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Speicher für Ökostrom Vorratslager für Wind und Sonnenschein

Windräder und Solaranlagen sollen möglichst bald konventionelle Kraftwerke ersetzen. Doch der Wind weht und die Sonne scheint nicht unbedingt dann, wenn wir den Strom brauchen. Er muss also gespeichert werden - aber wo und wie?

Stand: 06.03.2017

Wenn in Deutschland längere Zeit kräftig der Wind weht oder tagelang die Sonne scheint, speisen Windkraft- und Solaranlagen mehr Strom ins Netz ein, als verbraucht wird. Kohle- und Atomkraftwerke drosseln in diesem Fall ihre Produktion. Doch wenn Wind und Sonne dann immer noch zu viel Strom liefern, müssen die Stromproduzenten ihren Überschuss kostenlos an andere Länder abgeben oder an der Strombörse sogar draufzahlen, wenn sie Abnehmer finden wollen.

Speicher als Ausgleich

Für die Energiewende reicht es also nicht, viele Windkraft- und Solaranlagen zu bauen. Es sind auch Techniken notwendig, den Strom zu speichern, wenn regenerative Quellen zu viel davon ins Netz schicken. Denn sobald die Sonne nicht mehr scheint und der Wind nicht mehr weht, ist die gespeicherte Energie wieder wertvoll. Der Strom aus dem Speicher stillt dann die wieder erwachte Nachfrage und sorgt dafür, dass das Stromnetz im Gleichgewicht bleibt.

Speichertechniken für Ökostrom

Akkumulatoren

Batteriespeicher in Lankow

Die im Alltag gebräuchlichste Art Strom zu speichern sind Akkumulatoren, kurz Akkus. Sie stecken zum Beispiel in Notebooks, Digitalkameras und Elektrofahrrädern. Ihre Kapazität ist normalerweise eher klein. Doch in Lankow, einem Stadtteil von Schwerin, steht ein riesiger Batteriespeicher, der ebenfalls auf der Lithium-Ionen-Technik basiert. Laut Betreiber Younicos können die rund 26.000 einzelnen Akkus rund fünf Megawattstunden speichern. Das ist so viel, wie ein großes Windrad in einer Stunde produziert. Der Wirkungsgrad der Anlage ist hoch: 85 bis 90 Prozent des Stroms, den man hineinsteckt, lassen sich wieder entnehmen. Schwankungen im Stromnetz können die Akkus in Sekundenbruchteilen ausgleichen.

Redox-Flow Batterie

Redox-Flow-Batterie des Fraunhofer Instituts UMSICHT

Der Materialaufwand für Batteriespeicher mit hoher Kapazität ist allerdings groß. Den Akkus, die auf der Lithium-Ionen- oder der Blei-Säure-Technik basieren, sind daher beim Einsatz Grenzen gesetzt. Sie eignen sich in erster Linie als Kurzzeitspeicher. Soll der Strom länger aufbewahrt werden, sind Alternativen wie die Redox-Flow-Batterie interessant: Sie speichert Energie mithilfe von Flüssigkeiten, zum Beispiel einer Vanadiumlösung. Wenn man eine Redox-Flow-Batterie auflädt, bilden sich an Plus- und Minus-Pol zwei unterschiedliche Elektrolytvarianten der Lösung, die in getrennten Tanks gesammelt werden. Soll die Batterie den Strom wieder abgeben, führt man die beiden Flüssigkeiten wieder zusammen. Will man mehr Energie speichern, vergrößert man einfach die Tanks. Erste Windkraft- und Solaranlagen sind bereits mit Redox-Flow-Batterien ausgerüstet, z.B. auf der Nordseeinsel Pellworm – im Rahmen eines Forschungsprojekts. Dort stecken Wandler und Tanks in mehreren sechs Meter langen Containern. Und auch in Japan nutzen einige Windkraftanlagen diese "Flüssig-Akkus" als Pufferspeicher.

