofflicher Energieträger wie Erdgas, Flüssigkraftstoff und Wasserstoff. Für Erdgas werden dafür ausgeförderte Erdgas- bzw. Erdöllagerstätten, Aquiferstrukturen und künstlich ausgesolte Hohlräume in Salzstöcken genutzt. Aber auch stillgelegte Bergwerke kommen in Betracht. Die Nutzung von Untertageerdgasspeichern wird ausgebaut. Für Kraftstoffe sind mobile Speicher üblich. Am bekanntesten sind Flüssigkraftstofftanks für Benzin und Diesel, aber auch für alternative Kraftstoffe wie Biodiesel. Bei diesen geht der Trend zu emissionsdichten Kunststoffausführungen mit speziellen Beschichtungen. Erdgastanks an Fahrzeugen (Stahlflaschen für einen Druck bis zu 600 bar) sollen durch den Einsatz von Aluminium- oder von Faserverbundwerkstoffkernen um bis zu 75 % leichter werden, wobei die neuen Materialien relativ teuer sind. Gasförmiger Wasserstoff kann unter hohem Druck komprimiert und in herkömmlichen Druckgasflaschen (max. 200 bar) gespeichert werden. Zur Gewichtsreduktion werden auch hier anstelle von Stahl zunehmend leichtere Hochdruckbehälter aus Kohlefaserverbundwerkstoffen eingesetzt. Die Kompression ist allerdings relativ energieaufwendig. Die Alternative – Kryospeicherung von tiefkaltem, verflüssigtem Wasserstoff bei -253 °C – weist zwar eine weitaus höhere Energiedichte als die Druckgasspeicherung auf, aber die niedrigen Temperaturen stellen eine enorme technische Herausforderung bei Speicherauslegung, Betankung und Isolierung dar. Der hierfür notwendige Energieaufwand entspricht ca. einem Drittel der gespeicherten Energie.

Thermische Speicher

Zur Speicherung von Wärme und Kälte sind sog. sensible Wärmespeicher etabliert, bei denen bei Wärmezufuhr das Speichermedium seine "fühlbare Temperatur" verändert. Sensible Wärmespeicher sind "Klassiker" insbesondere mit Wasser als Speichermedium im Gebäudebereich. Dampfspeicher – mit überhitztem Wasserdampf beladen – werden als Kurzzeitspeicher für Prozesswärme in der Industrie genutzt. Zudem können sie in der elektrischen Energieversorgung als Pufferspeicher zur Abdeckung von Leistungsspitzen eingesetzt werden. Neben Druckwasser werden auch Thermoöle oder Flüssigsalze zur Bereitstellung industrieller Prozesswärme genutzt (sog. Fluid- bzw. Feststoffspeicher). Flüssigsalze sind bei über 300 °C in solarthermischen Kraftwerken einsetzbar. Während für Fluidspeicher umfangreiche Betriebserfahrung im industriellen Bereich und in Solarkraftwerken vorliegt, sind Feststoffspeicher noch nicht kommerziell verfügbar; sie werden jedoch derzeit praxisnah erprobt.

Soll die Wärme in Langzeitheißwasserspeichern über längere Zeit gespeichert werden, werden deutlich größere Speichervolumina benötigt (mehrere Tausend m3). Der kältere Teil des Speichers wird dabei teilweise ins Erdreich eingelassen, unter Einsatz von Spezialbeton. Kies-Wasser-Wärmespeicher sind als pyramidenstumpfförmig gestaltete Gruben beschreibbar, die wasserdicht mit Kunststofffolie ausgekleidet und mit einem Kies-Wasser-Gemisch gefüllt sind. Der Wärmeaustausch erfolgt entweder direkt durch Wasser oder indirekt über Rohrschlangen. Sie stellen eine kostengünstige Alternative zu den relativ aufwendigen Betonkonstruktionen der Heißwasserwärmespeicher dar. Auch in Erdsondenwärmespeichern wird die Wärme direkt im Erdreich bzw. in Gesteinsschichten gespeichert. Sie werden bei Solaranlagen im Gebäudebereich genutzt, um jahreszeitliche Unterschiede im Heizbedarf auszugleichen. Vorteilhaft sind der geringe Bauaufwand sowie die einfache Erweiterbarkeit je nach Siedlungsgröße. Allerdings wird der zum wirtschaftlichen Betrieb notwendige eingeschwungene Zustand im Erdreich erst nach etwa drei bis fünf Jahren erreicht. Nach Abklingen der Einschwingphase wird damit gerechnet, dass rund 60 bis 70 % der eingespeicherten Wärmemenge nutzbar gemacht werden können.

