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1 Energiespeicher Technologien und Anwendungen A N D R E A S H A U E R Energiespeicher sind teuer und ineffizient! Das ist zweifellos richtig. Sie kosten Geld und ihre Effizienz liegt in der Regel nicht über 100 %. Energiespeicher eröffnen allerdings Möglichkeiten, die diese Nachteile bei weitem überwiegen: Sie können momentan nicht nutzbare Energie einer sinnvollen Nutzung zuführen und damit z.b. Erneuerbare Energien in unser Energiesystem integrieren oder unsere Energieeffizienz steigern. Damit werden sie zu einer zentralen Technologie für die Umsetzung der Energiewende. Wa s i s t e i n E n e rg i e s p e i c h e r? In der Diskussion um Energiespeicher wird oft eine Definition dieses Begriffs stillschweigend vorausgesetzt. Allerdings ist es in der Tat oft unklar, was wirklich unter Energiespeichern verstanden wird. Der Bundesverband Energiespeicher BVES hat Definitionen für den Speicher, das Speichersystem und das Verhältnis von einem Speicher zu seiner Anwendung erarbeitet. Ein Energiespeicher kann Energie aufnehmen und zu einem späteren Zeitpunkt wieder abgeben. Der Speicherprozess besteht prinzipiell aus drei Schritten: dem Laden, dem eigentlichen Speichern und dem Entladen. Nach dem Entladen kann ein Energiespeicher erneut geladen werden. Die Energieform (Elektrizität, Wärme, Kälte, mechanische Energie, chemische Energie), die ein Energiespeicher aufnimmt, wird in der Regel auch wieder abgegeben. Allerdings wird häufig die geladene Energieform zur Speicherung in eine andere umgewandelt (z.b. Pumpspeicherwerk, Batterie). Zum Entladen wird sie dann wieder in der ursprünglichen Form bereitgestellt oder in manchen Ausprägungen auch in der Form der Speicherung bereitgestellt, z.b. Power-to-Gas oder Power-to-Heat. Das Energiespeichersystem setzt sich aus den Bausteinen Lade-, Speicher- und Entladeeinheit zusammen. Der eigentliche Energiespeicher ist durch die Lade- und Entlade-Vorrichtungen mit dem Versorgungssystem verbunden. Zum Beispiel würde bei einem Wasserstoff-Energiespeicher das Laden der Elektrolyse (Produktion von Wasserstoff aus Wasser durch den Einsatz von Elektrizität), das Speichern dem Speichern des Gases und das Entladen der Rückverstromung (z.b. durch eine Brennstoffzelle) entsprechen. Die technischen und wirtschaftlichen Anforderungen an den Speicher werden durch die tatsächliche Anwendung des Speichers im Versorgungssystem bestimmt. Daher ist eine Beurteilung verschiedener Speichertechnologien (und ein Vergleich) nur anhand konkreter Anwendungen möglich. Die Anwendung gibt technische Anforderungen vor (Energieform, Ein- und Ausspeicherleistung, Speicherkapazität, Reaktionszeit). Die Anwendung legt auch das ökonomische Umfeld fest (z.b. welche Energiepreise können angesetzt werden, welche Nutzungsdauer wird erreicht, etc.). 36 SOLARZEITALTER

2 E n e rg i e s p e i c h e r - Te c h n o lo g i e n In der Regel teilt man die verschiedenen Energiespeichertechnologien nach den Energieformen ein, die sie bereitstellen können: Elektrische, thermische und chemische Energiespeicher. Elektrizität kann wiederum in Form von elektrischer, mechanischer oder elektrochemischer Energie gespeichert werden. Die direkte Speicherung von Elektrizität in Super-Kondensatoren oder supra-leitenden Magnetspulen (Super-conducting Magnetic Energy Storage, SMES) ist mit ihren sehr kurzen Speicherzeiten und einer sehr geringen Speicherkapazität für unser zukünftiges Energiesystem weniger relevant. Die Speicherung in elektro-chemischen Prozessen ist hingegen genau das, was wir im Allgemeinen unter elektrischen Energiespeichern verstehen: Batterien im weitesten Sinn. Die größten momentan installierten elektrischen Speicherkapazitäten werden allerdings durch Pumpspeicherwerke realisiert. Dabei wird Strom durch das Pumpen von Wasser in Lageenergie umgewandelt. Zum Entladen wird die potenzielle Energie des Wassers in kinetische umgewandelt und durch eine Turbine wieder Strom produziert. Abbildung 2: Mobiler Sorptionsspeicher zur Nutzung industrieller Abwärme (ZAE Bayern) Abbildung 1: Flüssigkeitstanks einer Redox-Flow-Batterie (ZAE Bayern) Solche mechanischen Elektrizitätsspeicher können auch durch Duckluftspeicher, bei denen Luft in Kavernen komprimiert wird, realisiert werden. Thermische Energie Wärme und Kälte kann ebenfalls auf drei verschiedene Arten gespeichert werden: Sensibel, latent oder thermo-chemisch. Bei einem sensiblen Wärmespeicher wird das Speichermedium erwärmt. Die erreichbare Speicherkapazität hängt von der Temperaturerhöhung und der spezifischen Wärmekapazität des Mediums ab. Möchte man in einem vorgegebenen Temperaturintervall mehr Energie speichern, muss man ein Medium finden, das in diesem Bereich einen Phasenwechsel durchläuft, z.b. Wasser, das beim Abkühlen zu Eis wird und dadurch mehr Kälte speichern kann. Einen solchen Speicher nennt man Latentwärmespeicher. Noch höhere Speicherdichten lassen sich erzielen, wenn thermo-chemische Prozesse, d.h. Sorptionsprozesse oder reversible chemische Reaktionen, genutzt werden, um Wärme aufzunehmen und zu einem späteren Zeitpunkt wieder abzugeben. Beim Laden werden die Reaktionspartner getrennt. Werden sie wieder zusammengebracht, wird die Reaktionswärme freigesetzt, was dem Entladen entspricht. SOLARZEITALTER

