Speicherung von Strom: Wohin mit überschüssiger Energie?

Ohne Strom läuft nichts – doch konventionelle Kohle- oder Kernkraftwerke laufen nicht immer synchron mit dem Stromverbrauch. Und was passiert, wenn der Wind gar nicht weht oder Solaranlagen im Sommer zu viel Energie produzieren? Hier kommt die Stromspeicherung ins Spiel. Sie sorgt dafür, dass Energie genau dann verfügbar ist, wenn sie gebraucht wird. Erfahre hier, wie unterschiedliche Speichertechnologien funktionieren, welche Vor- und Nachteile sie haben und warum sie für die Energiewende unverzichtbar sind. 

Speicherung von Energie: Darum ist sie unverzichtbar

Energiewende durch Energiespeicher? Ja. Mit dem Ausbau erneuerbarer Quellen wie Wind und Sonne wird es immer wichtiger, überschüssige Energie effizient zu speichern. Denn so ist es möglich, Energiereserven für wind- oder sonnenarme Zeiten zu nutzen. Doch es gibt noch weitere Gründe für die Speicherung von elektrischer Energie: der Ausgleich von Schwankungen und die Stabilisierung des Netzes.

Schwankungen in der Stromerzeugung ausgleichen

Die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien variiert stark. Bei sonnigem Wetter produzieren PV-Anlagen mehr Solarstrom als benötigt, während bei bedecktem Himmel die Produktion abnimmt. Ähnlich verhält es sich bei der Windenergie. Man spricht von einer sogenannten Dunkelflaute, wenn durch die meteorologische Situation die Erzeugung von Wind- und Solarenergie nur schwer möglich ist.

Um Schwankungen vor allem bei erneuerbaren, aber auch konventionellen Kraftwerken auszugleichen, kommen Speichersysteme wie Batteriespeicher und Pumpspeicherkraftwerke zum Einsatz. Sie ermöglichen die Speicherung von Windenergien oder die Speicherung von Strom aus Photovoltaik, um diese in das Energiesystem zu integrieren und so eine ausreichende Versorgung sicherzustellen.

Bedarf an Netzstabilität gerecht werden

Die Stabilität des Stromnetzes ist entscheidend für eine sichere Energieversorgung. Stromspeicher in Deutschland tragen maßgeblich zur Netzstabilität bei, indem sie sogenannte Lastspitzen ausgleichen und Stromüberschüsse zwischenspeichern.

Arten von Energiespeichern: Wie kann man Strom speichern?

Verschiedene Energiespeichertechnologien bieten Lösungen, um Strom in unterschiedlichen Formen zu speichern und bei Bedarf wieder abzurufen. Die sogenannte saisonale Speicherung von Energie bezeichnet Langzeitspeicher wie Pumpspeicherkraftwerke oder thermische Speicher. Um kurzfristig Energie zu speichern, eignen sich Möglichkeiten wie Akkus oder elektrische Speicher. 

Bei beiden Arten von Stromspeichern kann die Energie direkt oder indirekt gesichert werden:

• direkt gespeicherter Strom: Hier wird die Energie in der gleichen Form erzeugt wie gespeichert. Beispiele: Batterien, Akkus oder Superkondensatoren

• indirekt gespeicherter Strom: Hier wird die Energie in eine andere Form umgewandelt, beispielsweise in Wärme. Bei Bedarf kann sie später wieder in Strom zurückgeführt werden – etwa durch Turbinen, die von Wasser oder Dampf Antrieb bekommen. Beispiele: Pumpspeicherkraftwerke, thermische Speicher

Diese Flexibilität ist entscheidend, um sowohl kurzfristige als auch langfristige Energiebedarfe zuverlässig zu decken.

Mechanische Energiespeicher

Mechanische Energiespeicher nutzen physikalische Prinzipien zur Stromspeicherung. Bekannte Systeme in diesem Bereich sind 

• Pumpspeicherkraftwerke: Bei einem Überschuss an Strom lässt sich dieser indirekt in Wasser speichern: Die erzeugte Energie wird genutzt, um die Flüssigkeit von einem tiefer gelegenen Becken in ein höher gelegenes Becken zu pumpen. Erhöht sich der Strombedarf, wird das Wasser abgelassen, um eine Turbine anzutreiben: So entsteht wieder Strom.