In Latentwärmespeichern wird die gespeicherte Wärme von einem Material dadurch aufgenommen, dass es seinen Aggregatzustand verändert. Dieses als Phasenwechselmaterial (Phase Change Material, PCM) bezeichnete Speichermaterial ermöglicht die Aufnahme von relativ großen Wärme- bzw. Kältemengen sowie hohe Energiedichten – und das bei weitgehend konstanter Betriebstemperatur. Im Vergleich zu sensiblen Speichern sind damit 10- bis 20-fach höhere Wärmespeicherdichten erzielbar. Aufgrund der relativ niedrigen Wärmeleitfähigkeit des Speichermediums benötigt man aber sehr große spezifische Oberflächen, die u. a. durch Mikroverkapselung der Speichermaterialien oder auch durch neue Verbundmaterialien möglich werden soll. PCM sind nach Temperaturbereichen differenzierbar. Mit Latentwärmespeichern können Temperaturschwankungen innerhalb eines Systems geglättet, Temperaturspitzen verhindert und industrielle Prozesswärme bereitgestellt werden. In den letzten Jahren haben zahlreiche PCM-Produkte ihre Marktreife erreicht. Zukünftig werden Phasenwechselfluide (Phase Change Slurries, PCS) einsetzbar sein, die noch weitaus größere Energiemengen pro Volumen speichern und damit kompaktere Speicher realisierbar machen.

Chemische Speicher

Wiederaufladbare Batterien gehören mit zu den geläufigsten Energiespeichern. Am bekanntesten sind die Blei-Säure-Akkumulatoren – technisch ausgereift, zuverlässig und preisgünstig. Trotz einer vergleichsweise geringen Energiedichte werden diese bis heute umfangreich genutzt. Sie weisen eine relativ geringe Selbstentladung und keinen Memoryeffekt auf, sind jedoch nicht zum Schnellladen geeignet und vertragen keine Tiefentladungen. Blei-Säure-Akkumulatoren erreichen heute Lebensdauern von 10 bis 12 Jahren. Ihre Einsatzgrößen reichen von kleinen Batterien zur Speicherung von Solarstrom im Inselbetrieb bis hin zu Großanlagen zur Aufrechterhaltung von Frequenz- und Spannungsstabilität mit einer installierten Leistung von 17 MW.

Die wesentlich leichteren Nickel-Cadmium-Batterien (Ni-Cd-Batterien) sind heute ebenso technisch ausgereift, effizient, robust und weisen auch keinen Memoryeffekt mehr auf. Verglichen mit dem Blei-Säure-Akku haben sie zwar eine höhere – jedoch eingeordnet in das gesamte Speicherspektrum eine vergleichsweise geringe – Energiedichte. Daher werden sie zunehmend durch Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren ersetzt. Diese erreichen gegenüber Ni-Cd-Systemen 30 bis 50 % höhere Energiedichten, sind cadmiumfrei und schnell be- und entladbar, reagieren allerdings empfindlicher auf Überladung und Überhitzung. Hinzu kommt eine höhere Selbstentladung (50 % und mehr). Ein Einsatz erfolgte bisher in Elektro- und Hybridfahrzeugen.

Eine Weiterentwicklung ist die Nickel-Zink-Batterie, die sich im Vergleich zum Ni-Cd-Akku auch durch höhere Leistungs- und Energiedichten, niedrigere Kosten und dem Fehlen toxischer Bestandteile auszeichnet. Die Markteinführung soll in Kürze erfolgen. Erste Anwendungen sollen im Bereich elektronischer Kleingeräte und zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) in der Telekommunikation liegen. Zudem soll sie zukünftig in Elektrofahrzeugen, aber auch im militärischen Bereich eingesetzt werden.