3 Unter chemischer Speicherung versteht man Prozesse, bei denen unter Einsatz elektrischer Energie zunächst Wasserstoff erzeugt wird. In weiteren Schritten kann der Wasserstoff auch zu Methan umgewandelt werden. Das entstandene Gas kann mit sehr hoher Energiedichte aufgehoben werden und dann z.b. für die Mobilität oder eine Wiederverstromung eingesetzt werden. E n e rg i e s p e i c h e r i m E i n s a t z Man kann grundsätzlich zwei Arten von Energiespeichern unterscheiden: Die einen stellen für eher kurze Zeiten hohe Leistungen bereit, während die anderen über längere Zeiträume tatsächlich Energie liefern können. Diese Unterscheidung zwischen sogenannten Leistungsspeichern und den eigentlichen Energiespeichern ist sinnvoll, da sie sich sowohl auf die Speichertechnologien als auch auf deren konkrete Anwendungsbereiche bezieht. Tatsächlich sind heute vor allem im Elektrizitätsbereich hauptsächlich Leistungsspeicher im Einsatz. Nur wenige Technologien sind in der Lage, elektrische Energie in größerem Ausmaß zur Verfügung zu stellen. Selbst ein großes Pumpspeicherwerk hält bei voller Leistung Strom nur für wenige Stunden vor. Ein gutes Beispiel sind Elektrofahrzeuge. Hier können schon heute die Vorteile sehr hoher Leistungen beim Beschleunigen und schnellen Laden ausgespielt werden. Der Energieinhalt, also die Reichweite, lässt hingegen noch Wünsche offen. Abb. 3 zeigt schematisch einen Leistungs- und einen Energiespeicher. Dabei ist hier Leistung über der Zeit aufgetragen. Das Produkt beider Größen, die Fläche der roten Rechtecke, ist die Energie. Zu beachten ist die Zeitachse, die beim Leistungsspeicher im Bereich von Sekunden bis Minuten liegt, beim Energiespeicher allerdings zwischen Stunden und Tagen. Energiespeicher sind bereits heute eine Säule der Versorgungssicherheit für Strom und Wärme. Mit der zunehmenden fluktuierenden Erzeugung durch Erneuerbare Energien wird die Sicherstellung einer unterbrechungsfreien Energieversorgung noch wesentlich bedeutsamer. Die Energiewende beinhaltet auch eine zunehmende Verflechtung von Strom-, Wärme- und Mobilitätsnutzung. Mit Lösungen wie Power-to-Heat oder Power-to-Gas wachsen z.b. die Sektoren Strom und Wärme sinnvoll zusammen. Damit wird der Einsatzbereich für Energiespeichersysteme in der Zukunft wesentlich umfangreicher und komplexer. Im Mittelpunkt der Speicherdiskussion steht heute fast ausschließlich die Integration von erneuerbarem Strom aus Wind oder Fotovoltaik in das öffentliche Elektrizitätsnetz. Diese Anwendungen bilden aber nur einen Teil der zukünftigen Einsatzbereiche für Energiespeicher im Zusammenhang mit der Umsetzung der Energiewende ab (siehe Abb.4). Die Energiewende basiert auf zwei Säulen, nämlich der Integration Erneuerbarer Energien und der Abbildung 3: Leistungsspeicher und Energiespeicher 38 SOLARZEITALTER

