Die Herausforderung der Energiespeicherung bei erneuerbaren Energien

Die Windenergie hat sich in Deutschland zu einer tragenden Säule der Energiewende entwickelt. Mit über 30.000 Windkraftanlagen und einer installierten Leistung von mehr als 60 Gigawatt (Stand 2022) deckt die Windenergie bereits einen bedeutenden Teil des deutschen Strombedarfs. Doch die fluktuierende Natur dieser Energiequelle stellt eine Herausforderung dar: Der Wind weht nicht immer dann, wenn Energie benötigt wird, und manchmal produzieren Windkraftanlagen mehr Strom, als momentan verbraucht werden kann.

Diese Diskrepanz zwischen Erzeugung und Bedarf führt zu einem zentralen Problem bei der Integration von Windenergie in das Stromnetz – und hier kommen Speichertechnologien ins Spiel. Effiziente und skalierbare Energiespeicher können überschüssigen Strom aus Windkraftanlagen aufnehmen und bei Bedarf wieder abgeben, was die Grundlastfähigkeit der Windenergie erhöht und das Stromnetz stabilisiert.

Aktuelle Speichertechnologien im Überblick

Die Palette der verfügbaren Speichertechnologien für Windenergie ist vielfältig und reicht von bewährten Methoden bis hin zu innovativen Ansätzen, die sich noch in der Entwicklung befinden. Hier ein Überblick über die wichtigsten Speichertechnologien:

Batteriespeicher

Lithium-Ionen-Batterien haben in den letzten Jahren enorme Fortschritte in Bezug auf Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Kosten gemacht. Große Batterie-Speichersysteme werden bereits erfolgreich in Kombination mit Windparks eingesetzt, um kurzzeitige Schwankungen auszugleichen und Netzdienstleistungen wie Frequenzregulierung anzubieten. Ein Beispiel ist der 16-Megawatt-Batteriespeicher in Schleswig-Holstein, der in Verbindung mit einem Windpark betrieben wird.

Neben Lithium-Ionen-Batterien gewinnen auch andere Batterietechnologien an Bedeutung. Natrium-Schwefel-Batterien und Redox-Flow-Batterien eignen sich besonders für stationäre Großspeicher. Letztere haben den Vorteil, dass Leistung und Kapazität unabhängig voneinander skaliert werden können, was sie flexibel einsetzbar macht.

Pumpspeicherkraftwerke

Pumpspeicherkraftwerke sind die älteste und am weitesten verbreitete Form der Energiespeicherung im Großmaßstab. In Deutschland gibt es etwa 30 Pumpspeicherkraftwerke mit einer Gesamtleistung von rund 7 Gigawatt. Bei Energieüberschuss pumpen sie Wasser in ein höher gelegenes Reservoir, bei Energiebedarf lassen sie das Wasser durch Turbinen zurück in ein unteres Becken fließen und erzeugen dabei Strom.

Die Vorteile von Pumpspeicherkraftwerken liegen in ihrer hohen Kapazität, langen Lebensdauer und schnellen Reaktionszeit. Allerdings sind die Ausbaupotenziale in Deutschland aufgrund geografischer und umweltrechtlicher Einschränkungen begrenzt.

Power-to-Gas und Wasserstoffspeicherung

Die Umwandlung von überschüssigem Windstrom in Wasserstoff durch Elektrolyse bietet eine vielversprechende Möglichkeit zur langfristigen Energiespeicherung. Der erzeugte Wasserstoff kann direkt genutzt, in das bestehende Erdgasnetz eingespeist oder in unterirdischen Kavernen gespeichert werden. Bei Bedarf kann er wiederum über Brennstoffzellen oder Gasturbinen rückverstromt werden.

Im Rahmen der nationalen Wasserstoffstrategie werden in Deutschland zahlreiche Pilot- und Demonstrationsprojekte gefördert, die diese Technologie voranbringen sollen. Ein Beispiel ist das Projekt "Westküste 100" in Schleswig-Holstein, bei dem Windstrom zur Wasserstoffproduktion genutzt wird, der dann in einer Raffinerie Verwendung findet.

Schwungradspeicher

Schwungradspeicher nutzen rotierende Massen, um Energie in Form von kinetischer Energie zu speichern. Sie zeichnen sich durch sehr schnelle Reaktionszeiten, hohe Leistungsdichten und lange Lebensdauern aus. Allerdings sind sie weniger für die langfristige Energiespeicherung geeignet, sondern vielmehr für den Ausgleich kurzfristiger Schwankungen und die Netzstabilisierung.

In Kombination mit Windparks können Schwungradspeicher dazu beitragen, die Qualität des eingespeisten Stroms zu verbessern und die Anlaufzeiten von Windkraftanlagen bei schwachen Windverhältnissen zu überbrücken.

Innovative Ansätze für die Zukunft

Neben den etablierten Technologien gibt es auch eine Reihe innovativer Ansätze, die das Potenzial haben, die Energiespeicherung für Windenergie zu revolutionieren:

Gravitationsspeicher

Eine relativ neue Idee ist die Speicherung von Energie durch das Anheben schwerer Massen. Ähnlich wie bei Pumpspeicherkraftwerken wird hier potenzielle Energie gespeichert, allerdings ohne auf Wasser und entsprechende geografische Gegebenheiten angewiesen zu sein. Bei Energieüberschuss werden zum Beispiel Betonblöcke oder Container mit einem elektrischen Kran angehoben, bei Energiebedarf lässt man sie kontrolliert absinken und erzeugt dabei Strom.