• Druckluftspeicher: Solche Technologien komprimieren Luft, um Energie zu speichern. Bei der Kompression entsteht Wärme, die sich in einem Wärmespeicher aufbewahren lässt. Interessant: In Deutschland steht seit 1978 einer von zwei Druckluftspeichern weltweit. Die Anlage im niedersächsischen Huntorf kann kurzfristig bis zu 290 Megawatt (MW) bereitstellen – und damit beispielsweise bis zu 580.000 Haushalte mit Strom versorgen.

• Schwungmassenspeicher: Diese Anlagen speichern Energie, indem sie große Massen zum Rotieren bringen. Die Speicher sind aufgrund hoher Reibungsverluste nur für kurze Zeiträume nützlich, etwa um Lastspitzen zu puffern oder bei der Energieversorgung von Verkehrssystemen wie U-Bahnen.

Elektrische Speicher

Elektrische Speicherlösungen bieten eine schnelle und effiziente Möglichkeit, Energie zu speichern und bei Bedarf abzurufen. Sie spielen eine zentrale Rolle, insbesondere bei Anwendungen mit hohen Leistungsanforderungen wie beispielsweise das Laden von E-Autos.

Zu den elektrischen Speichern gehören:

• Superkondensatoren: Auch Ultrakondensatoren oder Supercaps genannt. Sie speichern Energie schnell, ohne auf chemische Reaktionen angewiesen zu sein. Zwar haben sie eine geringere Speicherkapazität als Akkus, zeichnen sich jedoch durch eine hohe Leistungsdichte und eine sehr lange Lebensdauer aus. Ideal für Anwendungen, die bei Schwankungen im Stromnetz eine schnelle Energieabgabe erfordern (z. B. bei Industrie-Systemen wie Robotern).

• Supraleiter: Supraleiter sind Materialien, die bei sehr niedrigen Temperaturen nahezu keinen Widerstand bieten. Sie speichern Energie, indem sie diese in Magnetfeldern halten. Diese Technologie ermöglicht es, große Energiemengen mit minimalem Verlust zu speichern und schnell bereitzustellen (z. B. bei MRT-Geräten oder Teilchenbeschleunigern).

Chemische Speicher

Um Strom zu speichern, gibt es weitere Möglichkeiten: Chemische Speicher sind Technologien, die Energie durch stoffliche Reaktionen umwandeln und bei Bedarf wieder freisetzen. Diese Form der Stromspeicherung ist wichtig für die Dekarbonisierung von Industrie und Verkehr, da sie saubere Energieformen wie Wasserstoff oder Methan nutzt. Weitere Beispiele für chemische Speicher sind: 

• fossile Brennstoffe

• Biomasse 

• moderne Batterien wie Lithium-Ionen-Akkus für zu Hause

Thermische Speicher

Thermische Speicher halten Wärme oder Kälte, wenn das Angebot nicht mit der Nachfrage übereinstimmt. Sie speichern keine elektrische Energie, sondern setzen die gespeicherte thermische Energie direkt für Heiz- oder Kühlzwecke ein. Diese Technik wird häufig bei der solaren Wärmeerzeugung, der Abwärmenutzung und der Kraft-Wärme-Kopplung verwendet.

Es gibt verschiedene Typen thermischer Speicher, beispielsweise:

• sensible Wärmespeicher: Sie speichern Energie, indem sie die Temperatur eines Materials erhöhen. Ein Beispiel sind Warmwasserspeicher. Sie sind besonders sinnvoll, wenn du mit einer PV-Anlage und einer Wärmepumpe arbeitest. Der gespeicherte Strom wird zur späteren Beheizung oder Warmwasserbereitung verwendet, was die Energiekosten reduziert und die Effizienz erhöht.

• Latentwärmespeicher: Sie nutzen Phasenwechsel, um Wärme zu speichern, beispielsweise von fest zu flüssig. Sie werden häufig für Fußbodenheizungen verwendet.

Stromspeicher: Vor- und Nachteile

Welcher Speicher ist die beste Wahl? Das hängt von verschiedenen Faktoren ab. Der Anwendungsfall spielt eine entscheidende Rolle: Während in Haushalten kompakte und schnell einsetzbare Lösungen wie Batterien bevorzugt werden, setzen Industrie und Netzbetreiber oft auf großvolumige Speicher wie Pumpspeicherkraftwerke oder Druckluftspeicher. 