4 Steigerung der Energieeffizienz. Speicher sind dabei unerlässlich, sei es bei der Anpassung des Strombedarfs ( Demand Side Integration ), bei der Integration erneuerbarer Wärme, vor allem auch bei der Steigerung der Energieeffizienz. Im Energieeffizienzbereich können Energiespeicher eine bessere Nutzung der Primärenergie bei industriellen Prozessen, im Gebäudebereich, bei der Elektrizitätserzeugung und sogar bei der Mobilität gewährleisten. Durch den Zuwachs an erneuerbaren Energiequellen in unserem zukünftigen Energiesystem werden Energiespeicher besonders als dezentrale Systeme an Bedeutung gewinnen. Solange unser Netz nicht perfekt ist, können dezentrale Speicher durch verschiedene Systemdienstleistungen wie Peak- Shaving, Bereitstellung von Regelenergie, Erhöhung des Eigenverbrauchs und die Umwandlung von Strom zu Wärme/Kälte zur Spannungs- und Frequenzhaltung beitragen und somit lokale Überlastungen vermeiden. Diese Speicheranwendungen werden in vielen Studien zum zukünftigen Speicherbedarf nicht betrachtet. Ve rg le i c h v e r s c h i e d e n e r S p e i c h e r t e c h n o l o g i e n Speichertechnologien lassen sich nicht einfach auf der Basis ihrer technischen Eigenschaften, wie Speicherkapazität, Lade- und Entladeleistung, Speicherverluste usw. vergleichen. Um das zu belegen, vergleichen wir exemplarisch zwei Speichertechnologien, die für die Langzeitspeicherung geeignet sind: Power-to-Gas und saisonale Wärmespeicherung. Ausgangspunkt ist die sinnvolle Nutzung von Stromspitzen aus Wind und PV. Bei Power-to-Gas wird mit elektrischer Energie durch Elektrolyse Wasserstoff erzeugt und dieser entweder wieder in Strom oder weiter zu Methan umgewandelt. Bei der Wiederverstromung ist eine Effizienz von circa 30 %, bei der Umwandlung in Methan von circa 60 % zu erwarten. Das erzeugte Methan könnte in Fahrzeugen genutzt werden. Natürlich könnte man das Gas auch zur Gebäudeheizung oder Prozesswärmeerzeugung einsetzen. Genutzt in einer Wärmepumpe könnte der überschüssige Strom circa 300 % Wärme erzeugen. Abbildung 4: Mögliche Einsatzbereiche von Energiespeichern für die Energiewende SOLARZEITALTER

5 Diese Wärme könnte bei 90 C in einem saisonalen Wasserspeicher (siehe Abb. 5) für den Winter aufgehoben werden. Über ein Jahr verliert dieser Speicher circa 25 % seines Energieinhalts. Damit hätte man noch 225 % der genutzten Energie für Gebäudeheizung und Warmwasserbereitstellung zur Verfügung. Natürlich kann man mit dieser gespeicherten Energieform nicht wieder effizient Strom erzeugen oder Autofahren. Das Beispiel soll veranschaulichen, dass man zum einen die gesamten Effizienzketten vom Laden des Speicher bis zur endgültigen Nutzung der gespeicherten Energie betrachten muss und dass zum anderen schon bei der Auswahl der Speichertechnologie die letztendliche Nutzung berücksichtigt werden sollte. Ein Wärmespeicher erzielt deutlich höhere Effizienz bei der Langzeitspeicherung, ist aber nicht in der Lage Strom zu speichern oder Gas für die Mobilität bereitzustellen. E n e rg i e s p e i c h e r i m M a r k t Die Wirtschaftlichkeit eines Energiespeichers hängt natürlich von den Investitionskosten des Speichersystems ab. Für die Amortisation dieser Kosten ist die Zahl der Speicherzyklen (pro Zeit) und damit die Menge der bereitgestellten Energie entscheidend. Genauso spielt der Preis der durch die Energie aus dem Speicher ersetzten Energieform (Strom, Kraftstoff, Wärme, etc.) eine wichtige Rolle. Damit ist auch verständlich, dass Speichertechnologien bezüglich ihrer wirtschaftlichen Möglichkeiten nur unter den Randbedingungen einer konkreten Anwendung beurteilt werden können. Zusätzliche wirtschaftliche Vorteile können sich aus der Tatsache ergeben, dass Energiespeicher durchaus mehrere Aufgaben, z.b. Regelenergie und Eigenverbrauch, erledigen können. Tragen Energiespeicher zur Integration Erneuerbarer Energien und zur Steigerung der Energieeffizienz bei, ist die von ihnen bereitgestellte Energie CO 2 -neutral. Steigende Preise der CO 2 -Zertifikate in der Zukunft würden die Wirtschaftlichkeit von Energiespeichern weiter unterstützen. Abbildung 5: Saisonaler Wärmespeicher in München (ZAE Bayern) Schließlich sollte Energiespeichern in Deutschland ein fairer Marktzugang gewährt werden. Das bedeutet nicht, dass Subventionen oder eine Markteinführung notwendig wären. Lediglich eine faire Vergütung, z.b. von bereitgestellter Flexibilisierung würde Speicher schon heute konkurrenzfähig machen. Und künstliche Hürden wie die juristische Einordnung von Energiespeichern als Endverbraucher müssen abgebaut werden. Dadurch werden Speicher beim Laden und beim Entladen doppelt mit Abgaben und Umlagen belastet. Energiespeicher werden eine entscheidende Rolle bei der Umsetzung der Energiewende spielen. Der Vielfalt an Speichertechnologien steht eine Vielzahl unterschiedlichster Speicheranwendungen gegenüber. Dieser Komplexität des Themas Speicher sollte auch in der öffentlichen Diskussion Rechnung getragen werden. Dr. Andreas Hauer, Bayerisches Zentrum für angewandte Energieforschung (ZAE Bayern) und Vorstand Bundesverband Energiespeicher (BVES) 40 SOLARZEITALTER

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