Definition: Was ist ein Stromspeicher?
Ein Stromspeicher ist ein technisches System, das elektrische Energie aufnimmt, in eine andere Energieform umwandelt und zu einem späteren Zeitpunkt wieder als Strom bereitstellen kann. Da elektrische Energie im Stromnetz grundsätzlich im Moment ihrer Erzeugung verbraucht oder gespeichert werden muss, spielen Speicher eine wichtige Rolle beim Ausgleich zeitlicher Unterschiede zwischen Stromproduktion und Strombedarf.
Stromspeicher können sehr unterschiedliche Größen und Technologien besitzen. Dazu gehören Batteriespeicher in Wohngebäuden, große Batteriesysteme für Stromnetze, Pumpspeicherkraftwerke und Verfahren, bei denen Strom in Wasserstoff oder andere chemische Energieträger umgewandelt wird.
Warum Stromspeicher benötigt werden
Stromverbrauch und Stromerzeugung schwanken ständig. Konventionelle Kraftwerke können ihre Produktion teilweise an den Bedarf anpassen.
Wind- und Solarenergie hängen dagegen vom Wetter und von der Tageszeit ab. Mit zunehmendem Anteil dieser Quellen wächst daher die Bedeutung flexibler Stromsysteme.
Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch
Ein Speicher kann Strom aufnehmen, wenn mehr Energie erzeugt als verbraucht wird.
Steigt der Verbrauch später oder sinkt die Erzeugung, kann der gespeicherte Strom wieder in das Netz eingespeist werden.
Speicherformen
Elektrischer Strom kann nicht in größeren Mengen unmittelbar als solcher gespeichert werden. Die Energie wird daher zunächst in eine andere Form umgewandelt.
Je nach Technologie erfolgt die Speicherung chemisch, mechanisch, thermisch oder in elektrischen beziehungsweise magnetischen Feldern.
Chemische Speicher
Batterien speichern Energie durch reversible chemische Reaktionen.
Auch Wasserstoff ist eine Form chemischer Energiespeicherung, wenn er mithilfe von Strom erzeugt wird.
Batteriespeicher
Batteriespeicher gehören zu den verbreitetsten Stromspeichern für kurze bis mittlere Zeiträume. Sie können sehr schnell auf Veränderungen im Stromnetz reagieren.
Ihre Leistung reicht von kleinen Speichern für einzelne Haushalte bis zu großen Anlagen mit vielen Megawatt Leistung.
Lithium-Ionen-Batterien
Lithium-Ionen-Batterien besitzen eine hohe Energiedichte und einen guten Wirkungsgrad. Sie werden deshalb in Elektrofahrzeugen, Hausspeichern und großen Netzspeichern eingesetzt.
Je nach Zellchemie werden unterschiedliche Mengen Lithium, Nickel, Eisen, Phosphor oder andere Materialien verwendet.
Hausspeicher
Haushalte mit Photovoltaikanlagen können Batteriespeicher einsetzen, um tagsüber erzeugten Solarstrom am Abend oder in der Nacht zu nutzen.
Dadurch lässt sich der Anteil des selbst genutzten Solarstroms erhöhen.
Eigenverbrauch
Ohne Speicher wird überschüssiger Solarstrom häufig in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Abends wird anschließend Strom aus dem Netz bezogen.
Ein Batteriespeicher verschiebt einen Teil der eigenen Stromproduktion zeitlich und kann damit den Netzbezug reduzieren.
Großbatteriespeicher
Große Batteriesysteme werden direkt an Stromnetze oder Erzeugungsanlagen angeschlossen. Sie können innerhalb sehr kurzer Zeit Leistung aufnehmen oder abgeben.
Dadurch eignen sie sich besonders für die Stabilisierung von Stromnetzen und den kurzfristigen Ausgleich von Schwankungen.
Regelenergie
Stromnetze müssen ihre Frequenz sehr genau stabil halten. Schon kleine Unterschiede zwischen Erzeugung und Verbrauch können die Frequenz verändern.
Batteriespeicher können sehr schnell reagieren und deshalb Regelenergie bereitstellen.
Pumpspeicherkraftwerke
Pumpspeicherkraftwerke speichern Energie in Form von Lageenergie des Wassers. Bei Stromüberschuss wird Wasser in ein höher gelegenes Becken gepumpt.
Wird Strom benötigt, fließt das Wasser zurück nach unten und treibt Turbinen an.
