Wenn in Deutschland längere Zeit kräftig der Wind weht oder tagelang die Sonne scheint, speisen Windkraft- und Solaranlagen mehr Strom ins Netz ein, als verbraucht wird. Kohle- und Atomkraftwerke drosseln in diesem Fall ihre Produktion. Doch wenn Wind und Sonne dann immer noch zu viel Strom liefern, müssen die Stromproduzenten ihren Überschuss kostenlos abgeben oder an der Strombörse sogar dafür bezahlen, um Abnehmer zu finden.

Speicher als Ausgleich

Für die Energiewende reicht es daher nicht, möglichst viele Windkraft- und Solaranlagen zu bauen. Es muss auch ausreichend Speicherplatz für Strom geben, wenn regenerative Quellen einen Überschuss ins Netz schicken. Damit das Stromnetz im Gleichgewicht bleibt, sind unterschiedliche Speicherformen notwendig.

Batteriespeicher - Elektrische Energie für Sekunden bis Minuten

Der Batteriespeicher in Schwerin-Lankow

In Lankow, einem Stadtteil von Schwerin, steht neben dem örtlichen Umspannwerk seit 2014 ein Batteriespeicher. Seine 53.444 Lithium-Ionen-Akkus können Strom blitzschnell speichern und wieder abgeben. Der Wirkungsgrad der Anlage liegt bei 85 bis 90 Prozent, die Kapazität beträgt 15 Megawattstunden, die Leistung 10 Megawatt. Die Akkus werden nie komplett geladen, sondern nur etwa zur Hälfte. So können sie elektrische Energie abgeben, haben aber auch jederzeit Speicherkapazität. Das sorgt für Gleichgewicht im Stromnetz, wenn starke Böen durch einen Windpark wehen und die Stromerzeugung kurz nach oben treiben oder wenn Wolken eines der angeschlossenen Photovoltaikfelder verschatten und die Leistung plötzlich sinkt.

Auch die Betreiber der Netze, die den Strom transportieren, benötigen Speicher, um bestehende Leitungen besser auszulasten und ein Auf- und Abregeln von fossilen Kraftwerken zu reduzieren. So ein "Netzbooster" soll zum Beispiel in Kupferzell im Nordosten von Baden-Württemberg entstehen. Geplante Leistung: 250 Megawatt.

Der derzeit größte Batteriespeicher Europas steht in Jardelund in Schleswig-Holstein in der Nähe von Flensburg. Laut der Ingenieure kann er etwa 50 Megawattstunden elektrische Energie speichern und sie mit 48 Megawatt bereitstellen. Der größte Batteriespeicher weltweit befindet sich im kalifornischen Moss Landing. Er hat eine Leistung von 400 Megawatt und eine Kapazität von 1.600 Megawattstunden.

Pumpspeicherkraftwerke - Strom speichern mit Wasser und Gefälle

Funktionsweise eines Pumpspeicherkraftwerks

Im Verlauf eines Tages variiert der Stromverbrauch ganz erheblich. Um dies auszugleichen, nutzen Energieversorger daher schon lange Pumpspeicherkraftwerke. Wenn ein Überangebot an Energie herrscht, zum Beispiel nachts oder bei starkem Wind, pumpt die Anlage Wasser in einen höher gelegenen Stausee. Sobald die Nachfrage nach Strom wieder steigt, rauscht das Wasser hinunter und treibt Turbinen an, die Strom erzeugen.

Speicher im stillgelegten Bergwerk

Stillgelegte Stollen in Bergwerken können als unterirdische Speicherseen dienen.

Pumpt man Wasser zunächst auf einen Berg und leitet es später wieder durch eine Turbine hinunter, geht einiges an Energie verloren. Trotzdem liegt der Wirkungsgrad im günstigsten Fall bei über 80 Prozent. Pumpspeicherkraftwerke wären also eigentlich der ideale Speicher für Strom von Sonne und Wind. Allerdings kann man aus Platz- und Naturschutzgründen nicht beliebig viele davon bauen. Ein Pumpspeicherkraftwerk benötigt einen Berg, an dem sich zwei Speicherseen auf unterschiedlicher Höhe anlegen lassen und Leitungen, die die beiden Seen verbinden. Es gibt daher Überlegungen, Pumpspeicherkraftwerke unterirdisch anzulegen, zum Beispiel in stillgelegten Bergwerken. Eine andere Idee ist, den Strom dorthin zu leiten, wo sich vorhandene Wasserkraftwerke umbauen oder relativ einfach neue Pumpspeicherkraftwerke errichten lassen, etwa in Norwegen. Dazu müsste man allerdings die Stromtrassen Richtung Skandinavien ausbauen. Das wäre sehr aufwendig und würde vermutlich Proteste bei Anwohnern auslösen.

Druckluftspeicher - Mehr als heiße Luft

Das Kraftwerk Huntorf im Modell

Strom lässt sich aber auch platzsparend als Druckluft speichern: Mit überschüssigem Strom wird Luft in einen Hohlraum gepumpt. Bei entsprechender Nachfrage lässt man die Luft wieder entweichen und über eine Turbine einen Generator antreiben. Für solche Druckluftspeicher bieten sich zum Beispiel Salzstöcke an. Weltweit gibt es aber nur zwei große Anlagen dieser Art: Eine steht in Huntorf zwischen Oldenburg und Bremen in Niedersachsen, die andere in den USA in McIntosh im Bundesstaat Alabama.