Deutsche Start-ups wie Gravitricity und Energy Vault arbeiten an solchen Lösungen, die den Vorteil haben, dass sie nahezu überall errichtet werden können und mit geringen Umweltauswirkungen verbunden sind.

Thermische Speicher

Bei thermischen Speichern wird überschüssige elektrische Energie in Wärme umgewandelt und gespeichert, beispielsweise in isolierten Tanks mit geschmolzenem Salz, heißem Wasser oder speziellen Wärmespeichersteinen. Bei Bedarf kann die Wärme über Wärmetauscher und Turbinen wieder in Strom umgewandelt werden.

Ein Vorteil dieser Technologie ist, dass sie vergleichsweise kostengünstig ist und auf bewährten Komponenten aus konventionellen Kraftwerken basiert. Zudem lässt sich die gespeicherte Wärme auch direkt für Heizzwecke nutzen, was die Gesamteffizienz des Systems erhöht.

Power-to-Liquid

Ähnlich wie bei Power-to-Gas kann überschüssiger Windstrom auch zur Herstellung synthetischer flüssiger Kraftstoffe genutzt werden. Durch die Kombination von Wasserstoff aus der Elektrolyse mit CO₂, das beispielsweise aus industriellen Prozessen oder direkt aus der Luft gewonnen wird, lassen sich synthetische Kraftstoffe wie Methanol, Diesel oder Kerosin herstellen.

Diese Kraftstoffe haben den Vorteil, dass sie in der bestehenden Infrastruktur für flüssige Kraftstoffe gespeichert, transportiert und genutzt werden können. Zudem eignen sie sich besonders für Bereiche, die schwer zu elektrifizieren sind, wie die Luftfahrt oder die Schifffahrt.

Integrative Speicherkonzepte: Der Schlüssel zur Energiewende

Die Herausforderungen bei der Einbindung von Windenergie in das Energiesystem lassen sich nicht mit einer einzelnen Speichertechnologie lösen. Vielmehr bedarf es eines integrierten Ansatzes, bei dem verschiedene Speichertechnologien mit ihren spezifischen Stärken kombiniert werden.

Kurzzeitige Schwankungen in der Windenergieproduktion können durch Batteriespeicher oder Schwungradspeicher ausgeglichen werden, während für die tages- oder wochenweise Speicherung Pumpspeicherkraftwerke oder thermische Speicher zum Einsatz kommen. Für die saisonale Speicherung über mehrere Monate hinweg eignen sich vor allem Power-to-Gas oder Power-to-Liquid-Technologien.

Zudem gewinnt das Konzept der sektorenübergreifenden Speicherung immer mehr an Bedeutung. Hierbei wird überschüssige Windenergie nicht nur im Stromsektor gespeichert, sondern auch im Wärme- oder Verkehrssektor genutzt. Ein Beispiel hierfür sind Power-to-Heat-Anlagen, bei denen Windstrom zur Erzeugung von Wärme für Fernwärmenetze oder industrielle Prozesse genutzt wird.

Die Rolle der Politik und wirtschaftliche Aspekte

Die Entwicklung und der Einsatz von Speichertechnologien für Windenergie werden maßgeblich durch politische Rahmenbedingungen und wirtschaftliche Faktoren beeinflusst. In Deutschland hat die Bundesregierung im Rahmen des Klimaschutzprogramms 2030 verschiedene Maßnahmen zur Förderung von Energiespeichern beschlossen, darunter Förderprogramme für Forschung und Entwicklung sowie Investitionszuschüsse für Pilotprojekte.

Allerdings fehlt es noch an einem umfassenden regulatorischen Rahmen, der die wirtschaftliche Nutzung von Speichern fördert. So werden Speicher derzeit zum Teil als Erzeuger und Verbraucher doppelt mit Netzentgelten und anderen Abgaben belastet, was ihre Wirtschaftlichkeit beeinträchtigt.

Trotz dieser Herausforderungen sinken die Kosten für viele Speichertechnologien kontinuierlich. Insbesondere Batteriespeicher haben in den letzten Jahren deutliche Kostensenkungen erfahren. Die Internationale Energieagentur (IEA) prognostiziert, dass die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien bis 2030 um weitere 50% sinken könnten.

Fazit und Ausblick

Energiespeicher sind ein wesentlicher Baustein für den weiteren Ausbau der Windenergie und die Gestaltung eines erneuerbaren Energiesystems. Die Technologien dafür sind bereits heute verfügbar oder in einem fortgeschrittenen Entwicklungsstadium. Die Herausforderung besteht nun darin, diese Technologien im großen Maßstab einzusetzen und wirtschaftlich zu betreiben.

Die Zukunft der Energiespeicherung liegt in einem intelligenten Mix verschiedener Technologien, die optimal auf die jeweiligen Anforderungen des Energiesystems abgestimmt sind. Durch die Kombination von Batteriespeichern, Pumpspeicherkraftwerken, Power-to-Gas und anderen innovativen Ansätzen kann die fluktuierende Windenergie zu einer zuverlässigen Säule der Energieversorgung werden.

Deutschland hat mit seiner starken Position in der Windenergie und seiner industriellen Basis gute Voraussetzungen, auch im Bereich der Speichertechnologien eine führende Rolle einzunehmen. Dies erfordert jedoch kontinuierliche Investitionen in Forschung und Entwicklung sowie einen förderlichen regulatorischen Rahmen.

Die erfolgreiche Integration von Speichertechnologien wird letztlich darüber entscheiden, ob die ambitionierten Ziele der Energiewende erreicht werden können und Deutschland den Weg zu einer klimaneutralen Energieversorgung beschreiten kann.