Pumpspeicherkraftwerk 1

Oberbecken dies Pumpspeicherwerk Goldisthal in Thüringen

Ebenfalls eine gebräuchliche Methode Strom zu speichern sind Pumpspeicherkraftwerke. Nachts, wenn die Kraftwerke zu viel Strom produzieren, wird Wasser einen Berg hinauf gepumpt. Tagsüber, wenn die Nachfrage deutlich höher ist, fließt es wieder herunter und treibt eine Turbine an. Zwar geht bei diesem Auf und Ab einige Energie verloren, im günstigsten Fall kommen aber mehr als 80 Prozent des hineingesteckten Stroms wieder heraus. In Bayern steht zum Beispiel ein Pumpspeicherwerk an der Leitzach südöstlich von München.

Pumpspeicherkraftwerk 2

Protest gegen den Bau eines Pumpspeicherwerks im Schwarzwald

Pumpspeicherkraftwerke sind eigentlich ideal für die Speicherung von Ökostrom. Es lassen sich aber nicht einfach beliebig viele davon bauen. Man braucht einen Berg und ausreichend Platz für einen Speichersee an dessen Fuß sowie einen weiteren deutlich weiter oben. In Deutschland ist die Zahl der Orte dafür begrenzt. Außerdem gibt es meist Proteste, wenn bekannt wird, dass an einem bestimmten Ort der Bau eines Pumpspeicherkraftwerks geplant wird.

Pumpspeicherkraftwerk 3

Stillgelegte Zechen könnten als Wasserspeicher unter Tage dienen.

Es gibt aber Alternativen zum Bau neuer Pumpspeicherkraftwerke hierzulande. Man könnte den überflüssigen Strom dorthin leiten, wo sich vorhandene Wasserkraftwerke umbauen oder relativ leicht neue Pumpspeicherkraftwerke errichten lassen, zum Beispiel in Norwegen. Das würde allerdings einen Ausbau der Stromnetze Richtung Skandinavien erfordern. Neue Hochspannungstrassen stoßen allerdings auf den Widerstand der Anwohner. Eine weitere Alternative wäre, ausrangierte Zechen als unterirdische Wasserspeicher für Pumpspeicherkraftwerke zu nutzen. Solche Anlagen kämen kaum mit dem Naturschutz in Konflikt. Allerdings sind sie beim derzeitigen Strompreis (noch) zu teuer, um rentabel zu arbeiten.

Pumpspeicherkraftwerk 4

Die Speicherkugel wird aus dem Bodensee geborgen.

Für einen Test haben Forscher vom Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik in Kassel eine Betonkugel im Bodensee versenkt. Die Kugel mit drei Metern Durchmesser lag mehrere Monate vor Überlingen in 100 Metern Tiefe und wurde Anfang März 2017 wieder geborgen. Mit dem Versuch wollten die Wissenschaftler prüfen, ob die Kugel unter Wasser als Energiespeicher dienen kann. Die Betonkugel funktioniert nach dem Prinzip eines Pumpspeicherkraftwerks: Einströmendes Wasser treibt eine Turbine an, die Strom erzeugt. Bei einem Überschuss an elektrischer Leistung wird das Wasser wieder aus der Hohlkugel gepumpt. Damit könnte Energie beispielsweise in der Nähe von Offshore-Windparks im Meer zwischengelagert werden. "Bislang war das eine theoretische Überlegung, jetzt konnten wir es auch in der Praxis zeigen", sagte Projektleiter Matthias Puchta vom Fraunhofer-Institut. Die Speicherung überschüssigen Stroms ist bislang ein zentrales Problem der Windenergie.

Druckluftspeicher 1

Modell des Kraftwerks Huntorf

Strom lässt sich aber auch ganz einfach speichern: mit Druckluft. Unterirdische Hohlräume dienen als riesige "Pressluftflaschen", in die mit dem überschüssigen Strom Luft gepumpt wird. Bei entsprechender Nachfrage lässt man die Luft wieder entweichen und treibt damit eine Turbine an. Druckluftspeicher wären beispielsweise in Salzstöcken möglich, die es an der Nordseeküste gibt. Weltweit gibt es aber nur zwei große Anlagen dieser Art: Eine steht in Huntorf zwischen Oldenburg und Bremen in Niedersachsen, die andere in den USA in McIntosh im Staat Alabama.

