Die wichtigsten Speichertechnologien für die All Electric Society

Im Jahr 2023 hatten die 30 deutschen Pumpspeicherwerke eine Gesamtleistung von knapp 6,5 Gigawatt (GW). Hinzu kommen rund 200.000 Batteriespeicher mit einer Leistung von ca. 4,5 GW. Was nach viel klingt, relativiert sich angesichts der Dimensionen des täglichen Stromverbrauchs. Denn diese Kapazitäten würden gemeinsam ausreichen, um Deutschland lediglich rund eine Stunde mit Strom zu versorgen.

Nach Berechnungen des Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg benötigt Deutschland bis zum Jahr 2030 insgesamt 100 Gigawattstunden (GWh) allein an elektrischer Speicherkapazität. Aber selbst 100 GWh wären noch zu wenig, den deutschen Strombedarf an einem durchschnittlichen Wintertag aus Stromspeichern zu decken. Notwendig wären für zwölf Stunden alleine Speicherkapazitäten in Höhe von ca. 720 GWh, berechnete die Bundesnetzagentur 2021 in ihrem Bericht „Regelungen zu Stromspeichern im deutschen Strommarkt“. Und vom Bedarf an Wärmespeichern, die in der All Electric Society (AES) ebenfalls mit Strom aus erneuerbaren Energien gespeist werden müssten, ist hier noch nicht die Rede.

Energiespeicher sind Technologien, die Strom oder Wärme über elektrische, chemische, elektrochemische, mechanische oder thermische Prozesse aufnehmen und zeitlich verzögert kontrolliert wieder abgeben. Energiespeicher, wie z. B. Pumpspeicherkraftwerke, übernehmen in der Strom- und Wärmewende für die überregionale Versorgung seit langem wichtige Funktionen als netzdienliche Regelenergie. Bei dezentralen Einsatzgebieten und bei der wachsenden Elektromobilität sind Batterien heute aufgrund ihrer modularen, einfach skalierbaren, schnell verfügbaren Strombereitstellung bereits unverzichtbar.

Speichertechnologien übernehmen …

1. netzdienliche Aufgaben: Stabilisierung der Netzfrequenz
2. Funktionen bei der Energiebereitstellung: Zwischenspeicherung
3. Funktionen für Verbraucher*innen: Erhöhung Eigenverbrauchsanteile bei Photovoltaikanlagen, Zwischenspeicher für Elektrofahrzeug-Ladesäulen.

Bei der Integration der Erneuerbaren Energien übernehmen Speichertechnologien in der Zukunft eine bedeutende Funktion, um die Volatilität zwischen Angebot und Nachfrage auszugleichen. Um sie effizient zu steuern, sind digitale Technologien und idealerweise automatisierte Prozesse für die Ein- und Ausspeisung, Verteilung und Speicherung notwendig. Die Grundlagen dafür sind mit dem Smart Grid Architecture Modell (SGAM) und der Verwaltungsschale bereits entwickelt.

DKE Innovation Campus 2023 – Speichertechnologien

Speichertechnologien haben für die Elektrifizierung von Gebäuden, Industrie, Verkehr und Gesellschaft eine große Bedeutung. Und genau deshalb standen die verschiedenen Energiespeichertechnologien im Mittelpunkt der Veranstaltung. #Zuhören, #Mitreden, #Mitgestalten und #Respekt – das Credo nicht für diesen einen Tag. Für die Normung. Für uns als Gesellschaft. Für die Vision der All Electric Society.

Je nach Rolle und Funktionen, kommen Speichertechnologien zum Einsatz, die sich in ihrer Speicherkapazität als auch ihrer Geschwindigkeit für die Ein- und Ausspeicherung unterscheiden lassen.

Einteilung der Speichertypen und deren wichtigsten Speichertechnologien:

1. Elektrische und elektromagnetische Speicher: ​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​Kondensatoren und Spulen, geringe Kapazität aber schnelle Ein- und Ausspeicherung
2. Elektrochemische Speicher: klassische Batterien mit flüssigen oder festen Medien; mittlere Kapazität, langsamere Ein- und Ausspeisung im Vergleich zu Kondensatoren
3. Mechanische Speicher: Pumpspeicherkraftwerke, Druckluftspeicher, Schwungradspeicher; höhere Kapazität, langsamere Ein- und Ausspeicherung
4. Thermische Speicher: Power-to-Heat in thermochemische, latente Wärmespeicher und und thermochemische, sensible Wärmespeicher; hohe Kapazität, mittlere Ein- und Ausspeisegeschwindigkeit
5. Chemische Speicher: Power-to-Gas, Power-to-Liquid, Power-to-Chemicals; hohe Kapazität, langsame Ein- und Ausspeicherung. Liquid und Chemicals gut lager- und transportfähig.