Der Lithium-Ionen-Akku weist mit die höchsten Energiedichten auf, wenngleich er deutlich weniger robust als die vorgenannten Akkumulatoren ist. Im Vergleich zu den ausgereiften Konzepten von Blei-Säure- oder Ni-Cd-Akkumulatoren stehen die Li-Ionen-Akkus entwicklungstechnisch noch in ihrer Anfangsphase. Sie stellen aktuell einen Schwerpunkt in der internationalen Batterieforschung dar, wobei signifikante Fortschritte mithilfe der Nanotechnologie erreicht werden konnten. Die Nano-Phosphat-Lithium-Ionen-Hochleistungszellen lassen sich laut amerikanischem Hersteller häufiger und innerhalb von fünf Minuten laden und wären zukünftig so auch für Elektrofahrzeuge mit hohem Leistungsbedarf attraktiv. Eine Weiterentwicklung ist der Lithium-Ion-Polymer-Akkumulator, der sich trotz der etwas höheren Energiedichten bisher nur in Nischen durchsetzen konnte. Ein Einsatz als Prototyp zusammen mit einem Elektromotor in Elektro- und Hybridfahrzeugen wird derzeit getestet. Eine andere Weiterentwicklung ist der Lithium-Titanat-Akku.

Hochtemperaturbatterien

Der markante Unterschied zu den zuvor genannten Konzepten besteht darin, dass – aufgrund der hohen Temperaturen von über 300 °C – die Elektroden flüssig sind und der Elektrolyt fest ist. Damit treten kaum Nebenreaktionen auf, was zu einem vergleichsweise hohen Wirkungsgrad und zu einer vernachlässigbaren elektrochemischen Alterung führt. Allerdings muss bei ruhendem Betrieb zusätzlich beheizt werden, womit die Anforderungen an die Temperaturregelung relativ hoch einzustufen sind. Am bekanntesten ist die Natrium-Nickelchlorid-Batterie (sog. ZEBRA-Batterie). Diese wurde zunächst für Traktionsanwendungen entwickelt, ist aber ebenfalls für stationäre Anwendungen geeignet.

Erste Prototypen gibt es von den Natrium-Schwefel-Batterien (NaS-Batterien), die derzeit nur im stationären Bereich eingesetzt werden, aber prinzipiell auch für den mobilen Bereich geeignet sind. Sie weisen eine vergleichsweise hohe Energiedichte auf, benötigen allerdings auch ca. 350 °C an Arbeitstemperatur. NaS-Batterien eignen sich für Stromerzeugungsanlagen zum Fluktuationsausgleich für erneuerbare Energien. Daneben sind sie zur Reduzierung elektrischer Spitzenleistung (peak shaving), zur unterbrechungsfreien Stromversorgung und zur Notstromversorgung einsetzbar. Eine 6-MW-Anlage steht in Japan. Grundsätzlich bietet die NaS-Technologie das Potenzial geringer Kosten (heute noch nicht erreicht) verbunden mit einer hohen Lebensdauer.

Der Vorteil von Redox-Flow-Batterien liegt darin, dass das energiespeichernde Material – eine chemische Verbindung – außerhalb der Zelle gelagert wird. Dies macht die gespeicherten Energiemengen unabhängig von der Zellengröße und zudem jederzeit kapazitativ ausbaubar. Die externen Elektrolyttanks können manuell via Tanklaster befüllt werden. Der Charme dieses Konzepts liegt im Wegfall der "modularen Grenzen" beim Speichern, da die Speichermenge i. W. vom Tankinhalt der Elektrolyten abhängt. Weitere Vorteile sind fehlender Memoryeffekt, keine nennenswerte Selbstentladung und Unempfindlichkeit gegenüber Tiefentladung. Als eine besonders interessante Variante haben sich Vanadium-Redox-Batterien herausgestellt, die bereits relativ weitentwickelt, verschiedentlich im stationären Einsatz und von allen Redox-Flow-Batterien am weitesten verbreitet sind. Realisiert wurden stationäre Anlagen zur Lastnivellierung vor allem in Japan, aber auch in den USA. Insgesamt gilt die Technologie jedoch als noch nicht ausgereift.

Metalle mit einer hohen Energiedichte, wie Zink, Aluminium oder Magnesium, können in Metall-Luft-Batterien eingesetzt werden. Mit ihren hohen Energiedichten können diese Li-Ionen-Akkus Konkurrenz machen. Sie sind zudem kompakt und kostengünstig herstellbar. Andererseits haben sie eine vergleichsweise moderate Leistung sowie eine hohe Sensitivität bei extremen Temperaturen und hoher Luftfeuchte. Am bekanntesten ist die Zink-Luft-Batterie, die zunächst als mechanisch aufladbare Variante am Markt verfügbar sein wird. Geplant sind wieder aufladbare "High power batteries" für Traktionsanwendungen und für Notstromaggregate.

