Energiespeicherung

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Entwicklung vernachlässigt

Graphen, das neue Wundermaterial?

Dass sich Verfahren zur Energiespeicherung noch heute in der Entwicklung befinden, ist eine Folge der Energiepolitik der letzten Jahrzehnte. Die Atomkraft wurde durch staatliche Subventionen einseitig gefördert, die erneuerbaren Energien und die erforderlichen Speichertechniken wurden von Forschung und Energiekonzernen hingegen vernachlässigt.

Im November 2011 kritisierte der "Spiegel", dass sich Strom kaum speichern lasse und Wind- und Sonnenkraftwerke diesen oft "zur Unzeit" liefern. Effiziente Energiespeicher müssten entwickelt werden. Im Artikel wurde auf verschiedene Verfahren zur Energiespeicherung hingewiesen, wie z. B. Windgas, Wasserstoff oder Wasserkraftwerke.

Über aktuelle Trends bei der Energiespeicherung kann man sich auf der folgenden, von der Bundesregierung geförderten Website informieren. → Energiespeicher - Forschungsinitiative der Bundesregierung

Dass in Speichertechnologien investiert werden müsse, ist jedoch nicht unumstritten. Nach einer Studie der Berliner Denkfabrik "Agora Energiewende" bestehe in den 2020er und 2030er Jahren kein Bedarf an zusätzlicher Energiespeicherung. Wirtschaftlicher sei es, "die Produktion anderer Kraftwerke an das schwankende Ökostromangebot anzupassen, die Stromnachfrage gerade großer Verbraucher zu flexibilisieren und das europäische Stromnetz auszubauen".

Neue Organisationen und Institutionen

Zwar gibt es noch keine klare Linie bei der Technik, bei Organisationen und Institutionen sind jedoch Fortschritte zu verzeichnen. Eine Auswahl:

Die Branche der Energiespeicherunternehmen hat sich im Bundesverband Energiespeicher (BVES) organisiert, der ihre Interessen vertritt. Der BVES kündigte im Oktober 2013 an, ein internationales Netzwerk mit dem Namen "Exportplattform Energiespeicher" einzurichten, um Vertriebskanäle zu etablieren. → BVES

2012 gründete das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT) das "Centrum für Energiespeicherung CES", dessen Forschungsschwerpunkt auf "integrierten, dezentralen Energiewandlungs- und Energiespeichersystemen" liegt. → Frauenhofer UMSICHT

2014 wurde in Münster ein neues Forschungsinstitut der Helmholtz-Gemeinschaft gegründet, das die Methoden intelligenter Energiespeicherung erforschen soll. → MEET

Unter dem Namen "Energy Storage Europe" findet jährlich eine internationale Messe zur Energiespeicherung in Düsseldorf statt. → Energy Storage Europe

Internationales Stromnetz

Der grenzüberschreitende Energiehandel kann eine wichtige Rolle bei der Energiespeicherung und der Verteilung erneuerbarer Energien spielen.

Im April 2012 forderten Wissenschaftler ein "internationales Superstromnetz", um einen überregionalen Energieausgleich in Kombination mit vorhandenen Energiespeichern zu ermöglichen.

Ansätze dafür gibt es bereits: So wird beispielsweise schon jetzt überschüssige Windenergie aus Deutschland nach Österreich übertragen und in Wasserkraftwerken gespeichert. Bei Windflaute in Deutschland wird die Wasserkraft wieder in Energie umgewandelt und nach Deutschland zurückgeliefert.

Im Dreiländereck von Deutschland, Dänemark und Schweden in der Ostsee wird eine grenzüberschreitende Leitungsverbindung errichtet, in die auch mehrere Offshore-Windparks einbezogen werden. Dadurch werden nicht nur nationale Strommärkte verbunden, es kann auch der schwankende Strom aus Windparks besser abgeleitet und verteilt werden.

Im Januar 2014 kündigte der Netzbetreiber 50Hertz an, das deutsche Stromnetz besser mit Polen und Tschechien verbinden zu wollen, um überschüssigen Strom verkaufen zu können. Entsprechende Verträge stünden kurz vor dem Abschluss.

Einen wichtigen Beitrag zur Lösung des Speicherproblems wird Norwegen liefern: Das Land errichtet in Zusammenarbeit mit Deutschland eine Seekabelverbindung, über die Deutschland Energie in Pumpspeicherkraftwerken in Norwegen speichern kann. Zum NordLink-Kabel wurde im Februar 2015 ein Abkommen zwischen Norwegen und Deutschland abgeschlossen. Die Anlage soll 1,5 bis 2 Mrd. Euro kosten und ab 2019 im Probebetrieb laufen. Sie führt von Tonstad in Norwegen bis nach Wilster in Schleswig-Holstein. Im August 2017 wurde mit der Verlegung des Seekabels auf dem Meeresboden begonnen; im Oktober 2017 wurde beim Umspannwerk Wilster (Kreis Steinburg) Richtfest gefeiert. Ab 2020 sollen Windenergie aus Norddeutschland und norwegische Wasserkraft ausgetauscht werden.