Vor allem die sogenannten Power-to-X-Technologien werden in der Zukunft der All Electric Society dafür sorgen, dass diese als Massespeicher in den Strom- und Wärmemärkten, sowohl bei der überregionalen als auch der dezentralen Versorgung, eine bedeutende Rolle spielen.

Microgrids: Wichtiger Beitrag für mehr Resilienz und Versorgungssicherheit in Energiesystemen

Mit dem Ausbau der Erneuerbaren Energien wächst die Anzahl dezentraler Stromerzeugungsanlagen und an Energiespeichern. Sie können netzdienlich Strom einspeisen oder auch in kleinen Einheiten als Microgrids zusammengefasst werden. Solche Inselnetze können damit unabhängig vom Stromnetz die Energieversorgung in Wohnquartieren, Dörfern oder Stadtbezirken sichern. Als Grundlage beschreiben die Normenreihen IEC 61850 und IEC 62351 Aufbau, Organisation und Kommunikation.

Die Idee der All Electric Society ist, dass alle bisher auf fossilen Energieträgern basierenden Technologien elektrifiziert werden. Den Strom erzeugt die All Electric Society aus erneuerbaren Energien wie Wind-, Sonnen- und Wasserkraft und Biomasse. Für eine sichere Versorgung der Nachfrage aus der stark schwankenden Erzeugung, dem Transport und der Verteilung der Energie kommen künftig immer mehr Umwandlungstechnologien zum Einsatz.

Power-to-X-Technologien wandeln Strom in ein Speichermedium um. Sie ergänzen die bisherigen Speichertechnologien und ermöglichen es, große Energiemengen so zu bevorraten, dass sie auch bei einer Dunkelflaute ausreichend Strom und Wärme bereitstellen können. Sie stünden dann in einem wesentlich größeren Umfang als heute für den Betrieb von Gaskraftwerken und Pumpspeicherwerken zur Verfügung, die schnell Regelenergie für die Netzstabilität bereitstellen. Power-to-X-Lösungen könnten die Erneuerbaren Energien so ertüchtigen, dass sie grundlastfähig werden.

Welche Rolle die Power-to-X-Lösungen in der All Electric Society kurz-, mittel bis langfristig spielen, wie sie funktionieren und wo sie zum Einsatz kommen, zeichnet sich trotz einiger Unwägbarkeiten immer deutlicher ab.

Power-to-Gas I: Wasserstoff

Power-to-Gas ist voraussichtlich die Schlüsseltechnologie der Strom- und Wärmewende. Überall, wo On- und Offshore-Windkraft- sowie Photovoltaikanlagen mehr Strom produzieren, als gerade über die Verteil- oder Übertragungsnetze transportiert werden kann, kann der Strom vor Ort über chemische Reaktionen umgewandelt werden.

Die Technologie dahinter ist die Elektrolyse, die im Jahr 1800 von Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta entdeckt wurde. Über zwei Elektroden wird Gleichstrom durch ein Medium (Elektrolyt) geleitet. Der Stromfluss löst im Elektrolyten eine Reaktion aus. Die so gelösten Stoffe reagieren. Bei der Elektrolyse mit Wasser (H₂O) als Elektrolyt werden die zwei Wasserstoffatome von dem Sauerstoffatom gelöst. Es entsteht auf diese Weise ein Wasserstoffatom (H₂) und ein Sauerstoffatom (O). Wasserstoff hat einen gasförmigen und sehr leicht entzündlichen Zustand und ist nur schwer lagerbar. Erst unter Druck von 700 bar wird Wasserstoff flüssig.

Power-to-Gas II: Erdgas

Im flüssigen Zustand hat Wasserstoff, bezogen auf seine Masse, eine sehr hohe Energiedichte: Ein Kilogramm Wasserstoff hat so viel Energie wie drei Kilogramm Benzin. Allerdings sind Lagerung und Transport bei 700 bar aufwendig, energieintensiv sowie der Umgang gefährlich.

In einem weiteren Schritt kann unter Zugabe von CO₂ (Kohlendioxyd) der Wasserstoff zu Methan (CH₄) reagieren. Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas. Der Energieverlust bei der Umwandlung von Strom in Wasserstoff beträgt 30 Prozent, der als Abwärme genutzt werden kann. Im Wasserstoff verbleiben damit 70 Prozent der Energie des vorherigen Stroms. Durch die Methanisierung stehen etwa weitere zehn Prozent der Energie im Wasserstoff als Abwärme zur Verfügung. Das so gewonnene Erdgas enthält 60 Prozent der ursprünglich eingesetzten Primärenergie.

