Energiespeicher der Zukunft – so könnten sie aussehen

Diese Frage ist für das Erreichen der Energiewende entscheidend. Denn wie gut sie vorankommt, hängt vor allem von den Speichern ab, die künftig eingesetzt werden. Warum das so ist, ist schnell erklärt: Erneuerbare Energiequellen wie Windkraft und Solar sind intermittierend, das heißt, sie produzieren nicht immer konstant viel Energie, sondern liefern unterschiedlich große Mengen Energie – je nachdem, wie stark die Sonne scheint oder der Wind weht. Um eine sichere und konstante Versorgung zu gewährleisten, muss grüner Strom daher also zwischengespeichert werden können.

Aus diesem Grund wird weltweit zu neuen Energiespeichertechnologien geforscht, die es ermöglichen, überschüssige Energie zu speichern, wenn die Produktion hoch ist, und sie freizugeben, wenn die Produktion niedrig ist.

Als Alternative für herkömmliche Pumpspeicherkraftwerke könnten künftig auch Unterwasser-Pumpspeicherkraftwerke fungieren. Diese basieren auf am Meeresgrund versenkten, wassergefüllten Hohlkugeln, die mit dem Überschussstrom – etwa von Windkraftanlagen auf See – leer gepumpt werden. Die gespeicherte Energie kann im Bedarfsfall wieder genutzt werden, indem ein Ventil geöffnet wird: Das einströmende Wasser treibt dann eine Turbine an, die wiederum über einen Generator Strom erzeugt. Die auf das Volumen der Betonkugeln bezogene Leistung ist gigantisch: Eine Kugel mit 100 Meter Durchmesser reicht Expert:innen zufolge theoretisch aus, um über fünf Gigawattstunden an Energie zu speichern.

Für die Herstellung von Blei- oder Lithium-Ionen-Batteriespeichern dagegen, die ebenfalls zum Speichern von Ökostrom verwendet werden, sind große Mengen an Blei oder seltenen Erden wie Lithium oder Kobalt notwendig. Zudem ist das Recycling der Stoffe kompliziert. Mehr zu dieser Technologie erfahren Sie in unserem Ratgeber „Batteriespeicher sichern die Netzstabilität“.

Neben den Pumpspeicherkraftwerken und Batteriespeichern gibt es einige innovative Technologieansätze, um Energie künftig zu speichern. Folgende sechs Ansätze für mechanische, chemische und thermische Energiespeicher gelten als vielversprechende Alternativen:

Ein Höhenunterschied und ein Speichermedium, das bei Energieüberschuss nach oben befördert wird, um bei Bedarf auf dem Weg nach unten wieder Energie freizugeben: Die Technologie „Underground Gravity Energy Storage“, kurz UGES, arbeitet nach demselben Prinzip wie Pumpspeicherkraftwerke. Dabei dienen stillgelegte Bergwerke anstelle von Bergseen oder Wasserreservoire als Energiespeicher. In ihre bis zu 1000 Meter tiefen Schächte können Sand oder Wasser hinabgelassen werden, um dabei über Generatoren Strom zu erzeugen. Bei einem Energieüberschuss wird das Material wieder ans Tageslicht befördert. Weltweit hätten solche Bergwerkspeicher laut der Studie einer internationalen Forschungsgruppe, die kürzlich im Fachmagazin „Energies“ veröffentlicht wurde, eine Kapazität von bis zu 70 Terawattstunden.

Natrium- beziehungsweise Salzwasserakkus arbeiten ähnlich wie Lithium-Ionen-Batterien – nur dass anstelle von Lithiumionen eben Natriumionen in den Akkus Energie speichern. Das Natrium wird in den Akkus in Wasser gelöst. Das bringt eine Reihe von Vorteilen mit sich: Wasser und Natrium kosten wenig und sind leicht verfügbar, die Produktion der Akkus ist umweltverträglicher, und die Speicherzellen können weder Feuer fangen noch explodieren. Sie lassen sich darum gefahrloser produzieren, lagern, betreiben und recyceln als Lithium-Ionen-Akkus. Private Nutzerinnen und Nutzer können sie ohne weitere Vorsichtsmaßnahmen etwa im Waschkeller oder unter der Treppe aufstellen.

Allerdings sind Salzwasserakkus im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien gleicher Leistung größer und schwerer. Sie eignen sich daher nur für stationäre Anwendungen – beispielsweise als kostengünstiger Zwischenspeicher für Photovoltaikanlagen in Wohnhäusern.

Druckluftspeicher, auf Englisch „Compressed-Air Energy Storage“ (CAES), komprimieren mit überschüssigem Strom Luft und pumpen diese in Reservoire unter der Erde. Bei Bedarf wird die Luft über Turbinen wieder abgelassen, die dann Strom produzieren. Nach diesem Prinzip arbeitet schon seit den 1970er-Jahren eine Anlage im niedersächsischen Huntorf, die einen 500 Meter tiefen Salzstock als Speicherkammer nutzt. Der Druckluftspeicher in Huntorf ist einer von weltweit nur zwei funktionierenden Anlagen dieser Art.

Zurzeit forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler daran, die Nutzung von Druckunterschieden zum Speichern weiterzuentwickeln – etwa, indem sie komprimierte Luft mit überschüssigem Ökostrom in den porösen, mit Salzwasser gefüllten Sandstein unter den Weltmeeren leiten, wie eine Forschungsgruppe im Fachmagazin „Nature Energy“ berichtet. Bei Strombedarf wird die Luft wieder abgelassen und treibt dann Turbinen an.

Strom lässt sich mithilfe von elektrothermischen Energiespeichern auch in Form von Wärmeenergie speichern. So haben der Windturbinenhersteller Siemens Gamesa, der Energieversorger Hamburg Energie und die TU Hamburg kürzlich erfolgreich drei Jahre lang im Hamburger Hafen den elektrothermischen Energiespeicher (ETES) getestet. Der Speicher bestand aus rund 1000 Tonnen Vulkangesteinschotter, den eine Art Riesenfön mit Ökostrom auf bis zu 750 Grad Celsius aufgeheizt hat. Die Wärmeenergie blieb rund eine Woche lang in dem riesigen Steinhaufen gespeichert. Daraus ließ sich dann Dampf erzeugen, der eine Turbine antrieb. Die dabei erzeugte elektrische Energie reichte aus, um 3000 Haushalte einen Tag lang mit Strom zu versorgen.

Auch Power-to-Heat-Anlagen (kurz PtH) können die Energiewende vorantreiben: Mit ihnen wird ebenfalls überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Photovoltaik und Windkraft in Wärme gespeichert. Im Artikel „Wärme aus Strom: So funktioniert eine Power-to-Heat-Anlage“ erfahren Sie mehr über die Funktionsweise von PtH-Anlagen.