Die Rolle von Energiespeichern in einer All Electric Society

Eine stabile Energieversorgung auf Basis von Sonne, Wind und Wasser lässt sich nur dann sicherstellen, wenn die Volatilität der erneuerbaren Quellen durch hinreichend dimensionierte und zuverlässige Speicher ausgeglichen werden kann (Abb. 2). Es existiert eine Vielzahl von Technologien, um elektrische Energie temporär zu speichern und zeit- sowie teilweise auch ortsversetzt wieder zur Verfügung zu stellen. Grundsätzlich lassen sich diese Speichertechnologien zunächst nach ihrem physikalischen Grundprinzip unterscheiden:

• Bei mechanischen Speichern wird die elektrische Energie in mechanische umgewandelt und umgekehrt. Das kann potenzielle bzw. Lageenergie sein oder kinetische bzw. Bewegungsenergie. 
• Bei rein elektrischen Speichern werden elektrische Ladungen in Kondensatoren oder sog. Super-Caps eingelagert oder elektrische Ströme in große Spulen bzw. Induktivitäten eingeprägt. 
• Elektrochemische Speicher nutzen die Differenzen der elektrochemischen Potenziale verschiedener Materialien in Kombination mit geeigneten Elektrolyten und Separatoren, um elektrische Energie in Batterien zu speichern. 
• Von rein chemischer Speicherung spricht man, wenn mit Hilfe der elektrischen Energie chemische Reaktionen angetrieben werden, als deren Produkt energiereiche Flüssigkeiten oder Gase entstehen. In der zugehörigen Umkehrreaktion wird die elektrische Energie dann wieder freigesetzt. 
• Eine weitere Speichertechnologie ist die thermische Speicherung. Hierbei wird die elektrische Energie zum Erzeugen von Wärme in geeigneten Speichermedien verwendet. In dem Umkehrprozess wird die Wärme zum Antreiben von elektrischen Generatoren eingesetzt.

Energiespeicher-Technologien

Beispiele kommerziell genutzter mechanischer Energiespeicher auf Basis von Lageenergie sind Pumpspeicherkraftwerke und Gravitationsspeicher. Weitere zu den mechanischen Energiespeichern gehörende Technologien sind Druckluft- und Schwungradspeicher. Erstere folgen dem physikalischen Prinzip des Federspeichers, letztere dem des Rotationsspeichers.

Mechanische Energiespeicher haben den Nachteil einer geringen Energiedichte pro Volumen und pro Gewichtseinheit. Die Investitionskosten sind relativ hoch, während die Betriebskosten i. A. gering sind. Sie werden häufig als Kurzzeitspeicher eingesetzt.

Die prominentesten rein elektrischen Energiespeicher sind Kondensatoren. Sie lassen sich zu großen Bänken zusammenfassen und können somit Energieinhalte bis in den Megawattstunden-Maßstab abbilden. Der größte Vorteil von Kondensatoren oder Super-Caps ist, dass sie sehr hohe Energiemengen in kürzester Zeit aufnehmen und wieder abgeben können. Darüber hinaus weisen sie eine sehr hohe Zyklenfestigkeit auf. Gegen den großtechnischen Einsatz dieser Speichertechnologie spricht der hohe Preis sowie eine geringe Energiedichte.

Induktionsspeicher als zweite Klasse der rein elektrischen Energiespeicher basieren auf tiefgekühlten ultraleitfähigen Spulen, die ebenfalls hohe Lade- und Entladeleistungen ermöglichen. Die Energiedichte ist bei dieser Technologie jedoch sehr gering und die Betriebskosten wegen des Kühlbedarfs hoch. Induktionsspeicher werden somit nur in Spezialanwendungen eingesetzt, bei denen es auf extreme Leistungsspitzen ankommt. 
Klassische elektrochemische Energiespeicher sind Batterien. Es existiert eine Vielzahl von Batterietypen, die maßgeblich durch die verwendeten Elektrodenmaterialien charakterisiert werden. Als Beispiele seien genannt die Blei-Säure-Batterie, die Nickel-Cadmium- und die Nickel-Metallhydrid-Batterie, die Natrium-Nickelchlorid- oder auch ZEBRA-Batterie sowie die Lithium- und die Natrium-Ionen-Batterien (Abb. 3).

In der jüngeren Vergangenheit hat sich die Lithium-Ionen-Batterie in weiten Bereichen der Batterieanwendungen durchgesetzt. Sowohl in der Elektromobilität als auch in stationären Anwendungen hat sie mit über 90 % den höchsten Marktanteil. Grund ist eine hohe Energiedichte pro Volumen und Gewichtseinheit sowie eine hohe Zyklenfestigkeit. 

Für stationäre Anwendungen behaupten sich neben den dominanten Lithium-Ionen-Batterien nach wie vor die sog. Redox-Flow-Batterien, maßgeblich aufgrund ihrer geringeren Investitionskosten. Bei diesem Batterietyp ist der Elektrolyt von den Elektroden separiert und wird in Tanks gelagert. Im Betrieb wird den Elektroden diese Flüssigkeit mittels Pumpen zugeführt. Auf diese Weise lässt sich die Kapazität der Batterie einfach erhöhen, indem die Tankvolumina vergrößert werden. Die Leistung der Batterie hingegen wird angehoben, indem die Elektrodenfläche vergrößert wird.

Redox-Flow-Batterien haben eine deutlich geringere Energiedichte im Vergleich zu Lithium- oder Natrium-Ionen-Batterien und weisen wegen der Betriebsweise merkliche Betriebskosten und Effizienzverluste auf.

Die am weitesten verbreiteten rein chemischen Energiespeicher sind die Wasserstoff-basierten Technologien. Hierbei wird elektrische Energie eingesetzt, um Wasserstoff aus einer chemischen Bindung herauszulösen. Sofern hierbei erneuerbare Energien eingesetzt werden und kein Kohlendioxid freigesetzt wird, spricht man von grünem Wasserstoff. Dieser kann entweder direkt als Energieträger verwendet oder weiterverarbeitet werden. In chemischen Reaktionen in Kombination mit Kohlendioxid oder Stickstoff lassen sich energiereiche Gase oder Flüssigkeiten herstellen, wie beispielsweise Methan, Methanol, Kerosin und Ammoniak. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Power-to-X, wobei das X für Gas oder Liquid steht, sofern grüner Wasserstoff die Ausgangschemikalie ist.

Die auf diesem Weg hergestellten Brennstoffe lassen sich ähnlich wie ihre fossilen Pendants speichern, transportieren und verwenden.