Schaeffler verwendet Cookies, um Ihnen eine optimale Nutzung zu gewährleisten. Durch die weitere Nutzung dieser Website stimmen Sie der Verwendung von Cookies zu. Weitere Informationen

Wohin mit der
Energie

Von den Bergen hinab in die Tiefe, unter Wasser, unter Druck oder in die Pipeline: Wie und wo werden wir künftig regenerativ erzeugte Elektrizität speichern? Von Supercaps, Kugelspeichern und Power-to-Gas.

von Kay Dohnke  April 2017

Stromgewinnung aus Sonnenlicht oder Wind, Biomasse oder Erdwärme – das ist längst Alltag und wird immer wirtschaftlicher. Doch die Energiewende braucht noch ein zweites Element: Speicherkapazitäten, um Sonnenstrom auch nachts, Windstrom auch bei Flaute vorrätig halten zu können und Elektrizität auch unterwegs dabeizuhaben.

 

Der Weg zum Großen musste hier offenbar über das Kleine gehen. Beim Stichwort Batterie denken wir zuerst an Knopfzellen und Handy-Akkus. Tatsächlich hat der Bedarf an immer leistungsfähigeren Stromspeichern für tragbare Unterhaltungs- und Kommunikationstechnik die Entwicklung effizienter Akkus maßgeblich vorangetrieben. Doch längst wird an neuen Batteriekonzepten mit größerem Speichervolumen, geringerem Eigengewicht und kürzeren Ladezeiten gearbeitet. Zwar arbeiten alle chemischen Energiespeicher nach dem Grundprinzip der galvanischen Zelle, Forscher und Erfinder testen aber immer neue Materialien für Anode, Kathode und Elektrolyt. Neben der bewährten Lithium-Ionen-Batterie liegt der Fokus auch auf Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Batterien.

 

Suche nach der Superbatterie

 

Tests laufen auch mit Großspeichern auf Lithium-Ionen-Basis, etwa in Neuhardenberg. Dort läuft eine modulare Anlage, die fünf Megawattstunden Strom speichern kann. Bei Bedarf ließen sich solche Module in größerer Zahl überall dort zusammenstellen, wo Strom vorrätig gehalten werden muss und Geschwindigkeit keine Rolle spielt. Kommt es aber auf blitzschnelles Laden an, richten sich große Erwartungen auf sogenannte Supercaps – Hochleistungskondensatoren, die sich binnen Sekunden aufladen lassen und herkömmlichen Batte­rien vielfach überlegen sind. Noch allerdings sind diese Techniken für den Praxiseinsatz zu kompliziert und zu teuer.

Unter-tage-/Über-tage-Pumpspeicherwerk Prosper-Haniel in Zahlen

Windenergie

Biogasanlage

Solarenergie

Umspannwerk

Speicherbecken

Wärmetauscher

Luft-/Wärmeverwertung

Transformator

Förderpumpe

Turbine

Aus alten Kohleschächten kommt grüner Strom: Durch die Idee eines Unterflurpumpspeicherwerks erhält das stillgelegte Steinkohlebergwerk Prosper-Haniel eine neue Chance

50 Meter Halde

1.000 Meter Tiefe

600 m

360 MW

ca. 900 GWh

Fallhöhe des Wassers

Leistungspotenzial

Gigawattstunden Gesamtleistung im Jahr

Steigrohr

Zulaufstollen

Steigrohr

Steigrohr

Auch wenn alle chemischen Energiespeicher nach dem Grundprinzip der galvanischen Zelle arbeiten, wird es mittelfristig für jeden Bedarf das passende Batteriesystem geben. Batterien vom Redox-Flow-Typ sind für die einfache Anwendung zu kompliziert und zu teuer, bieten aber einen Wirkungsgrad von bis zu 80 Prozent und können auch große Mengen Energie speichern. Auch sie sind aber noch nicht praxisreif.

