Energiespeicher: Energie durch die Zeit bewegen
Das Entscheidende an Speichern ist, dass es keine beste Technik gibt, sondern nur eine beste Technik für eine bestimmte Dauer. Ein Gerät, das zwei Sekunden lang gewaltige Leistung liefert, und eines, das zwei Monate lang bescheidene Leistung liefert, heißen beide Speicher und haben fast nichts gemeinsam.
Warum die Dauer das Ordnungsprinzip ist
Ein Speicher hat zwei unabhängige Kennwerte. Die Leistung in Watt sagt, wie schnell er Energie abgeben kann. Die Kapazität in Wattstunden sagt, wie viel er hält. Ihr Verhältnis ist die Dauer, und sie entscheidet alles darüber, wofür das Gerät da ist.
Am kürzesten Ende, von Millisekunden bis Sekunden, geht es um Stabilität. Netze laufen auf einer festen Frequenz, und jede Abweichung zwischen Erzeugung und Bedarf schiebt diese Frequenz binnen eines Sekundenbruchteils vom Sollwert. Superkondensatoren und Schwungräder reagieren nahezu augenblicklich und halten die Frequenz stabil. Sie speichern sehr wenig Energie; das ist nicht ihr Zweck.
Im Stundenbereich geht es um Arbitrage und Spitzenkappung: mittags Solarstrom aufnehmen, abends abgeben. Hier hat Lithium-Ionen deutlich gewonnen, und dorthin fließt der größte Teil der weltweiten Speicherinvestitionen.
Von Tagen bis Monaten geht es um den saisonalen Ausgleich - zwei Wochen windstilles, bedecktes Winterwetter in einem Netz zu überbrücken, das an Wind und Sonne hängt. Hier wird jede elektrochemische Option unbezahlbar, weil die Kosten mit der gespeicherten Energie wachsen und das Gerät den größten Teil des Jahres ungenutzt steht. Dieser Bereich bleibt das offene Problem.
Die Techniken und wofür jede taugt
Lithium-Ionen-Batterien speichern Energie, indem sie Lithiumionen zwischen zwei Elektroden bewegen. Sie erreichen Kreislaufwirkungsgrade von 85 bis 95 Prozent, reagieren in Millisekunden und sind seit 2010 um rund 90 Prozent günstiger geworden - getrieben von Elektrofahrzeugen und nicht vom Netz, das die Fertigungsmengen dann geerbt hat. Ihre Grenze ist die Dauer: Jenseits von etwa acht Stunden verschlechtert sich die Rechnung, weil jede weitere Stunde anteilig mehr Zellen verlangt.
Pumpspeicher halten Energie als Wasser in der Höhe, und ihre Vorherrschaft übersieht man leicht, weil sie alt und unspektakulär sind. Auf sie entfallen weltweit über 90 Prozent der installierten Netzspeicherenergie, sie bieten 70 bis 85 Prozent Kreislaufwirkungsgrad und halten 50 bis 100 Jahre. Ihre Beschränkung ist die Geografie, wie unter Wasserkraft beschrieben - zwei Becken, ein Höhenunterschied und eine Genehmigung.
Redox-Flow-Batterien trennen Leistung von Kapazität, indem sie flüssigen Elektrolyt in äußeren Tanks lagern. Mehr Energie gewünscht? Größere Tanks. Das macht sie für Dauern von acht bis zwölf Stunden attraktiv, wo Lithium-Ionen schwächelt, wobei die Energiedichte gering und die Technik weit weniger ausgereift ist.
Wärmespeicher werden oft übersehen, weil sie keinen Strom zurückgeben. Salzschmelzen in solarthermischen Kraftwerken, heißes Wasser in Fernwärmenetzen und zunehmend erhitztes Gestein oder Sand für industrielle Prozesswärme speichern Energie zu sehr niedrigen Kosten je Kilowattstunde. Da rund die Hälfte des Endenergiebedarfs Wärme und nicht Strom ist, erspart es zwei Umwandlungen samt ihren Verlusten, Wärme als Wärme zu speichern.
Druckluft, Schwerkraftsysteme mit angehobenen Massen und Wasserstoff als chemischer Speicher besetzen jeweils eigene Ecken. Der Kreislaufwirkungsgrad von Wasserstoff ist mit 30 bis 40 Prozent schlecht, aber er ist eine der wenigen Optionen, die Energie monatelang verlustarm halten können.
Kreislaufwirkungsgrad und was er nicht verrät
Der Kreislaufwirkungsgrad ist der Anteil der Energie, der nach einem vollständigen Speicher- und Abgabezyklus zurückkommt. Lithium-Ionen erreicht rund 90 Prozent, Pumpspeicher 70 bis 85, Druckluft 40 bis 70 und Wasserstoff 30 bis 40. Für sich gelesen legt diese Reihung nahe, Wasserstoff sei schlicht schlecht.
Das ist die falsche Lesart. Der Wirkungsgrad zählt im Verhältnis dazu, wie oft das Gerät einen Zyklus durchläuft und wie teuer die eingespeiste Energie ist. Eine täglich zyklende Batterie verliert 10 Prozent von viel Energie, und das 365-mal im Jahr, sodass der Wirkungsgrad ihre Wirtschaftlichkeit beherrscht. Ein Saisonspeicher mit einem Zyklus im Jahr verliert 65 Prozent einer vergleichsweise kleinen Menge, und zwar einmal - und die gespeicherte Energie war Überschuss, der sonst abgeregelt und vollständig verworfen worden wäre.
