Energiespeicher für den Klimawandel

Warum brauchen wir moderne Energiespeicher?

Der Klimawandel ist allgegenwärtig und wird sich auf verschiedene Arten bei jedem bemerkbar machen, seien es häufigere große wetterbedingte Katastrophen, Dürren und die Veränderung von Landstrichen durch den Anstieg unserer Meeresspiegel. Der Einsatz erneuerbarer Energien ist alternativlos, um auf fossile Energieträger zu verzichten und so immer weniger CO₂ zu emittieren.

Ein großes Problem von erneuerbaren Energien ist allerdings, dass sie nicht konstant über den Tag Energie erzeugen, sondern von vielen Faktoren abhängig sind. Anhand der Wind- und Sonnenenergie kann dies am besten verdeutlicht werden, das Stromnetz braucht zu jedem Zeitpunkt eine gewisse Menge Energie im Stromnetz, um alle Verbraucher versorgen zu können. Die Menge schwankt aber durchaus: nachts sind die meisten Verbraucher in Privathaushalten beispielsweise abgeschaltet, oder auch vormittags, wenn der Großteil bei ihrem Nine to Five Job ihrer Arbeit nachgeht. Der Energiesektor muss diese Verbraucher konstant versorgen.

Gerade Windräder zeigen, wie schwierig es ist Planungssicherheit im Energiesektor zu haben, denn wenn kein Wind weht, kann auch kein Strom erzeugt werden, vergleichbar mit der Sonne, bei wenigen Sonnenstunden. Um diese Schwankungen auszugleichen, müssen in Zukunft Energiespeicher eingesetzt werden, damit kann eine konstante Energieversorgung bereitgestellt werden und Schwankungen zuverlässig abfangen. Ingenieure und erfahrene Spezialisten arbeiten an immer neuen Lösungen für diesen Bereich und kombinieren dabei alte erprobte Speichermedien mit immer neuen vernetzten Lösungen.

Pumpspeicherkraftwerke und Druckluftspeicher

Um die großen Energiemengen speichern zu können, bedient man sich überwiegend sehr großer mechanischer Anlagen. Die größten und am häufigsten eingesetzten Anlagen sind Pumpspeicherkraftwerke. Dabei wird bei einem Überschuss an Energie, Wasser einen Hang hochgepumpt und in einem See gespeichert. Dieser See ist nun der Energiespeicher, solange sich das Wasser auf einem höheren Niveau befindet, ist die potentielle Energie des Mediums erhöht.

Muss dem Netz dann Energie bereitgestellt werden, kann dieses Wasser jetzt abgelassen und durch Turbinen wieder in das ursprüngliche Gewässer geleitet werden, wodurch die potentielle Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Energiedichte variiert dabei, ausschlaggebend ist die hochgepumpte Strecke und damit die potentielle Energie. In der Regel sind die Höhenunterschiede zwischen 70 und 600 Metern, die Energiedichten damit bei 200 und 1600 Wattstunden pro Kubikmeter. Damit werden Wirkungsgrade zwischen 70 und 80 Prozent erreicht.

Auf eine ähnliche Art werden auch Druckluftspeicher verwendet, dabei wird Luft in ein luft-dichtes Behältnis eingelassen und stark verdichtet.  Die Größen dieser Tanks können dabei stark variieren, kleineren Drucklufttanks bis zu riesigen Kavernen in Salzstöcken. Dabei wird durch das Soleverfahren ein großer luftdichter Raum bereitgestellt, der dann als eine solche Kaverne fungiert.

Elektrische und elektrochemische Speicher

Werden große Blöcke von elektrischen oder elektrochemischen Speichern wie Lithium-Ionen-Batterien zusammengestellt, geben diese meist ein einfach aufgebautes Speichersysteme im kleineren Format. Mittlerweile gibt es solche Lösungen auch für den Privathaushalt, in Form einer Wallbox, bei der das Elektroauto mit seinen großen Batterien als Energiespeicher fungiert und tagsüber Strom an das Netz abgeben kann, wenn es nicht mehr benutzt werden muss und nachts bei Stromüberschuss die Akkus wieder laden kann.  Es werden aber auch vermehrt große zentrale Batteriespeicher bereitgestellt, um als Pufferanlage für regionale Fotovoltaikanlagen zu dienen.

Power-to-Gas

Bei der Power-to-Gas-Lösung wird Wasser mit dem Elektrolyseverfahren in Wasserstoff umgewandelt. Dabei kann Wasserstoff wie Erdgas verwendet werden und auch das bestehende Erdgasnetz und dessen Erdgasspeicher benutzt. Damit wird ein einfacher Transport, zum Beispiel von der Küste mit ihren großen Off-Shore-Anlagen in den Süden ermöglicht, wo eher wenig Windräder stehen. Energie wird also im Gas Wasserstoff gespeichert, bei Bedarf in Gaskraftwerken verbrannt und in elektrische Energie umgewandelt. Man spricht dann von Gas-to-Power Anlagen und diese würden sich theoretisch auch in kleinen Brennstoffzellen vor Ort oder in großen Gaskraftwerken realisieren.

Power-to-Liquid

Nachdem der überschüssige Strom durch Elektrolyse in Wasserstoff umgewandelt wurde, kann dieser Wasserstoff nun auch in einen synthetischen Kraftstoff umgewandelt werden. Auch damit lässt sich Energie leicht speichern und bei Bedarf wieder in elektrische Energie umwandeln und dem Netz bereitstellen.

Andere Speichermedien

Es gibt noch diverse andere Möglichkeiten der Speicherung von Energie, gerade bei thermischen Speichern und elektrochemischen Speichern wird noch viel geforscht, um bestehende Lösungen zu optimieren, oder aber neue Lösungen zu finden. Als Beispiele seien hier Redox-Flow Batterien genannt, bei der keine seltenen Rohstoffe zum Einsatzkommen, oder SaltX-Anlagen, bei der Salz das Speichermedium zum Einsatz kommt.

Fazit

Es gibt schon einige erprobte Lösungen, um große Mengen Energie zu speichern. Ohne diese Speichermedien kann die erneuerbare Energie, keine fossilen Energieträger ersetzen. Allerdings hat jede Speicherart seine Vor- und Nachteile, so können große Pumpspeicherkraftwerke riesige Mengen an Energie speichern, stellen aber auch einen großen Eingriff in die Natur dar und geeignete Orte, um solche Kraftwerke zu bauen sind rar gesät. Die große Aufgabe der Ingenieure wird nun sein, den Spagat zwischen Effizienz und Umweltverträglichkeit zu schaffen.

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