Druckluftspeicher 2

Geplanter Druckluftspeicher in Staßfurt - Projekt wurde 2015 eingestellt

Druckluftspeicher haben aber im Moment noch einen ziemlich schlechten Wirkungsgrad. Presst man Luft zusammen, entsteht Wärme, die bei heutigen Druckluftspeicheranlagen aber ungenutzt verloren geht. Diese verschwendete Energie könnte man jedoch gut gebrauchen, wenn die Luft wieder aus dem Speicher strömt. Denn sobald sich die Luft ausdehnt, kühlt sie die Umgebung stark ab. Für die Turbinen ist der frostige Luftstrom allerdings sehr schädlich, darum wärmt man ihn mit Gasbrennern vor. Das kostet wiederum Energie. Der Wirkungsgrad liegt deshalb insgesamt nur bei 40 bis 45 Prozent. Sollte aber eine Speicheranlage entstehen, die die entstehende Wärme nutzt, ließen sich Wirkungsgrade von rund 70 Prozent erreichen.

Wasserstoff-Elektrolyse

Der Elektrolyseur trennt Wasserstoff und Sauerstoff.

Überschüssiger elektrischer Strom lässt sich auch dazu benutzen, Wasser in seine chemischen Bestandteile zu zerlegen: Wasserstoff und Sauerstoff. Mit dem Wasserstoff kann man beispielsweise Gasturbinen und Automotoren antreiben. Allerdings vertragen herkömmliche Gasturbinen Wasserstoff nur als kleine Beimengung. Auch Wasserstoffautos kommen nicht als Großabnehmer in Frage: Auf deutschen Straßen sind nur wenige davon unterwegs. Das Gleiche gilt für Brennstoffzellen. Sie produzieren aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom, sind in der Praxis aber kaum im Einsatz.

Erdgasherstellung

Das moderne Gaskraftwerk Irsching 5 bei Ingolstadt

Daher gibt es Pilotprojekte, den Wasserstoff in eine bereits existierende Infrastruktur einzubinden: Er wird in Erdgas umgewandelt. Dazu wird der Wasserstoff mit Kohlendioxid kombiniert, um daraus Methan zu erzeugen. Methan ist das Gleiche wie Erdgas und lässt sich in Gasmotoren und -kraftwerken verbrennen. Nutzt man dieses Methan, um wieder Strom zu erzeugen, bekommt man letztlich nur etwa 35 Prozent von dem heraus, was man ursprünglich hineingesteckt hat. Der Wirkungsgrad dieser Technik ist damit zwar gering, aber mit dieser Speicherkapazität ließen sich auch lange Starkwindphasen nutzen, ohne das Stromnetz zu überlasten oder den Strom verschenken zu müssen.

Miteinander und nebeneinander

Je stärker wir auf regenerative Energien setzen, desto flexibler muss unser Stromnetz werden. Dabei werden Speicher für elektrische Energie eine immer wichtigere Rolle spielen, und zwar in folgenden Funktionen:

  • Kurzzeitspeicher, die das Netz stabilisieren.
  • Mittelfristspeicher, die die schwankende Stromproduktion im Tagesverlauf ausgleichen.
  • Langzeitspeicher, die Flauten überbrücken und Solarenergie für die dunkle Jahreszeit "aufbewahren".

Den idealen Speicher, der alle Aufgaben gleich gut bewältigen kann, gibt es nicht. Je nach Bestimmung sind die Anforderungen an Speicherkapazität, Wirkungsgrad und Abrufgeschwindigkeit verschieden. Auch die Kosten der Anlagen spielen eine wichtige Rolle. Daher werden in den kommenden Jahren und Jahrzehnten vermutlich nach und nach ganz unterschiedliche Speichertechnologien in unser Stromnetz Einzug halten.


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