Große Speicherkapazität
Pumpspeicherkraftwerke können große Energiemengen speichern und besitzen häufig eine lange technische Lebensdauer.
Geeignete Standorte benötigen jedoch erhebliche Höhenunterschiede und ausreichend große Wasserreservoirs.
Wirkungsgrad
Bei jeder Speicherung entstehen Verluste. Ein Teil der aufgenommenen Energie wird beispielsweise in Wärme umgewandelt und kann nicht vollständig wieder als Strom zurückgewonnen werden.
Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis zwischen abgegebener und zuvor gespeicherter Energie.
Speicherverluste
Ein hoher Wirkungsgrad bedeutet geringe Verluste. Batterien und Pumpspeicher erreichen vergleichsweise hohe Werte.
Bei Speichersystemen mit mehreren Umwandlungsschritten können die Gesamtverluste deutlich größer sein.
Leistung und Kapazität
Bei Stromspeichern müssen Leistung und Speicherkapazität unterschieden werden. Die Leistung beschreibt, wie viel Strom innerhalb eines bestimmten Zeitraums aufgenommen oder abgegeben werden kann.
Die Kapazität beschreibt dagegen die insgesamt speicherbare Energiemenge.
Entladedauer
Aus Leistung und Kapazität ergibt sich vereinfacht, wie lange ein Speicher bei voller Leistung Strom liefern kann.
Ein Speicher kann beispielsweise sehr leistungsstark sein, aber nur für kurze Zeit Energie bereitstellen.
Kurzzeitspeicher
Kurzzeitspeicher gleichen Schwankungen über Sekunden, Minuten oder wenige Stunden aus. Batterien eignen sich besonders für diesen Bereich.
Sie können Netzfrequenz stabilisieren, kurzfristige Solarspitzen aufnehmen und Lastspitzen reduzieren.
Tagesverschiebung
Eine typische Anwendung ist die Verschiebung von Solarstrom vom Mittag in die Abendstunden.
Solche Speicher benötigen keine saisonale Kapazität, sondern werden häufig täglich geladen und entladen.
Langzeitspeicher
Langzeitspeicher sollen Energie über Tage, Wochen oder möglicherweise noch längere Zeiträume speichern.
Sie werden besonders für längere Perioden mit geringer Wind- und Solarstromerzeugung diskutiert.
Saisonale Speicherung
Eine saisonale Speicherung müsste beispielsweise überschüssige Energie aus Zeiten hoher erneuerbarer Erzeugung bis in Monate mit geringerer Produktion übertragen.
Batterien sind dafür aufgrund der benötigten sehr großen Energiemengen häufig weniger geeignet.
Wasserstoff als Stromspeicher
Überschüssiger Strom kann mithilfe von Elektrolyse genutzt werden, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen.
Der Wasserstoff lässt sich speichern und später in Brennstoffzellen oder Kraftwerken wieder zur Stromerzeugung verwenden.
Power-to-Gas
Die Umwandlung elektrischer Energie in gasförmige Energieträger wird häufig als Power-to-Gas bezeichnet.
Wasserstoff kann unter bestimmten Bedingungen über längere Zeiträume und in großen Mengen gespeichert werden.
Umwandlungsverluste bei Wasserstoff
Die Herstellung, Speicherung und spätere Rückverstromung von Wasserstoff umfasst mehrere Umwandlungsschritte.
Jeder Schritt verursacht Energieverluste, sodass deutlich weniger Strom zurückgewonnen wird, als ursprünglich für die Elektrolyse eingesetzt wurde.
Direkte Nutzung
Wenn Strom unmittelbar genutzt werden kann, ist dies energetisch meist effizienter als die Umwandlung in Wasserstoff und spätere Rückverstromung.
Wasserstoff kann dennoch dort sinnvoll sein, wo besonders große oder langfristige Energiespeicherung benötigt wird.
Power-to-X
Strom kann auch zur Herstellung anderer chemischer Energieträger oder Grundstoffe genutzt werden. Solche Verfahren werden unter dem Begriff Power-to-X zusammengefasst.
Dazu gehören beispielsweise synthetische Kraftstoffe oder chemische Ausgangsstoffe.
Sektorenkopplung
Stromspeicherung kann dadurch mit Industrie, Verkehr und Wärmeversorgung verbunden werden.
Nicht jede gespeicherte Energie muss später wieder als Strom genutzt werden.