Dezentrale Solarstromspeicher

Seit Mai 2013 fördert der Bund die private Anschaffung von Solarstromspeichern für Strom, der über Tag produziert wird und in der Nacht genutzt werden kann. Nach einer Studie des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) sollen dadurch auch die Netze entlastet werden. Allerdings ist die Nachfrage bislang nur gering, und manche Fachleute halten eine Förderung für nicht zielführend und die eingesetzte Technologie für nicht ausgereift. Zuschüsse im Rahmen des Batteriespeicher-Förderprogramms leistet die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW). In einem Einfamilienhaus mit Fotovoltaikanlage und Batteriespeicher sollen externe Stromkosten so um bis zu 60 % reduziert werden können.

Mit dem "Zehntausend-Häuser-Programm" war 2013 in Bayern ein spezifisches Förderprogramm geplant, das die Selbstversorgung von Häusern über dezentrale Energiespeicherung unterstützen soll.

Power to Gas und Brennstoffzellen

Regenerativ - Gas als Energiespeicher Projekt Zukunft

Deutsche Welle vom 24. März 2013

In "Focus Online" vom 26. Oktober 2011 wurde auf ein Hybridkraftwerk hingewiesen, welches Windkraft als Wasserstoff speichert. Daneben wird Biogas als Energieträger verwendet.

Amerikanische Forscher gaben im August 2013 bekannt, sie hätten ein Verfahren entwickelt, mit dem günstig und umweltschonend der Energieträger Wasserstoff gewonnen werden könne. Sonnenlicht soll hierzu auf Solarturm-Kraftwerke gelenkt und konzentriert werden; die Strahlung trifft im Reaktor auf Wasserdampf und spaltet diesen in Wasserstoff und Sauerstoff.

Als innovative Speichermöglichkeit wurde im November 2013 im "Standard" das Verfahren "Power to Gas" beschrieben, bei dem mit Hilfe von Strom und Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden kann. Ein Teil des Wasserstoffs wird weiterverwendet, der größte Teil aber in Methan umgewandelt, welches dann für Wärmeerzeugung und den Mobilitätssektor verwendet werden kann. Power to Gas sei zwar noch nicht ausgereift und sehr teuer im Vergleich zu russischem Erdgas, besitze aber einen hohen Wirkungsgrad. Mit einer längerfristigen Kostensenkung sei zu rechnen.

2014 ging eine erste Demonstrationsanlage für Power-to-Gas in Frankfurt ans Netz. Darin wird Ökostrom in Wasserstoff verwandelt, welcher in einem lokalen Gasnetz gespeichert wird. Allerdings gehen 30 % der Energie dabei verloren. Mit der Anlage soll Betriebserfahrung gesammelt werden.

Bausteine für Power to Gas sollten ab 2015 im Energiepark Mainz erforscht werden.

Im August 2015 waren knapp zwei Dutzend Pilotprojekte am Laufen, die von der Bundesregierung gefördert wurden. E.ON betrieb eine Anlage im brandenburgischen Falkenhagen, RWE seit August 2015 in Ibbenbüren im Münsterland. Die Umwandlung von überflüssigem Ökostrom in Wasserstoff und Methan gilt zwar nicht als wettbewerbsfähig. Greenpeace Energy fand aber für einen ""Pro-Windgas"-Gastarif" vom Dezember 2014, der über den marktüblichen Preisen lag, in kurzer Zeit über 10.000 umweltbewusste Kunden.

Nach einer Meldung vom Januar 2016 gelang es einem Start-Up-Unternehmen, Wasserstoff in einer ölähnlichen Flüssigkeit zu speichern, womit es gefahrloser zu transportieren ist. Aus dem Wasserstoff kann dann wieder Energie gewonnen werden.

Im März 2016 schlossen sich mehrere bayerische Hochschulen zum Verbund ForOxiE² zusammen, um in einem interdisziplinären Projekt Möglichkeiten der Speicherung erneuerbarer Energie zu erforschen; insbesondere Materialverbesserungen für Brennstoffzellen sollen erreicht werden.

Pumpspeicherkraftwerke und Ringwallspeicher

Pumpspeicherkraftwerke gelten derzeit als das einzige kommerziell einsetzbare Verfahren zur Energiespeicherung. Aufgrund der energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen und geologischen Gegebenheiten sind ihrem Ausbau allerdings Grenzen gesetzt.