Chemische Speicher für Wasserstoff

Wasserstoff wird im Zusammenhang mit Netzstabilitätsproblemen aus der Einspeisung fluktuierender Energieträger als eine Option zur Stabilisierung diskutiert, der bei Stromüberangebot mittels Elektrolyse erzeugt und in Hochlastzeiten über Brennstoffzellen, Gasturbinen oder auch Verbrennungsmotoren rückverstromt werden kann. Gegenüber der direkten Weiterleitung von Strom über kurze Entfernungen als auch gegenüber Batteriesystemen weist diese Option aber einen deutlich schlechteren Wirkungsgrad auf. Weiterhin führt die Speicherung des Wasserstoffs in komprimierter oder flüssiger Form zu einem weiteren Energieverlust.

Alternativ kann Wasserstoff chemisch in einem Trägermedium – also speziellen Metalllegierungen, Kohlenstoffnanostrukturen oder Salzen – eingelagert werden. Dies ist vor allem für Traktions- aber auch für tragbare Anwendungen interessant, da bisher weder Druck- noch Kryospeicher eine ausreichende Menge Wasserstoff bei akzeptablem Gewicht, Aufwand und Tankvolumen aufnehmen können. Metallhydridspeicher für Wasserstoff sind bereits realisiert, finden aber aufgrund der hohen Kosten und der niedrigen gravimetrischen Speicherdichte meist nur in Nischen (z. B. Gabelstapler, U-Boote) Verwendung; Prototypen für den Pkw-Bereich existieren ebenfalls. Vorteile liegen in dem "frei" wählbaren, relativ niedrigen Speicherdruck und der hohen volumetrischen Speicherdichte. Nachteilig war bisher das hohe Gewicht des Speichermediums Metall, die relativ niedrige gewichtsbezogene Speicherdichte und die zumeist lange Beladedauer.

Die Nanotechnologie spielt bei der Wasserstoffspeicherung nach wie vor eine wichtige Rolle. Ein neuer Speicher für Wasserstoff sind sog. Nanocubes. Hierbei handelt es sich nicht um die bekannten nanostrukturierten Kohlenstoffe (Carbonnanotubes), sondern um eine metallorganische Verbindung. Das Material weist eine riesige innere Oberfläche auf. Zielanwendungen sind Speicherkartuschen für mobile Geräte, aber auch Miniaturbrennstoffzellen, um auf atomarer Ebene gezielt die gewünschten Strukturen zu erzeugen.

Thermochemische Speicher

Zu Wärme- wie auch zu Kühlzwecken können Sorptionsspeicher eingesetzt werden, mit denen sich vergleichsweise hohe Energiedichten erzielen lassen. Eine Anwendung sind Heizgeräte für Einfamilienhäuser. Diskutiert wird auch ihre Nutzung als mobile Wärmespeicher, um z. B. Abwärme von Blockheizkraftwerken oder Müllverbrennungsanlagen zum jeweiligen Nutzer zu transportieren. Als Sorptionsmaterialien werden in der Praxis Zeolithe (Alumosilikate) und Silikagele (poröse Form von Siliziumdioxid) eingesetzt, aber auch Metallhydride sind geeignet.

Elektrochemische und -magnetische Speicher

Elektrochemische Kondensatoren sind Hochleistungsenergiespeicher; sie besitzen eine Energieeffizienz von über 90 %. Der hohen Leistungsdichte und der Schnellladefähigkeit stehen eine geringe Energiedichte und Selbstentladungseffekte gegenüber. Die Kapazität lässt sich erhöhen, wenn die Porengröße unter ein Nanometer verkleinert wird. Daher werden in Doppelschichtkondensatoren (sog. Superkondensatoren) hochporöse Kohlenstoffnanofasern, Aerogele, Nanoröhren bzw. Fullerene eingesetzt. In Ultrakondensatoren eingesetzte Metalloxide, Keramiken oder leitfähige Polymere führen zu noch höheren spezifischen Kapazitäten, aber auch zu einer kürzeren Lebensdauer. Auch hier werden Keramiken eingesetzt, die aus Nanopulvern hergestellt wurden. Eine besondere Bauform stellen die Hybridkondensatoren dar, wobei sich durch den Einsatz einer batterieähnlichen Elektrode die Gesamtkapazität und damit die Energie- und Leistungsdichte deutlich steigern lässt. Ein klassisches Anwendungsgebiet für elektrochemische Kondensatoren ist die Automobilbranche im Bereich der Antriebssysteme als auch für Bord- und Betriebssysteme. Inzwischen existieren auch erste Elektrofahrzeuge, bei denen die elektrische Energie ausschließlich in elektrochemischen Kondensatoren gespeichert wird. Ein Einsatz ist auch in elektrisch betriebenen Eisen-, Straßen- und U-Bahnen möglich. Des Weiteren können diese beim Ausgleich von Leistungsschwankungen unterstützend wirken. Sie eignen sich ebenfalls zur Kurzzeitspeicherung bei der photovoltaischen Einspeisung ins Niedrigspannungsnetz. Zur Überbrückung kurzfristiger Ausfälle, vor allem für Industrie und Telekommunikation, finden elektrochemische Kondensatoren allein oder in Kombination mit anderen Energiespeichern Einsatz. Eine Ausweitung des Marktes für diese Kondensatoren bedürfte einer weiteren Kostenreduktion.