 

Die Suche nach der optimalen Batterie-Speichertechnologie ähnelt der Suche nach der eierlegenden Wollmilchsau: Die Batterie soll leicht sein, viel Strom speichern können und sehr viele schnelle Ladezyklen zulassen. Sie soll sicher sein, umweltfreundlich und billig. Nahezu im Monatsrhythmus werden zwar bahnbrechende Neuerungen vermeldet, bis sich das beste System in der Praxis durchsetzt, ist es aber noch ein langer Weg. Vielleicht kommt ein entscheidender Impuls wieder von John Goodenough: Der Mitentwickler des Lithium-Ionen-Akkus kündigt einen neuartigen Feststoff-Akku an, der mit Glas-Elektrolyten und mit Natrium anstelle von Lithium arbeitet. Minutenschnelles Laden, dreifache Speicherkapazität, höhere Sicherheit und weniger Umweltbelastung wären große Schritte auf dem Weg zur fieberhaft gesuchten Superbatterie …

 

Querdenken ist angesagt

 

Die Zeit der erneuerbaren Energien ist die Zeit der Erfinder. Und sie geben manchmal überraschende Antworten auf die Frage „Wohin mit dem Strom?“. Neben der chemischen wird auch an neuen Systemen der mechanischen Speicherung gearbeitet. Und hier führen visionäre Ingenieure teils spektakuläre Konzepte vor.

 

Beispiel Pumpspeicherkraftwerk: Es besteht zumeist aus zwei riesigen Wasserbecken, eines im Tal, das andere auf einem Berg. Liegt Sonnen- oder Windstrom im Überfluss an, befördern elektrische Pumpen Wasser hinauf ins obere Becken. Nachts oder bei Flaute kann man das Wasser dann durch Turbinen wieder ins Talbecken strömen lassen und dabei Energie rückgewinnen. Der Strom wird also – bildlich gesprochen – im oberen Becken zwischengelagert.

 

Da Pumpspeicherkraftwerke einen immensen Eingriff in die Landschaft mit sich bringen, stehen sie massiv in der Kritik. Einen Ausweg böte das Konzept, stillgelegte Steinkohlebergwerke als Unterflur-Pumpspeicherkraftwerk zu nutzen. Für die Zeche Prosper-Haniel in Bottrop skizziert eine Machbarkeitsstudie ein oberirdisches und ein in 600 Meter Tiefe befindliches Wasserbecken. Soll Energie gespeichert werden, würde aus einem tief liegenden Speicherbecken Wasser hinauf in das Über-Tage-Becken gepumpt und bei Stromknappheit über Turbinen in den Schächten wieder in die Tiefe gelassen.

 

Ein äußerlich völlig anderes Konzept geht zwar auch von der Energiespeicherung unter Nutzung unterschiedlicher Höhenniveaus aus. Die US-Firma ARES will allerdings schwer beladene Güterzüge einsetzen. Aus ihrer Parkposition schieben die Elektroloks ihre Last bei Stromüberschuss einen Berghang hinauf. Wird Strom benötigt, rollen die Züge wieder zu Tal, und die Lokomotiven rekuperieren wie ein Dynamo den Strom und speisen ihn zurück ins Netz. Probeläufe finden derzeit in Nevada statt.

So kann man Energie vorrätig halten

Elektrizität lässt sich nur in geringen Mengen direkt in Spulen und Kondensatoren speichern. Größere Speichermengen und längere Speicherzeiträume sind durch indirekte Speicherverfahren möglich, bei denen eine Umwandlung in eine andere Energieart nötig ist. Drei Technologien finden praktische Anwendung:

 

  • Elektrochemische Speicherung nach dem Prinzip der galvanischen Zelle in Batterien und Akkus sowie durch Elektrolyse
  • Mechanische Speicherung in Gasdruck-, Pump- und Massenspeichern bzw. Schwungrädern
  • Thermische Speicherung in Wasser, Salz, ­Beton, Gestein, Eis bzw. speicheroptimierten Substanzen

 

Maßgeblich für die Nutzung einer Speicherungsart sind Wirkungsgrad, Speicherkapazität, Dauer des Speicherungs- bzw. Abrufvorgangs, Wiederholfrequenz des Speichervorgangs, bei mobilem Einsatz das Gewicht des Speichers, relative und absolute Kosten im Verhältnis zum Energieerzeugungs- und -handelspreis.