Es lässt sich über die vorhandene Erdgasinfrastruktur lagern und bis in private Haushalte und Industriebetriebe verteilen. Erdgas, aus erneuerbaren Energien gewonnen, könnte in Gaskraftwerken bei Dunkelflaute Strom produzieren. Das wäre ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Grundlastfähigkeit der Erneuerbaren.

Wasserstoff: Chemischer Winzling mit riesiger Bedeutung für eine erfolgreiche Energiewende

Gerade einmal 0,000000031 mm klein und dennoch mit riesigem Potential – das ist Wasserstoff. Grüner Wasserstoff wird als Energieträger der Zukunft gehandelt, allen voran im Mobilitätssektor. Allerdings ist der Umgang mit Wasserstoff auch nicht ungefährlich. Fachleute engagieren sich daher in der Normung, um die Nutzung von Wasserstoff für unterschiedliche Anwendungsbereiche sicher zu gestalten.

Power-to-Liquid

Power-to-Liquid-Verfahren lassen den Wasserstoff mit Kohlendioxid (CO₂) reagieren, entziehen im Prozess aber wieder ein Kohlenstoffatom. Es entsteht das so genannte Synthesegas. Es handelt sich je nach Verfahren um ein Gasgemisch, das aus Kohlenstoffmonoxid (CO), Wasserstoff und weiteren Gasen besteht. Ein häufig angewandtes Verfahren ist die Fischer-Tropsch-Synthese, die ursprünglich für die Umwandlung von Kohle eingesetzt wurde, um daraus synthetische Kraftstoffe herzustellen.

Aus Synthesegas können in weiteren Verfahrensschritten beispielsweise Kraftstoffe für Otto- und Dieselmotoren sowie Kerosin raffiniert werden. Der Vorteil dieser so genannten E-Fuels ist die gute Transport- und Lagerfähigkeit. Nachteilig sind jedoch die Umwandlungsverluste von rund 50 Prozent. Von einer kWh des eingesetzten Stroms verbleiben 0,5 kWh im Treibstoff. Der wiederum setzt die Energie in einem Ottomotor nur zu 30 bis 35 Prozent in Vortriebsenergie um (Diesel: maximal 50 Prozent). 50 bis 70 Prozent gehen im Fahrzeugbetrieb als nicht weiter verwertbare Abwärme verloren.

Power-to-Chemicals

Wasserstoff kann aber noch mehr. In Verbindung mit Stickstoff wird über das Haber-Bosch-Verfahren Ammoniak erzeugt. Dabei werden die Ausgangsgase durch einen Katalysator bei einem Atmosphärendruck von 150 bis 350 bar und Temperaturen von etwa 400 bis 500 Grad Celsius geführt. Es ist eines der wichtigsten Verfahren der Grundstoffchemie. 60 Prozent der Energie aus dem Wasserstoff bleibt im Ammoniak erhalten. Ammoniak ist unersetzlich für die Düngemittelherstellung und wird aus dem Grund auch „Brot aus der Luft“ bezeichnet, nachdem der Chemiker Justus von Liebig seine Bedeutung für das Pflanzenwachstum nachgewiesen hatte.

Bisher wurde Ammoniak überwiegend aus Erdgas hergestellt. Ammoniak wird bereits bei einem niedrigen Druck ab acht bar flüssig. Mit 3,3 kWh pro Liter hat er in flüssiger Form eine höhere Energiedichte als flüssiger Wasserstoff mit 2,36 kWh pro Liter. Ammoniak kann somit also mehr Energie speichern, ist einfacher zu lagern und lässt sich über die bestehende Infrastruktur transportieren.

Die Rückumwandlung in Strom erfolgt über einen Cracker, der den Ammoniak wieder in Wasserstoff und Stickstoff aufspaltet. In einer Brennstoffzelle wiederum wird der Wasserstoff in Strom gewandelt, wobei lediglich Wasser und Stickstoff emittiert werden. Dabei entstehen aus einer kWh wieder 0,6 kWh Strom und 0,4 kWh weiterverwertbare Abwärme.

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Power-to-Heat I: Wärmepumpen

Die erste Hochzeit hatte Power-to-Heat in den siebziger Jahren. In der Ölkrise bauten viele Privathaushaushalte, aber auch Wohnungsbaugesellschaften, sogenannte Nachtspeicheröfen ein. Sie heizten nachts mit Strom, den es zu einem besonders attraktiven Tarif gab, einen Keramikkörper auf. Tagsüber gab dieser die Wärme geregelt an die Raumluft ab. Der Wirkungsgrad lag bei 1:0,95. Das bedeutet, dass ein Nachtspeicherofen aus einer kWh Strom 0,95 kWh Wärme erzeugte.