In supraleitenden magnetischen Energiespeichern (Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES) wird das elektromagnetische Feld einer supraleitenden Spule genutzt. Der Effekt der Supraleitung beruht darauf, dass einige Materialien bei Unterschreiten einer bestimmten Temperatur ihren elektrischen Widerstand verlieren und dann den elektrischen Strom verlustlos leiten. Sie können dann Wirkungsgrade von 90 bis 95 % erreichen. Die extrem tiefen Temperaturen erfordern jedoch eine hohe Kühlleistung. Im Gegensatz zu Tieftemperatur- werden daher sog. Hochtemperatursupraleiter entwickelt, die mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden können. Inwieweit sich diese auf breiter Basis durchsetzen werden, hängt stark von der Entwicklung der Kosten ab.

Optionen zur Netzunterstützung

Bei dem vonseiten der Bundesregierung weiter angestrebten signifikanten Ausbau des Anteils an erneuerbaren Energien am Stromverbrauch wird die Nutzung der Windenergie einen erheblichen Beitrag leisten, u. a. durch den Ausbau von Offshoreanlagen. Daraus resultiert eine Konzentration von verfügbarer Windenergieleistung in Norddeutschland, die in einer Region mit eher geringer Stromnachfrage in das Netz eingespeist werden muss. Zusammen mit den nur bedingt prognostizierbaren zeitlichen Schwankungen ergeben sich daraus neue Anforderungen an den gesamten Kraftwerkspark und die Versorgungsnetze in Deutschland. Hierzu sind an bestimmten Standorten möglicherweise größere Speicherkapazitäten gefragt, als sie bisher – mit Ausnahme der PSW – verfügbar sind. Neben Schwankungen der Last, Prognosefehlern und Kraftwerksausfällen müssen Schwankungen und Prognosefehler der Stromeinspeisung auf Basis von fluktuierenden Energieträgern zusätzlich in der Kraftwerkseinsatzplanung als auch in der Netzeinspeisung Berücksichtigung finden. Energiespeicher könnten hierbei helfen, diese Anforderungen an den hiesigen Kraftwerkspark als auch an das Netzmanagement zu reduzieren.

Grossbatterien

Eine Option ist der Einsatz von Megabatterien. Einer der Vorreiter ist Japan, wo bereits eine Riesenbatterie in Betrieb genommen worden ist, die als sog. Hochtemperaturbatterie betrieben wird, um in der regenerativen Stromerzeugung Fluktuationen zu kompensieren. Die 6-MW-Anlage der Tokyo Electric Power Company wird nachts mit günstigem Strom beladen und gibt diesen zu Spitzenlastzeiten ins Netz wieder ab (Load-Levelling-Betrieb). Die weitere Entwicklung dieses Batterietyps wird allerdings u. a. davon abhängen, inwieweit die Technologie verbessert wird und bei steigender Nachfrage die Kommerzialisierung voranschreiten kann. Momentan gibt es solche Systeme in Deutschland noch nicht. Eine weitere Möglichkeit stellen sog. Redox-Flow-Systeme dar, also wieder aufladbare Batterien, bei denen das energiespeichernde Material außerhalb der Zelle gelagert wird. Dies ist eine interessante Technik für die Speicherung von Strom aus erneuerbaren Energien, weil die Speicherkapazität jederzeit beliebig kapazitiv ausbaubar ist. Die externen Elektrolyttanks können zudem per Tanklaster manuell befüllt werden. In Irland soll in einem Windpark eine erste Großbatterie dieser Art installiert werden.