ARES’ Fähigkeit zum Querdenken wird vom Kasseler Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik sogar noch in den Schatten gestellt. Für ihr Projekt „Stored Energy in the Sea“ verlagerte man das Pumpspeicher-Konzept vollständig unter Wasser und arbeitete zusätzlich mit Luft als Medium: Vor Überlingen wurde testweise ein 20 Tonnen schwerer Kugelspeicher aus Beton im Bodensee versenkt und mit Wasser gefüllt. Bei Stromüberfluss wurde Luft unter Energieaufwand in die Kugel hineingepumpt. Bei Strombedarf ließ man das Seewasser über eine Turbine zurück in die Kugel strömen und erzeugte dabei wieder Strom. In der Praxis könnten Kugeln mit 30 Meter Durchmesser in 700 Meter Tiefe aufgrund des hohen Wasserdrucks bis zu 20 Megawattstunden Strom speichern.

Idee und Umsetzung: Der Bodensee bekommt Zuwachs in Form von 20 Tonnen schweren Betonkugeln

» Je konkreter ein Konzept auf die jeweiligen Gegebenheiten und den Bedarf zugeschnitten ist, desto effizienter und wirtschaftlicher kann es sein

Bei einem ähnlichen Versuchskonzept arbeitet die kanadische Firma Hydrostor vor Toronto im Lake Ontario nur mit Luft. Mit dieser pumpen die Techniker bei Stromüberschuss unterseeische Ballons auf. Herrscht Strommangel, presst der immense Wasserdruck die Luft über Turbinen wieder aus den Ballons heraus. Je tiefer die Ballons platziert werden, desto höher ist der Wasserdruck und umso größer sind die benötigten und rückgewonnenen Energiemengen – billiger als Betonkugeln dürften die Ballons allemal sein.

 

Je passgenauer, desto effizienter

 

Beton ist auch die Schlüsselsubstanz für eine andere Form der Stromspeicherung, die die US-Firma Gravity Power entwickelt hat. Ihr Druckkolbenspeicher soll einmal gigantische Dimensionen haben und viel Energie sehr lange vorrätig halten können. Das Prinzip: In einen bis zu 1.000 Meter tiefen, kreisrunden Stollen mit bis zu 100 Meter Durchmesser wird ein riesiger, neun Millionen Tonnen schwerer Betonpfropfen eingepasst, der wie beim Kolben eines Motors zu den Schachtwänden hermetisch abschließt. Will man Energie speichern, wird Wasser unter den Kolben gepumpt, der sich langsam hebt. Bei Strombedarf drückt der Betonkoloss aufgrund der Schwerkraft das Wasser gezielt durch Turbinen und erzeugt wieder Strom. Mit diesem System sollen bis zu 1.600 Megawatt Strom über längere Zeit gespeichert und geregelt wieder ins Netz rückgespeist werden – wenn denn das Problem gelöst ist, Stollenwände und Außenfläche des Pfropfens gegen den immensen Wasserdruck abzudichten. Eine Testanlage ist im bayerischen Weilheim im Bau.

Wirkungsgrad von Energiespeichern

Bei allen Speichertechnologien treten unterschiedlich große Energieverluste auf. Vor allem bei der Umwandlung von Elektrizität in speicherfähige Energieformen bedarf es aufwendiger technischer Vorgänge (Turbine, Kompressor, Motor, Elektrolyseur). Der Wirkungsgrad ist der Anteil an Energie, die nach Rückwandlung wieder als Elektrizität zur Verfügung steht.

 

 

Wirkungsgrade unterschiedlicher Speichersysteme

85–90 %

Pumpspeicherkraftwerk

85 %

Kugeldruckspeicher (Fraunhofer)

80 %

Elektrolyse (Power-to-Gas Wasserstofferzeugung)

80 %

Druckkolbenspeicher (Gravity Power)

80 %

Stromspeicherung mittels Elektroloks (ARES)

60–70 %

Druckluftspeicher mit Wärmenutzung

40 %

Druckluftspeicher

Ein weiterer Schlüssel auf dem Weg zur Energiespeicherung ist der Gedanke, Elektrizität grundlegend umzuwandeln. Nach diesem Prinzip arbeiten Power-to-Gas-Anlagen, die überschüssigen Strom mittels Elektrolyse in Wasserstoff verwandeln. Den kann man lagern, in Erdgaspipelines pumpen und sowohl in Brennstoffzellen für Fahrzeugantriebe nutzen als auch wieder rückverstromen. Mehrere Testanlagen – unter anderem in Stuttgart, Prenzlau und Werlte – funktionieren bereits unter Praxisbedingungen.