Die Anschaffungskosten variieren stark, und nicht jede Technologie ist in der Lage, Energie verlustfrei zu speichern. Einige Speicherlösungen haben hohe Wirkungsgrade, während andere mehr Energie bei der Umwandlung verlieren. Zudem ist die Umweltbilanz entscheidend – sowohl bei der Herstellung als auch bei der Entsorgung der Speichermedien. Langfristig gesehen sollten Speicherlösungen nicht nur wirtschaftlich, sondern auch nachhaltig sein, um die Energiewende erfolgreich zu gestalten.

Energiespeicher in Haushalten: Privat Strom erzeugen und speichern

Wenn du autark Strom aus Sonnenenergie erzeugen und speichern möchtest, gibt es unterschiedliche Speicherlösungen – je nach deinen individuellen Bedürfnissen. Wenn du einen hohen Eigenverbrauch von Solarstrom anstrebst und Platz zur Verfügung hast, sind Lithium-Ionen-Batterien aktuell die bevorzugte Wahl. Ob für das Laden deines E-Autos oder als Heimspeicherlösung: Die Batterien bieten eine hohe Kapazität und lange Lebensdauer und sind so ideal für Haushalte mit größerem Energiebedarf. 

Für kleinere Haushalte oder niedrigere Budgets können Blei-Säure-Batterien für die Speicherung von PV-Strom eine kostengünstigere Alternative sein, auch wenn sie weniger effizient sind. Wärmespeicher sind besonders für Haushalte sinnvoll, die ihren Stromverbrauch in Heizung und Warmwasser integrieren wollen. 

Tragbare Batteriespeicher bieten Flexibilität für diejenigen, die eine mobile Lösung für Garten oder Freizeit suchen. Jede dieser Optionen unterstützt dich dabei, deine Stromkosten zu senken und die Energieunabhängigkeit zu erhöhen.

Energie: Speicher der Zukunft

Die Energiespeicher der Zukunft müssen weit mehr leisten, als nur Strom zu speichern. Um die Energieversorgung von Haushalten und Industrie auch in Zeiten schwankender Nachfrage zuverlässig zu sichern, sind leistungsstarke, nachhaltige und kosteneffiziente Lösungen gefragt. 

Die aktuellen Entwicklungen in der Speichertechnologie sind vielversprechend, doch marktreife und wirtschaftlich attraktive Systeme stehen noch am Anfang. Wir geben dir einen Überblick über die vielversprechendsten Innovationen.

Wasserstoff

Wasserstoff (H₂) ist ein potenzieller Energiespeicher der Zukunft – nicht zuletzt durch die Nationale Wasserstoffstrategie der Bundesregierung. Wasserstoff ist vielseitig und kann in verschiedenen Bereichen zum Einsatz kommen, darunter:

• Heizen

• Stahlproduktion

• Mobilität 

• Raumfahrt 

H₂ verbrennt nahezu emissionsfrei und lässt sich über längere Zeiträume speichern. Ein Kilogramm Wasserstoff liefert etwa dieselbe Energie wie 2,8 Kilogramm Benzin. Besonders interessant: Verfahren wie die Elektrolyse, mit der Wasserstoff entsteht, funktionieren auch mit Strom aus Wind und Solaranlagen – und sind somit fast klimaneutral. 

Die aktuellen Speichertechnologien sind jedoch noch unpraktisch: Druckgasspeicher und flüssiger Wasserstoff bei extrem niedrigen Temperaturen benötigen viel Energie und Platz. Doch neue Speicheransätze sind bereits in der Entwicklung und könnten die Nutzung von Wasserstoff in Zukunft wirtschaftlicher machen.

Power-to-X-Technologien (PtX)

Power-to-X-Technologien bieten innovative Lösungen, um überschüssigen Strom aus erneuerbaren Quellen zu speichern und für verschiedene Anwendungen nutzbar zu machen. Der Begriff „Power-to-X“ beschreibt verschiedene Prozesse, bei denen Strom in andere Energieformen umgewandelt wird. An dem internationalen Unterfangen sind neben Regierungen auch Forschungseinrichtungen und Industriekonzerne beteiligt.