Druckluftspeicherkraftwerke

Neben den "Megabatterien" stehen als Alternative zu den PSW insbesondere Druckluftspeicher zur Diskussion. Kommerziell werden bisher aber nur zwei Anlagen – eine in Huntorf bei Bremen und eine in Alabama (USA) – betrieben. Aktuell ist ein weiteres, moderneres Druckluftspeicherkraftwerk ebenfalls in Niedersachsen in der Planung, um das Problem der fluktuierenden Einspeisung von Windstrom konkret anzugehen. Dieses soll zunächst wie Huntorf mit Gasbefeuerung betrieben und in einer zweiten Phase adiabatisch nachgerüstet werden. Eine Inbetriebnahme der neuen Anlage ist für 2011 geplant, allerdings ist noch eine Reihe technischer Probleme zu lösen. Auch sind Standort und Dimensionierung des gesamten Kraftwerks noch offen (voraussichtlich zwischen 150 und 600 MW). Inwieweit Druckluftspeicherkraftwerke eine breiter einsetzbare Technik darstellen, ist momentan noch offen.

Virtuelle Kraftwerke

Als "virtuelles Großkraftwerk" wird eine Zusammenschaltung von regional verteilten (dezentralen), kleinen Anlagen, wie Wind-, Solar-, Biogasanlagen, Kleinwasserkraftwerken, Brennstoffzellen, Blockheizkraftwerke, bezeichnet, die zentral gesteuert werden. Auch Speicher können Bestandteil eines virtuellen Kraftwerks sein. Bisher wurde diese Option relativ wenig genutzt und zumeist ohne eine Anbindung an den wettbewerblichen Strommarkt. Heute anvisierte Konzepte des virtuellen Kraftwerks zielen darauf ab, die Betreiber der dezentralen Erzeugungsanlagen am wirtschaftlichen Erfolg zu beteiligen. Um mehrere Einzelanlagen effizient zu einem virtuellen Kraftwerk zusammenzuschließen, bedarf es jedoch modernster Informations- und Kommunikationstechnik (IuK). Virtuelle Kraftwerke können einen wichtigen Beitrag zur Systemstabilität sowie zur Spitzenlastdeckung leisten.

Kapazitätsverschiebung

Eine weitere Option, das Netz zu unterstützen, besteht darin, den Bedarf an Regelleistung durch Verlagerung von Lastspitzen auf Lasttäler deutlich zu verringern. Diese Option geht von der Annahme aus, dass die Speicherung elektrischer Energie vergleichsweise kostspielig ist im Vergleich zur Speicherung von thermischer Energie. Damit liegt es nahe, die thermische Energiespeicherung der elektrischen überall dort vorzuziehen, wo sich eine Verlagerung der elektrischen Last erreichen lässt. Solche Möglichkeiten einer "Flexibilisierung von Last" bestehen darin, anfallende elektrische Lasten auf bereits vorhandene, nichtelektrische Speicher zu verteilen. Dies sind etwa dezentrale Speicheranlagen wie (Nacht-)Speicherheizungen, Kühlgeräte oder Warmwasserheizungen, die dann eben nicht nachts, sondern irgendwann im Laufe des Tages z. B. bei Stromüberschuss aus Windenergie beladen werden könnten. Diese technischen Systeme "tragen sich über eine gewisse Zeit selber": Zum Beispiel könnte die Stromzufuhr für Kühlhäuser so geregelt werden, dass Stromniedrigpreisphasen genutzt werden, ohne dass die Ware auftaut. Dabei erhöht sich zwar der regelungstechnische Aufwand, jedoch sind damit in der Summe nicht unerhebliche Speicherpotenziale erschließbar. Dies träfe auch auf die Kraft-Wärme-Kopplung zu, bei der Strom und Wärme gleichzeitig generiert, über thermische Speicher die Nutzung beider Produkte jedoch zeitlich entkoppelt werden könnte. Die Lastverschiebung ist ein innovatives Feld an Möglichkeiten, das zwar nicht neu ist, jedoch unter dem Blickwinkel der verstärkten Integration fluktuierender Energieträger eine neue Dynamik gewonnen hat. Zentral ist dabei ein ausgefeiltes IuK-System zum Lastmanagement. Forschungsbedarf besteht noch z. B. hinsichtlich verschiedener Auslegungsvarianten sowie umwelt- und kostenseitiger Restriktionen.