Elektrofahrzeuge als Speicher
Elektrofahrzeuge besitzen große Batteriespeicher, die während eines erheblichen Teils des Tages nicht für das Fahren benötigt werden.
Mit geeigneter Ladeinfrastruktur können Ladezeiten an die Stromverfügbarkeit angepasst werden.
Bidirektionales Laden
Beim bidirektionalen Laden kann ein Fahrzeug nicht nur Strom aufnehmen, sondern auch wieder an ein Gebäude oder das öffentliche Netz abgeben.
Dadurch könnten viele Fahrzeugbatterien gemeinsam zusätzliche Flexibilität bereitstellen.
Speicher und Stromnetze
Stromspeicher können Netze entlasten, indem sie lokale Erzeugungsspitzen aufnehmen und Strom später wieder abgeben.
Dadurch lassen sich bestimmte Belastungsspitzen reduzieren.
Netzausbau bleibt notwendig
Speicher ersetzen den Stromnetzausbau jedoch nicht vollständig. Strom muss weiterhin zwischen Regionen mit hoher Erzeugung und Regionen mit hohem Verbrauch transportiert werden.
Netze und Speicher erfüllen unterschiedliche, aber teilweise ergänzende Aufgaben.
Peak Shaving
Peak Shaving bezeichnet die Verringerung kurzfristiger Leistungsspitzen. Ein Speicher gibt dabei Strom ab, wenn der Verbrauch besonders hoch ist.
In Zeiten niedriger Belastung kann er wieder geladen werden.
Industrie und Gewerbe
Unternehmen können Batteriespeicher einsetzen, um hohe Leistungsspitzen zu vermeiden.
Dadurch können sowohl Netze entlastet als auch bestimmte leistungsabhängige Stromkosten reduziert werden.
Stromspeicher und erneuerbare Energien
Wind- und Solarenergie erzeugen Strom wetterabhängig. Speicher können einen Teil der zeitlichen Unterschiede zwischen Erzeugung und Bedarf überbrücken.
Je höher der Anteil erneuerbarer Energien wird, desto wichtiger wird eine Kombination verschiedener Flexibilitätsoptionen.
Dunkelflauten
Als Dunkelflaute werden längere Perioden mit gleichzeitig geringer Solar- und Windstromproduktion bezeichnet.
Für solche Zeiträume sind sehr große Speicher, flexible Erzeugung, Stromimporte oder andere Absicherungen erforderlich.
Rohstoffe für Batteriespeicher
Batteriespeicher benötigen je nach Zellchemie verschiedene Rohstoffe. Dazu können Lithium, Nickel, Kobalt, Graphit, Eisen, Phosphor, Kupfer und Aluminium gehören.
Mit wachsendem Speicherausbau steigt deshalb auch die Bedeutung nachhaltiger Rohstoffgewinnung.
Alternative Batterietechnologien
Unterschiedliche Batterietypen verwenden verschiedene Materialkombinationen. Forschung und Industrie entwickeln Systeme mit geringerem Bedarf an besonders kritischen Rohstoffen.
Auch Natrium-Ionen-Batterien und andere Technologien können für bestimmte Anwendungen Bedeutung gewinnen.
Lebensdauer von Batterien
Batterien verlieren mit zunehmendem Alter und steigender Zahl von Ladezyklen schrittweise an nutzbarer Kapazität.
Die Lebensdauer hängt von Zellchemie, Temperatur, Ladezuständen und Betriebsweise ab.
Lademanagement
Geeignete Batteriemanagementsysteme können extreme Ladezustände und zu hohe Temperaturen vermeiden.
Dadurch lässt sich die Alterung verlangsamen und die technische Lebensdauer verlängern.
Second Life
Batterien aus Elektrofahrzeugen können unter Umständen nach Ende ihrer Fahrzeugnutzung noch ausreichend Kapazität für stationäre Anwendungen besitzen.
Eine solche Weiternutzung wird als Second Life bezeichnet.
Weiternutzung vor Recycling
Eine zusätzliche Nutzungsphase kann den vorhandenen Speicher länger verwenden, bevor die Materialien recycelt werden.
Ob dies sinnvoll ist, hängt von Zustand, Sicherheit und Aufwand der Wiederaufbereitung ab.
Recycling von Batteriespeichern
Am Ende der Lebensdauer können Batterien technisch zerlegt und enthaltene Rohstoffe zurückgewonnen werden.
Besonders Metalle wie Nickel, Kobalt und Kupfer besitzen einen hohen Recyclingwert.