Nachteil niedriger Wirkungsgrad

Druckluftspeicher haben allerdings einen vergleichsweise schlechten Wirkungsgrad. Ein Teil der Energie, die man zum Komprimieren der Luft aufwendet, verwandelt sich in Wärme. Bei Anlagen die mit etwa 60 bis 80 bar arbeiten, liegt die Temperatur zwischen 500 und 650 Grad Celsius. So heiß darf die Luft auf keinen Fall in einen Salzstock gepresst und muss deshalb abgekühlt werden. Die Wärme geht dabei ungenutzt an die Umgebung verloren. Dabei könnte man diese Energie gut gebrauchen. Wenn die Luft nämlich wieder aus dem Speicher strömt und sich ausdehnt, wird sie kalt. In einer Turbine könnte sich Eis bilden und Schaden anrichten. Der Luftstrom muss daher wieder erwärmt werden. Der Wirkungsgrad des Druckluftspeichers in Huntorf liegt deshalb nur bei etwa 42 Prozent. Dieser Wert ließe sich aber wesentlich verbessern, wenn man die Kompressionshitze nutzen könnte, um später die ausströmende Luft wieder zu erwärmen.

Redox-Flow-Batterie - Flüssig Strom speichern

Prototyp einer Redox-Flow-Batterie, die Strom mit einer Kochsalzlösung speichert.

Redox-Flow-Batterien speichern die Energie nicht in festen Materialien wie zum Beispiel Bleiplatten. Stattdessen kommt eine Flüssigkeit als Elektrolyt zum Einsatz, etwa eine Vanadium-Lösung. Beim Laden einer Redox-Flow-Batterie bilden sich am Plus- und am Minuspol zwei unterschiedliche Elektrolytvarianten, die in getrennten Tanks gelagert werden. Soll die Batterie Strom liefern, pumpt man die beiden Lösungen zurück und führt sie zusammen. Auf der Nordseeinsel Pellworm wurden Redox-Flow-Batterien von 2013 bis 2018 als Speicher von Windkraft- und Solaranlagen getestet. In der chinesischen Hafenstadt Dalian ist seit Mitte 2022 ein Redox-Flow-Speicher in Betrieb, der 100 Megawatt Leistung und 400 Megawattstunden Kapazität haben soll. In einer zweiten Ausbauphase sollen Leistung und Kapazität verdoppelt werden.

Ein großes Netz aus kleinen Batterien

Auch die Akkus von Elektroautos könnten als Speicher für Strom aus erneuerbaren Quellen dienen.

Strom lässt sich nicht nur in großen, zentralen Anlagen, sondern auch in vielen, voneinander unabhängigen Batterien mit relativ geringer Kapazität speichern. Diese können auch eigentlich für einen ganz anderen Zweck vorgesehen sein, zum Beispiel die Batterien von unterbrechungsfreien Stromversorgungen für Telekommunikationsanlagen und Computerserver. Über ein intelligentes Stromnetz, ein "Smart Grid", könnte man solche vergleichsweise kleinen Batterien so ansteuern, dass sie sich wie ein großer Speicher verhalten. Bei Überangebot laden sich alle gleichzeitig auf. Wenn es Verbrauchsspitzen gibt, speisen sie parallel den Strom wieder ins Netz. Auch die Akkus von Elektrofahrzeugen könnten als Speicher dienen, wenn sie beim Nachladen ans Stromnetz angeschlossen sind - vorausgesetzt, dass sie dabei keinen Schaden nehmen und ausreichend geladen sind, wenn das Auto fahren soll.

Mit überschüssigem Strom Wasser spalten

Der Elektrolyseur spaltet Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff.

Überschüssiger elektrischer Strom ließe sich auch dazu benutzen, Wasser in seine chemischen Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Mit dem Wasserstoff könnte man Gasturbinen und Automotoren antreiben. Allerdings vertragen herkömmliche Gasturbinen Wasserstoff nur als kleine Beimengung. Wasserstoffautos kommen wegen ihrer geringen Verbreitung in Deutschland auf absehbare Zeit ebenfalls nicht als relevante Verbraucher in Frage. Das Gleiche gilt für Fahrzeuge, die Brennstoffzellen als Energiequellen nutzen.

Elektrischen Strom in Erdgas verwandeln

Die Methanisierungsanlage in Werlte produziert Erdgas, das als Treibstoff für Autos dient.

Man könnte den Wasserstoff aber auch in eine bereits existierende Infrastruktur einbinden: Dazu wird Wasserstoff mit Kohlendioxid kombiniert und so Methan erzeugt. Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas, das sich in Gasmotoren und -kraftwerken verbrennen lässt. Nutzt man dieses Methan, um wieder Strom zu erzeugen, erhält man allerdings nur etwa 35 Prozent der ursprünglichen Energie. Der Wirkungsgrad dieser Technik ist damit zwar gering, aber mit dieser Speicherkapazität ließen sich auch lange Starkwindphasen nutzen, ohne das Stromnetz zu überlasten oder den Strom verschenken zu müssen.