Stromerzeugung im Sonnengürtel

Die höchste Sonneneinstrahlung ist in Ländern in Äquatornähe – im sog. "Sonnengürtel" – zu verzeichnen. Daher liegt es nahe, immer wieder über Speicherung und Transport von dort erzeugtem Solarstrom nach Europa bzw. Deutschland nachzudenken. Neue Konzepte hierzu sind zurzeit nicht in der Diskussion. Von den betrachteten Möglichkeiten weist die Übertragung der solarerzeugten elektrischen Energie mittels Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) die geringsten Transport- und Gesamtkosten auf. Die Transportkosten von Flüssigwasserstoff sind höher, und infolge notwendiger Umwandlungsschritte ergibt sich ein niedriger Gesamtwirkungsgrad (ca. 30 %). Flüssigwasserstoff wäre jedoch auch in einem zukünftigen Verkehrssektor nutzbar. Die Transportkosten bei der Nutzung von Zink-Luft-Batterien per Schiff sind in diesem Vergleich am höchsten ausgefallen (3,16 Euro/kWh), wenngleich der Transportwirkungsgrad hoch ist (90 %). Sowohl die Übertragung per HGÜ als auch der Transport von Flüssigwasserstoff haben kurz- bzw. mittelfristig das Potenzial, zur Energieübertragung in Betracht gezogen zu werden, da sie technisch als weitgehend ausgereift angesehen werden können.

Speicher in Fahrzeugen

Als Reaktion auf die sich ändernde Rohstoffsituation werden verschiedene Wege verfolgt, wie die Optimierung der verfügbaren klassischen Motorenkonzepte und die Entwicklung alternativer Kraftstoffe. Eine weitere Richtung ist die Entwicklung alternativer Fahrzeugkonzepte wie Hybrid- oder reine Elektrofahrzeuge, die auf (elektrische) Energiespeicher angewiesen sind. Für den Fahrzeugbetrieb werden zumeist Batterien, aber auch Doppelschichtkondensatoren eingesetzt.

Batterien

Elektrische Speicher werden für den Betrieb der Elektromotoren von Elektro- oder Hybridfahrzeugen, in der Bordnetzversorgung aber auch als Starterbatterien eingesetzt. Während die Tauglichkeit der Nickel-Metallhydrid-Batterie in Hybridfahrzeugen bereits unter Beweis gestellt wurde, ist ein Einsatz in Elektrofahrzeugen nur eingeschränkt möglich. Der Einsatz von Lithium-Ionen- bzw. Lithium-Polymer-Batterien hängt von der Weiterentwicklung bei Sicherheitseigenschaften, Robustheit und den Kosten ab. Sie sind zwar für Hybrid- und Elektrofahrzeuge geeignet, befinden sich allerdings noch im Prototypstadium. Bleiakkumulatoren sind als Massenprodukt verfügbar, zudem robust und prinzipiell auch in Elektrofahrzeugen einsetzbar, werden jedoch aufgrund ihres Gewichts nicht bevorzugt dafür eingesetzt. Treibende Ziele für die Entwicklung neuer Speichersysteme bzw. die Weiterentwicklung bestehender Systeme sind höhere spezifische Energiedichten, eine Steigerung der spezifischen Leistung sowie eine notwendige Kostenreduktion.

Das PluG-in-Konzept

Elektro- oder Hybridfahrzeuge können mit einem bidirektionalen Speicher und einem Netzteil ausgestattet werden, sodass sie "via Steckdose" beim Parken geladen werden können. Sogenannte Plug-in-Hybridfahrzeuge beziehen ihre Energie vorwiegend aus dem elektrischen Netz. Die Hybridauslegung (Batterie und Verbrennungsmotor) garantiert eine Funktionsfähigkeit auch bei nichtgeladener Batterie. Ein Vollhybrid kann hingegen nicht extern geladen werden, sondern nur durch den Verbrennungsmotor. Primär dient der Speicher in Plug-in-Hybridfahrzeugen zwar zur mobilen Bereitstellung von elektrischer Energie, aber während der Ladezeiten können die im Fahrzeug eingebauten Speicher als stationäre Speicher im elektrischen Netz genutzt werden. Da zumeist mehr Zeit zum Laden zur Verfügung steht, als dafür eigentlich notwendig ist, können die am Netz angeschlossenen Fahrzeugspeicher als steuerbare Last eingesetzt werden. Somit stellt eine Flotte von Plug-in-Hybridfahrzeugen im Ruhezustand "einen größeren Speicher" – im Grunde genommen ein virtuelles Speicherkraftwerk – dar, der bei erhöhtem Energiebedarf netzseitig genutzt werden könnte. Möglich soll dies durch eine entsprechende Regelung und Steuerung werden. Diese stellt auch aus IuK-Sicht eine enorme Herausforderung dar. Im Ergebnis hätte man einen relativ großen "Bereich regelbarerer Verbraucher", der auch für Energieversorgungsunternehmen eine interessante Größe darstellen könnte. Um dieses Potenzial auch auszuschöpfen, sind – neben einer breiten Einführung von Plug-in-Hybrid- bzw. Elektrofahrzeugen – entsprechende Infrastrukturmaßnahmen erforderlich.