Moderne Wärmepumpen schaffen das Vierfache davon. Wärmepumpen nutzen die Umgebungstemperatur, um ein Trägermedium aufzuwärmen und mit einem stromgetriebenen Elektromotor unter Druck zu setzen. Wie bei einer Fahrradpumpe entsteht bei der Kompression des Trägermediums Wärme, die über einen Wärmetauscher an ein Heizsystem übergeben wird. Der Wirkungsgrad liegt bei 1:3 bis 1:4. Das bedeutet, dass aus einer kWh Strom bis zu vier kWh Wärme entstehen.

Power-to-Heat II: Fern- und Nahwärmenetze mit Wärmespeichern

Power-to-Heat, in einem industriellen Maßstab aus erneuerbaren Energien gewonnen, ist die Schlüsseltechnologie für die Wärmewende. Wenn für den Strom aus Sonnen- und Windkraft kein anderer Abnehmer breitsteht, kann in einer großindustriellen Wärmepumpe oder Elektrodenkessel Wärme gewonnen werden. Diese lässt sich in einem Nah- oder Fernwärmenetz verteilen. Wärme ist aber auch sehr gut speicherbar. Zum Einsatz kommen Speichermedien wie Wasser (sensible Wärme in einem Pufferspeicher); größere Speicherkapazitäten erzielen sogenannte Latentspeicher mit chemischen Speichermedien, die Wärme über Monate hinweg speichern können.

Thermochemische Wärmespeicher nutzen die chemische (endotherme und exotherme) Reaktionsfähigkeit beispielsweise von Silikagelen: Das Trägermedium ändert durch Wärmezufuhr (endotherm) seine chemische Zusammensetzung. Bei der regelbaren Rückumwandlung setzt die Reaktion (exotherm) die zugeführte Wärme wieder frei. Thermochemische Wärmespeicher zeigen bei ihrem Wirkungsgrad im Vergleich zu Puffer- und Latentwärmespeichern eine fast verlustfreie Speicherung größerer Wärmemengen über längere Zeiträume. Solche Speicher kommen in kleinerem Maßstab heute bereits saisonal bei solarthermischen Anlagen zum Einsatz.

Projekt WärmewendeNordwest erforscht die praktische Digitalisierung der Wärmewende

Digitalisierung ist erforderlich, um die Energiewende voranzutreiben. Einen großen Anteil daran wird zukünftig auch die Wärmewende haben.

Christine Rosinger, Gesamtprojektleiterin WärmewendeNordwest, spricht mit uns im Interview über die einzelnen Projekte und Forschungsfelder, technische Richtlinien und die Bedeutung des Förderprojekts SiGRun für die Sektorenkopplung und das Gebäudemanagement.

Die Grundlagen für die All Electric Society sind mit den verschiedenen Speichertechnologien und den digitalen Steuerungssystemen gelegt. Mit dem nun einsetzenden und raschen Ausbau der Erneuerbaren Energien wird es einen Wettbewerb geben, in welchem Kontext und für welche Anwendungsfälle die verschiedenen Speichertechnologien sinnvoll zum Einsatz kommen sollten.

Die Frage muss sein: Was kann eine Anwendung mit einer kWh Strom bewirken? In einer aktuellen Wärmepumpe könnten bis zu vier kWh Wärme entstehen. Im Anwendungsfall eines modernen Elektroautos würden 0,64 kWh in Vortrieb umgewandelt. E-Fuels in einem Ottomotor würden hingegen lediglich für 0,15 kWh Vortrieb sorgen.

Bei dem Vergleich der verschiedenen Speichermedien und ihrer Einsatzgebiete muss klar sein: Der Wirkungsgrad und die Energieeffizienz der Technologien sind immer abzuwägen mit dem Nutzwert, den die Energie entfalten soll.

In der alltäglichen und gesellschaftlichen Diskussion ist sie ein ebenso großes Thema wie in der DKE – die Rede ist von der Energie. Unsere Normungsexperten bringen ihr Wissen aber nicht nur ein, um die Energieversorgung und -verteilung zukünftig „smart“ und dezentral zu machen, sondern leisten einen ebenso hohen Beitrag für den Betrieb elektrischer Anlagen und bei der flächendeckenden Verbreitung erneuerbarer Energien. Weitere Inhalte zu diesem Fachgebiet finden Sie im