Kreislaufwirtschaft
Mit zunehmender Zahl installierter Speicher werden größere Mengen gebrauchter Batterien verfügbar.
Hochwertiges Recycling kann langfristig einen wachsenden Anteil des Rohstoffbedarfs aus Sekundärmaterial decken.
Umweltwirkungen
Stromspeicher verursachen Umweltwirkungen durch Rohstoffgewinnung, Herstellung, Betrieb und Entsorgung.
Diese Belastungen müssen dem Nutzen gegenübergestellt werden, den Speicher durch bessere Integration erneuerbarer Energien und effizientere Netznutzung ermöglichen.
Lebenszyklusbetrachtung
Ein Speicher ist ökologisch besonders sinnvoll, wenn er häufig genutzt wird und dadurch emissionsintensive Stromerzeugung oder andere aufwendige Systemmaßnahmen reduziert.
Überdimensionierte oder kaum genutzte Speicher können dagegen eine ungünstigere Umweltbilanz besitzen.
Brandschutz
Bestimmte Batterietechnologien können bei technischen Defekten oder Beschädigungen erhebliche Wärme entwickeln.
Stationäre Batteriespeicher benötigen deshalb geeignete Sicherheits- und Überwachungssysteme.
Thermisches Durchgehen
Bei Lithium-Ionen-Zellen kann ein sogenanntes thermisches Durchgehen auftreten, wenn sich die Zelle unkontrolliert stark erhitzt.
Batteriemanagement, geeignete Zellchemie und Brandschutzkonzepte sollen dieses Risiko reduzieren.
Stromspeicher und Klimaschutz
Speicher erzeugen selbst keine neue Energie. Ihr Klimanutzen entsteht dadurch, dass Strom zeitlich verschoben und erneuerbare Erzeugung besser genutzt werden kann.
Dadurch können fossile Spitzenlastkraftwerke oder die Abregelung erneuerbarer Anlagen teilweise reduziert werden.
Abregelung vermeiden
Wenn Stromnetze oder Verbraucher zeitweise nicht genug erneuerbaren Strom aufnehmen können, müssen Anlagen ihre Leistung reduzieren.
Speicher können einen Teil solcher Überschüsse aufnehmen und später bereitstellen.
Wirtschaftliche Bedeutung
Mit wachsendem Anteil schwankender Stromerzeugung gewinnen Speicher auch wirtschaftlich an Bedeutung.
Sie können Preisunterschiede zwischen Zeiten hoher und niedriger Stromverfügbarkeit nutzen und Netzdienstleistungen anbieten.
Strompreise
In Zeiten hoher erneuerbarer Erzeugung können Großhandelspreise niedrig sein. Bei knappem Angebot steigen sie häufig.
Speicher können Strom in günstigen Zeiten aufnehmen und zu späteren Zeitpunkten wieder abgeben.
Stromspeicher in der Energiewende
Stromspeicher sind ein wichtiger Baustein eines flexiblen Energiesystems. Sie ergänzen erneuerbare Energien, Stromnetze, flexible Verbraucher und steuerbare Erzeugung.
Welche Speichertechnologie geeignet ist, hängt stark davon ab, wie schnell, wie lange und in welcher Menge Energie gespeichert werden soll.
Technologiemix
Ein zukünftiges Energiesystem wird voraussichtlich unterschiedliche Speichertechnologien kombinieren. Batterien eignen sich für schnelle und häufige Ladezyklen, während andere Verfahren größere Energiemengen über längere Zeiträume speichern können.
Eine systemische Planung entscheidet darüber, welche Kombination technisch und ökologisch sinnvoll ist.
Zusammenfassung
Stromspeicher nehmen elektrische Energie auf, wandeln sie in eine speicherbare Energieform um und stellen sie später wieder bereit. Zu den wichtigsten Technologien gehören Batteriespeicher, Pumpspeicherkraftwerke und chemische Speicher wie Wasserstoff.
Speicher helfen, Schwankungen von Wind- und Solarenergie auszugleichen, Stromnetze zu stabilisieren und überschüssige erneuerbare Energie zeitlich zu verschieben. Gleichzeitig benötigen sie Rohstoffe und verursachen Umwandlungsverluste. Ein effizienter Speichermix ist daher gemeinsam mit Netzausbau, flexibler Nachfrage und erneuerbarer Stromerzeugung ein wichtiger Bestandteil der Energiewende.