Schlussfolgerungen und Ausblick

Energiespeicher nehmen in Energieversorgungssystemen eine Schlüsselstellung ein. Sie erleichtern es, ein zeitlich und räumlich variables Energieangebot mit der zeitlich und räumlich variablen Energienachfrage in Einklang zu bringen sowie eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zu ermöglichen. Nicht nur für die Integration höherer Anteile fluktuierender Energieträger ist es daher notwendig, sich verstärkt mit optimierten Speichertechniken zu befassen. Zukünftig wird vermutlich einem ausgeklügelten Energiespeichersystem – nicht nur in Bezug auf eine verstärkte Integration fluktuierender Energieträger – gekoppelt mit einem effizienten Informationsmanagement zur Abstimmung von Angebot und Nachfrage und unter Einsatz von IuK-Technologien eine höhere Priorität eingeräumt werden, als dies heute der Fall ist. Damit würde sich auch auf technischer Ebene der Regelenergiebedarf im Netz teilweise steuern lassen.

In der Forschung zu Energiespeicherung steht das Ausschöpfen der technischen Möglichkeiten – mit hohen Speicherdichten und geringen Verlusten – im Vordergrund. Für den heute bestehenden Bedarf z. B. von großen Speichern im stationären Bereich gibt es jedoch kaum Pilotanlagen. Viele der genannten Speichertechniken befinden sich noch in der Entwicklung. Auch wenn keine neuen Durchbrüche zu verzeichnen sind, gibt es dennoch eine Reihe von Möglichkeiten, dem neuen Bedarf an Speichern auch einen anderen Stellenwert im FuE-Bereich zu geben:

Im internationalen Vergleich orientieren sich die übergeordneten energie- und forschungspolitischen Handlungsstrategien an der Trias Versorgungssicherheit, Umweltverträglichkeit und Wettbewerbsfähigkeit. Sie werden jedoch teils mit unterschiedlichen Konzepten verfolgt, was Konsequenzen für den Bedarf an Energiespeichern hat. So setzen die USA auf einen verstärkten Wasserstoffeinsatz, während in Europa primär Energieeffizienz und erneuerbare Energien im Fokus stehen. Im Mobilitätsbereich wird zu Wasserstoffspeichern und Batterien mit weitgehend deckungsgleichen Zielen geforscht. Im Zusammenhang mit Stromnetzen sind dagegen Unterschiede in der Schwerpunktsetzung zu verzeichnen: So zielt der Speichereinsatz in den USA eher auf die Verbesserung der Versorgungsqualität insgesamt, während in Europa und in Japan Speichertechnologien im Systemzusammenhang – Einbindung von erneuerbaren und dezentralen Energiequellen – untersucht werden. Die Wärme-Kälte-Speicherung ist in Europa und in Deutschland Gegenstand umfangreicher Forschungsaktivitäten (Gebäudebereich und Nahwärmesysteme), während dieses Forschungsfeld in den USA auf nationaler Ebene nicht mehr gefördert wird. Insgesamt zeigte sich auch auf internationaler Ebene, dass innerhalb der Energieforschung die Energiespeicher zumeist ein Randthema darstellen.

Die veränderte Situation auf dem Energiemarkt erfordert einen neuen Blick auf die Möglichkeiten der Energiespeicherung. In zukünftig zu erwartenden Gesamtenergiekonzepten mit hohen Anteilen fluktuierender Energieträger werden sich die Anforderungen an eine Zwischenspeicherung von Energie eher verschärfen. Energiespeicher verdienen daher steigende gesellschaftliche, ökonomische und politische Aufmerksamkeit.

 

Erstellt am: 22.10.2008 - Kommentare an: webmaster