Die drei wichtigsten Power-to-X-Technologien sind:

• Power-to-Heat: Strom wird in Wärme umgewandelt. Diese Technologie nutzt regenerative Energien zur Wärmeversorgung. Sie reicht von industriellen Elektroöfen bis hin zu Wärmepumpen und Elektrodenkesseln. Einige Power-to-Heat-Technologien sind noch in der Entwicklung, während Wärmepumpen heute schon eine praktikable Lösung sind.

• Power-to-Gas: Strom wird in Wasserstoff umgewandelt und anschließend als Gas gespeichert oder zu Methan verarbeitet. Diese Technologie ermöglicht die langfristige Speicherung von Energie, ist aber noch nicht wirtschaftlich ausgereift.

• Power-to-Liquid: Strom wird in flüssige Kraftstoffe wie Kerosin umgewandelt. Diese Technologie wird als vielversprechend angesehen für die Luftfahrt und für Spezialfahrzeuge. Aktuell laufen dazu erste Pilotprojekte.

Weitere innovative Stromspeicher

Einige neue Ansätze nutzen ungewöhnliche Materialien oder Prinzipien, um Energie effizient zu speichern und bei Bedarf abzurufen. Diese Ideen könnten eine wichtige Rolle in der Zukunft der Energiespeicherung spielen:

• Vulkangestein-Energiespeicher (ETES): In Hamburg-Altenwerder wird ein Elektrothermischer Energiespeicher betrieben, der Vulkangestein erhitzt, um Energie zu speichern. Etwa 1.000 Tonnen Vulkangestein erwärmen sich auf 750 Grad Celsius und können so 130 Megawattstunden (MWh) über eine Woche hinweg speichern. Bei Bedarf wird die Energie mit einer Dampfturbine wieder in Strom umgewandelt.

• Akkus aus Stein: Ein innovativer Ansatz nutzt Ziegelsteine, die mit Nanofasern eines leitfähigen Kunststoffs modifiziert werden. Diese Ziegel können Strom speichern und abgeben. In einem Test können 50 solcher Ziegel zusammen mit Solarzellen eine Notbeleuchtung für etwa 5 Stunden versorgen.

• Betonkugel auf dem Meeresgrund: Diese Technologie nutzt das Prinzip der Pumpspeicherung, jedoch unter Wasser. Bei Stromüberschuss wird Wasser in eine Betonkugel auf dem Meeresgrund gepumpt. Bei Strommangel fließt es wieder ab und treibt dabei Generatoren an, die Strom erzeugen. 

• Superkondensatoren: Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelten eine umweltfreundliche Speichervariante aus Zement, Ruß und Wasser. Sie lässt sich in zukünftige Windmühlen, Gebäude und Straßen integrieren.

Wo wird Strom gespeichert: Intelligente Netzwerke für eine stabile Energiezukunft

In den letzten Jahren haben sich private und industrielle Stromerzeuger wie Wind- und Solaranlagen zu großen, intelligenten Netzwerken zusammengeschlossen – den sogenannten Virtuellen Kraftwerken. Dabei zählt nicht nur, wie viel Strom jede Anlage produziert, sondern auch, wie gut der Strom gespeichert und bei Bedarf genutzt werden kann. Die Verbindung von flexiblen Verbraucher*innen, Speichern und neuen Technologien wie Power-to-X hilft, Schwankungen im Stromnetz auszugleichen und sorgt für eine stabile Energieversorgung.

Damit diese Netzwerke funktionieren, müssen viele Beteiligte zusammenarbeiten – von den Betreibern der Anlagen bis hin zu den Nutzer*innen des Stroms. Diese Zusammenarbeit macht es möglich, die Stromerzeugung und -nutzung flexibel an die Gegebenheiten anzupassen. Das ist besonders wichtig bei wechselhaftem Wetter, wenn Sonne und Wind nicht immer gleichmäßig verfügbar sind. Für dich als Besitzer*in einer PV-Anlage bedeutet das, dass du überschüssigen Strom speichern und später nutzen kannst. Das erhöht die Unabhängigkeit vom öffentlichen Netz und spart langfristig Kosten.

Häufige Fragen