Im Oktober 2012 wurde in Österreich die Initiative "Infrastrukturpaket der Alpenländer" präsentiert, in der Deutschland, Österreich und die Schweiz die Pumpspeicherkraftwerke ausbauen wollen. Eine infolge dieser Initiative beauftragte trilaterale Studie zum Potenzial dieser Kraftwerke wurde 2014 veröffentlicht. Darin kommen die Autoren zum Ergebnis, "dass die Bedeutung von Pumpspeicherkraftwerken langfristig mit einem steigenden Anteil erneuerbarer Energien zunimmt".

Eine Sonderform von Pumpspeicherkraftwerken sind Ringwallspeicher im Flachland. Das obere Speicherbecken wird durch einen künstlich angelegten Ringwall gehalten. Das Wasser wird mit überschüssigem Strom aus einem unteren in das oberes Becken gepumpt. "Bei Windflaute und Strombedarf fließt das Wasser wieder zurück und treibt dabei Turbinen an." Ein Ringwallspeicher mit einer Höhe von 215 m und einem Durchmesser von elf Kilometern hätte die Kapazität von zwei Atomkraftwerken.

Stromspeichernde Betonkugel entwickelt

hessenschau, hochgeladen auf YouTube am 9. März 2017

Im März 2017 haben Forscher erfolgreich Energie mit Hilfe einer Betonkugel im Bodensee gespeichert. In etwa drei bis fünf Jahren plant das Fraunhofer Institut Tests mit einer größeren Kugel im Meer. Die Funktion der Hohlraumkugel: Ist überschüssiger Strom vorhanden, der nicht ins Stromnetz eingespeist werden kann, wird damit Wasser aus der Kugel gepumpt. Wird Strom benötigt, z. B. bei Flaute, lässt man Wasser in die Kugel einströmen. Das Wasser treibt eine Turbine an, die Strom erzeugt, welcher ins Netz geleitet wird. "Eine leere Kugel entspricht dabei einer vollen Batterie."

Druckluftspeicher

Erste Druckluftspeichernanlage in der Schweiz

3Sat, Video hochgeladen auf YouTube am 6. November 2017

Bereits im Jahr 1978 wurde das Druckluftspeicherkraftwerk Huntorf bei Wilhelmshaven in Betrieb genommen, 1991 ein ähnliches Kraftwerk in Macintosh (USA). In diesen CAES-Kraftwerken (Compressed Air Energy Storage) wird mit überschüssiger Energie Luft in einen Speicher gepumpt. Wird Strom benötigt, wird mit der Druckluft eine Gasturbine zur Stromerzeugung angetrieben. Als Speicher werden unterirdische Kavernen in Salzstöcken verwendet.

Ende 2015 wurde ein alter Stollen bei Biasca im Schweizer Kanton Tessin in eine Druckluftspeicher-Pilotanlage umgebaut. Sie ist die weltweit erste und einzige Anlage mit Wärmespeichern in einer Felskaverne (Stand: Ende 2017). Die Tests liefen erfolgreich; aufgrund der Wärmespeicherung erreicht die Anlage einen höheren Wirkungsgrad als bisherige Druckluftspeicheranlagen. Es soll nun erforscht werden, wo solche Anlagen gebaut und wirtschaftlich betrieben werden können. (s. Video)

Salzwärmespeicher

751 Energiewende Salzwärmespeicher wie funktionieren sie und andere Speicher-0

ZDF.umwelt, hochgeladen auf YouTube am 5. Januar 2015

Laut der "Süddeutschen Zeitung" wird die Speicherung von Wärme mit Hilfe verschiedener Materialien erforscht, wie z. B. Salz in Tanks. Als Alternativen für Salz gelten Schlacke aus der Stahlproduktion, Beton, Paraffin oder Salzhydrate.

Für die Energiespeicherung können sogenannte Solarsalze eingesetzt werden, Mischungen aus Natrium- und Kaliumnitrat, die hohe Temperaturen ertragen. Allerdings sind diese Salze sehr aggressiv, weswegen im Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM) derzeit spezielle Werkstoffe getestet werden.

Am 5. Juli 2016 wurde am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln mit dem Bau der Testanlage TESIS begonnen. Wärme soll dort in flüssigen Salzmischungen bei Temperaturen von 180 bis 560 Grad Celsius gespeichert werden. Mit der Testanlage wird das Ziel verfolgt, die Flüssigsalztechnologie weiterzuentwickeln, die Kosten zu reduzieren, die Effizienz zu erhöhen und derartige Anlagen letztendlich an den Markt zu bringen.

Batterien

Lithium-Batterien

Am 11. Juli 2014 nahm das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) den größten deutschen Solar-Speicher-Park in Betrieb, in dem Solarzellen, Lithium-Ionen-Batterien und Wechselrichter zusammenarbeiten. Sonnenstrom soll dort gespeichert und jederzeit verfügbar gemacht werden.