Der maßgebliche Vergleich für Langzeitspeicher ist nicht der mit einer Batterie, sondern der mit der Alternative, mehr Erzeugung zu bauen oder für diese zwei Wochen ein Gaskraftwerk laufen zu lassen. Gemessen daran kann ein ineffizienter Speicher trotzdem die günstigere Antwort sein.
Die Selbstentladung zählt aus demselben Grund. Eine Lithium-Ionen-Zelle verliert einige Prozent im Monat, was über einen Tag bedeutungslos und über eine Jahreszeit tödlich ist. Pumpspeicher verlieren durch Verdunstung. Wasserstoff in einer Salzkaverne verliert nahezu nichts, was genau der Grund ist, warum er trotz seines Wirkungsgrads für den saisonalen Einsatz diskutiert wird.
Der ungelöste Bereich
Ein Netz, das weitgehend auf Wind und Sonne läuft, steht vor einem bestimmten schlechtesten Fall: einer langen Phase mit wenig Wind und wenig Sonne, im Winter, über eine weite Region. Nordeuropa erlebt das regelmäßig, und es kann eine Woche und länger dauern. Das zu überbrücken verlangt Speicher im Terawattstundenbereich, in einem Maßstab, dem keine Batterieflotte nahekommt.
Die Kandidaten laufen alle darauf hinaus, schlechten Wirkungsgrad gegen billige Kapazität einzutauschen. Wasserstoff in Salzkavernen ist am weitesten entwickelt: Das Speichermedium kostet fast nichts, sobald die Kaverne existiert, und die Energie kann monatelang stehen. Wärmespeicher in Gestein oder Salzschmelze entstehen im industriellen Maßstab. Synthetisches Methan aus Wasserstoff und abgeschiedenem Kohlendioxid könnte das bestehende Gasnetz unverändert nutzen, zum Preis einer weiteren Umwandlungsstufe.
Es gibt eine zweite Antwort, die das Problem umgeht statt es zu lösen, und sie ist der Grund, warum sich Speicherung und Erzeugung nicht getrennt besprechen lassen. Eine Quelle, die unabhängig vom Wetter durchgehend erzeugt, nimmt dem Speicherbedarf von vornherein einen großen Teil - das ist die strukturelle Rolle, die Kernspaltung, Geothermie und die Forschung an durchgehend verfügbarer Umgebungsenergie jeweils aus anderer Richtung einnehmen.
In der Praxis wird die Antwort ein Bündel sein. Schwungräder für die Millisekunden, Lithium-Ionen für die Stunden, Pumpspeicher und Flow-Batterien für die Tage, etwas Chemisches oder Thermisches für die Wochen - und genug durchgehende Erzeugung, dass die Wochen selten bleiben. Keine einzelne Technik deckt den Bereich ab, und die nützliche Frage an jeden Speichervorschlag lautet, für welchen Teil des Bereichs er gedacht ist.
Häufige Fragen
Warum kann nicht eine Speichertechnik alles?
Weil Leistung und Kapazität getrennte Kennwerte sind und die Kostenstrukturen sich unterscheiden. Ein Schwungrad liefert Sekunden lang gewaltige Leistung; eine Wasserstoffkaverne hält Energie monatelang, gibt aber nur ein Drittel zurück. Auf eine Dauer hin optimiert zu sein macht ein Gerät für die anderen schlecht, weshalb Netze mehrere Techniken nebeneinander nutzen.
Was ist der Kreislaufwirkungsgrad?
Der Anteil der Energie, den man nach dem Einspeichern und Wiederabrufen zurückerhält. Lithium-Ionen gibt rund 90 Prozent zurück, Pumpspeicher 70 bis 85, Wasserstoff 30 bis 40. Der Wirkungsgrad zählt am meisten bei Geräten, die häufig zyklen; für einen Speicher, der einmal im Jahr Überschussenergie aufnimmt, die sonst verworfen würde, zählt er weit weniger.
Sind Pumpspeicher wirklich größer als alle Batterien?
Nach gespeicherter Energie ja, und mit weitem Abstand. Auf Pumpspeicher entfallen mehr als 90 Prozent der netzgebundenen Speicherenergie weltweit, mit Kapazitäten im Bereich mehrerer hundert Gigawattstunden. Sie sind alt, geografisch gebunden und leicht zu übersehen, bleiben aber auf jedem Kontinent mit geeigneten Standorten der beherrschende Speicher.
Warum ist saisonale Speicherung so schwierig?
Weil die Kosten eines elektrochemischen Speichers mit der gehaltenen Energie wachsen und ein Saisonspeicher sehr viel hält, dabei aber vielleicht einmal im Jahr zyklt. Die Investitionskosten auf einen Zyklus statt auf 365 zu verteilen lässt die Rechnung zusammenbrechen. Die tragfähigen Kandidaten - Wasserstoff in Kavernen, Wärmespeicher - sind je Energieeinheit gerade deshalb günstig, weil sie in anderer Hinsicht ineffizient sind.
Bedeutet mehr erneuerbare Erzeugung immer mehr Speicher?
Bis zu einem Punkt. Bescheidene Anteile von Wind und Sonne fängt die vorhandene Netzflexibilität auf. Jenseits von etwa 50 bis 60 Prozent steigen Speicher- und Netzbedarf steil, weil die Phasen der Nichtdeckung länger werden. Erzeugung, die unabhängig vom Wetter läuft, senkt diesen Bedarf, statt ihn zu erhöhen.