 

Viele aktuelle Konzepte belegen: Der Fantasie der Entwickler sind auch im Rahmen gängiger Konzepte und physikalischer Gesetze kaum Grenzen gesetzt. Mal wird Energie in Form von Wärme in Salz oder Beton gespeichert, mal wird Druckluft oder heißer Dampf in große Behälter gepumpt, um damit bei Strombedarf Turbinen anzutreiben, und sogar in Eis lässt sich Energie speichern.

 

Bei aller Experimentierfreude und angesichts faszinierender Lösungen wird eine Erkenntnis deutlich: Es geht gar nicht um die allumfassende Systemlösung für alle Speichernotwendigkeiten. Je konkreter ein Konzept auf die jeweiligen Gegebenheiten und den Bedarf zugeschnitten ist, desto effizienter und wirtschaftlicher kann es sein.

Der Autor

So viel Strom aus der Luft – und die Windräder werden immer mehr! Der freie Hamburger Journalist Kay Dohnke – auf Nachhaltigkeitsthemen spezialisiert – ist schon lange vom Erfindergeist beeindruckt, der die Energiewende erst möglich gemacht hat. Und ist sich sicher, dass auch die Speicherfrage klug gelöst werden wird.

Fotos Macrovector/Freepik, Universität Duisburg-Essen, Fraunhofer-Institut, Hochtief (2)

Mehr Technologie erleben mit Schaeffler. Klicken Sie hier …

Unfassbare Kräfte

Alles Anders

Feuer und Dampf

Das Universum ist voller Energiequellen – aber nicht alle lassen sich anzapfen

Eine lange Zeitreise durch die Geschichte der Energie und ihrer Quellen

Reisen werden im Internet gebucht, Musik gestreamt und Taxis per App bestellt – die Digitalisierung hat viele Branchen umgekrempelt

Die Online-Version des Technologiemagazins von Schaeffler

  1. Windenergie
  2. Halde
  3. Biogasanlage
  4. Speicherbecken
  5. Solarenergie
  6. Wärmetauscher
  7. Umspannwerk
  8. Förderpumpe
  9. Turbine
  10. Steigrohr
  11. Zulaufstollen
  12. Luft-/Wärmeverwertung

So kann man Energie vorrätig halten

  •  

    Elektrizität lässt sich nur in geringen Mengen direkt in Spulen und Kondensatoren speichern. Größere Speichermengen und längere Speicherzeiträume sind durch indirekte Speicherverfahren möglich, bei denen eine Umwandlung in eine andere Energieart nötig ist. Drei Technologien finden praktische Anwendung:

     

    • Elektrochemische Speicherung nach dem Prinzip der galvanischen Zelle in Batterien und Akkus sowie durch Elektrolyse
    • Mechanische Speicherung in Gasdruck-, Pump- und Massenspeichern bzw. Schwungrädern
    • Thermische Speicherung in Wasser, Salz, ­Beton, Gestein, Eis bzw. speicheroptimierten Substanzen

     

    Maßgeblich für die Nutzung einer Speicherungsart sind Wirkungsgrad, Speicherkapazität, Dauer des Speicherungs- bzw. Abrufvorgangs, Wiederholfrequenz des Speichervorgangs, bei mobilem Einsatz das Gewicht des Speichers, relative und absolute Kosten im Verhältnis zum Energieerzeugungs- und -handelspreis.

Wirkungsgrad von Energiespeichern

  •  

    Bei allen Speichertechnologien treten unterschiedlich große Energieverluste auf. Vor allem bei der Umwandlung von Elektrizität in speicherfähige Energieformen bedarf es aufwendiger technischer Vorgänge (Turbine, Kompressor, Motor, Elektrolyseur). Der Wirkungsgrad ist der Anteil an Energie, die nach Rückwandlung wieder als Elektrizität zur Verfügung steht.

    Wirkungsgrade unterschiedlicher Speichersysteme

    Pumpspeicherkraftwerk

    85–90 %

    Kugeldruckspeicher (Fraunhofer)

    85 %

    Elektrolyse (Power-to-Gas Wasserstofferzeugung)

    80 %

    Druckkolbenspeicher (Gravity Power)

    80 %

    Stromspeicherung mittels Elektroloks (ARES)

    80 %

    Druckluftspeicher mit Wärmenutzung

    60–70 %

    Druckluftspeicher

    40 %

Die Online-Version des Technologiemagazins von Schaeffler