In Schwerin (Mecklenburg-Vorpommern) wird der größte hybride Lithium-Batterien-Verbund in Europa betrieben, von dem der erste Teil 2014 und der zweite Teil 2017 eröffnet wurden. Der Batteriepark setzt sich aus knapp 55.000 miteinander verbundenen Lithium-Ionen-Akkus zusammen und besitzt eine Speicherkapazität von 15 Megawattstunden. Die Akkus können in Sekunden Strom speichern oder abgeben und gleichen so Schwankungen im Stromnetz aus. Die Finanzierung wird durch Auktionen an der Leipziger Strombörse gewährleistet.

Redox-Flow-Batterien

Flüssigkeitsbatterien, sogenannte Redox-Flow-Batterien, waren bereits 1949 bekannt und wurden in den 1970er Jahren von der NASA weiterentwickelt, schafften aber nicht den Durchbruch. Im März 2013 wurden auf der Hannover Messe Redox-Flow-Batterien mit deutlich erhöhter Leistungsfähigkeit vorgestellt. Im Januar 2014 berichtete die "FAZ", dass amerikanische Wissenschaftler eine Flussbatterie mit organischen Chemikalien entwickelt haben, mit denen Energie in größeren Mengen gespeichert werden kann.

Mit der Forschung an Redox-Flow-Batterien beschäftigt sich das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie in Pfinztal. Es nahm im September 2017 eine große Redox-Flow-Batterie in Betrieb, die überschüssigen Strom eines 2-Megawatt-Windrads am Institutsgelände speichert und das Institut bei Windflaute mit Strom versorgt. In einer Bröschüre des Instituts wird die Funktionsweise dieser "elektrochemische[n] Energiespeicher mit einem flüssigen Speichermedium" näher beschrieben. → ict.fraunhofer.de: Redox-Flow-Batterie

Über eine Weiterentwicklung von Redox-Flow-Batterien wurde im November 2017 berichtet. Der Energieanbieter EWE und Forscher der Universität Jena erzielten nach eigenen Angaben Fortschritte dabei, elektrische Energie in Salzstöcken zu speichern. Versuche belegen, "dass die riesigen unterirdischen Hohlräume mit Hilfe eines Gemisches aus Salzwasser und elektrisch aufgeladenen Kunststoffteilchen als große Batterie genutzt werden können."

Siehe auch → SWR: Energiespeicher der Zukunft - Die größte Batterie der Welt

Graphen

Graphen ist eine Kohlenstoffverbindung, bei der die Kohlenstoffatome zweidimensional, also in Form einer Schicht mit der Höhe eines Atoms angeordet werden.

Auf Graphen als Werkstoff für die Energiespeicherung ist in diversen älteren Beiträgen hingewiesen worden. In einer Präsentation der Universität Bayreuth aus dem Jahr 2012 wurden "graphenbasierte Supercapacitors" als Energiespeicher behandelt. Im gleichen Jahr berichtete das Leibnitz-Institut für Neue Materialien (INM), dass es an der Verwendung von Graphen für hocheffiziente Energiespeicher forscht. In einem nicht datiertem Beitrag beschrieb die Max-Planck-Gesellschaft "Superkondensatoren aus Graphen als Energiespeicher" und seine Forschungen hinsichtlich eines industriellen Herstellungsverfahrens.

Ansätze für eine industrielle Realisierung scheint es erst seit 2016 zu geben.

Im August 2016 behauptete das Unternehmen Fisker, einen Apparat für eine besonders kostengünstige Graphen-Produktion erfunden zu haben, besaß dafür allerdings noch kein Patent.

Im August 2016 wurde berichtet, das Unternehmen Skeleton Technologies errichte in Großröhrsdorf bei Dresden eine Fabrik, in der selbstentwickelte Hochleistungs-Energiespeicher mit hoher Energiedichte hergestellt werden sollen. Hierbei wird allerdings nicht zweidimensionales, sondern "Curved Graphene" verwendet. Die Fabrik wurde im März 2017 eröffnet.

Im November 2017 meldete Samsung ein Patent für eine selbst entwickelte Graphen-Batterie an.

Weitere Links

→ heise.de: Technology Review -Themenseite: Energiespeicher
→ Bundesministerium für Wirtschaft und Energie: Förderung Energiespeicher

Fernsehbeiträge

• Stromspeicher mit Luft, Wasser, Salz, Wasserstoff, Methan
  

Energiewende Teil 10 von Stromspeicher mit Luft Wasser Salz Wasserstoff Methan

3sat, hochgeladen auf YouTube am 25. September 2011

(Letzte Änderung: 04.02.2018)