Wohin mit dem grünen Strom?

Solar- und Windkraftanlagen sollen künftig einen immer größeren Teil des Energiebedarfs decken, aber auch unsere Gebäude werden verstärkt dazu beitragen, regenerative grüne Energie zu erzeugen. Das Versorgungsnetz auch dann stabil zu halten, wenn keine Sonne scheint oder eine Flaute herrscht, braucht es Lösungen, um Ökostrom effizient zu speichern. Ansätze gibt es viele.

Mit der Energiewende hat die Politik eine der größten Strukturreformen in der deutschen Geschichte eingeleitet. Bis 2050 sollen regenerative Quellen den überwiegenden Anteil des Energiebedarfs decken. Dementsprechend bevorzugt das aktuelle Einspeisegesetz (EEG) Strom aus Solar- und Windkraftanlagen. Wann immer in Deutschland der Wind weht oder die Sonne scheint, können Anbieterinnen und Anbieter zu festen Konditionen ihre erneuerbare Energie ins Versorgungsnetz einspeisen.

Innovativ geplante Gebäude und mittlerweile auch ganze Quartiere im Energieplus-Standard leisten ebenfalls mit einem Energieüberschuss einen entscheidenden Beitrag zur Energiewende. Dabei geht es den Vorreitern der Plusenergiekonzepte mittlerweile längst nicht mehr nur darum, nur den eigenen Bedarf eines Gebäudes zu decken, also energieautark zu wirtschaften. In Zukunft sollen die erzeugten Überschüsse unmittelbar an das Quartier weitergegeben werden und dieses mitversorgen. Die Forschung auf dem Gebiet der Speichermedien wird mit hohem Engagement vorangetrieben, es gibt mittlerweile eine Vielzahl an Lösungen für Warmwasser-, Latentwärmespeicher oder thermochemische Energiespeicherung.

Der schrittweise Umstieg auf regenerative Energiequellen im großen Maßstab ist technisch mit zwei großen Herausforderungen verbunden. Neben dem Ausbau der Stromautobahnen muss langfristig auch die Stabilität des Netzes gesichert werden. Knackpunkt ist das neue Prinzip bei der Stromproduktion. Anders als Gas- und Kohlekraftwerke leiten regenerative Erzeugungsanlagen ihren Strom nicht bedarfsorientiert ins Netz, also dann, wenn er gerade gebraucht wird, sondern wenn die Anbieterinnen und Anbieter ihn herstellen können. Speicherkonzepte, die Versorgungslücken verhindern, werden somit zu unverzichtbaren Bausteinen des zukünftigen Energiesystems.

Doch Energie in Form von Strom zu speichern, ist nicht einfach. Nur wenige Lösungen haben sich bislang bewährt, viele Ansätze befinden sich noch in der Entwicklung. Hier stellen wir fünf vielversprechende Methoden vor:

Erdgasnetz als Speicher

Große Hoffnungen setzt die Energieforschung künftig in das „Power-to-Gas“-Verfahren. Dabei wird überschüssiger Strom aus Windkraft und Photovoltaik dazu verwendet, Wasser mittels Elektrolyse in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Der Wasserstoff wird anschließend in einem biologischen Verfahren durch Zugabe von CO2 in Methan umgewandelt. Dieses lässt sich danach als Brennstoff nutzen oder im Gasnetz einlagern und bei Bedarf zurückverstromen. Hierbei liegt der Wirkungsgrad allerdings in der Regel noch bei unter 40 Prozent. Dennoch ist das Potenzial von „Power to Gas“ riesig: Erneuerbares Erdgas speichert den Strom langfristig und ist jederzeit abrufbar. Die bestehende Erdgasinfrastruktur kann mit ihrem Speicherreservoir von über 200 Terawattstunden Energie für Monate vorrätig halten.

Unterirdische Druckluftspeicher

In Druckluftspeicherkraftwerken wird bei einem Stromüberangebot durch einen elektrischen Verdichter Luft komprimiert und unter hohem Druck in unterirdische Zellen, sogenannte Kavernen, gepresst. Wenn sich der Energiebedarf im Versorgungsnetz wieder erhöht, kann die Luft freigesetzt und wie beim Pumpspeicherkraftwerk zum Antrieb einer Turbine genutzt werden. Eine Test- und Demonstrationsanlage für ein effizientes Druckluftspeicherkraftwerk entsteht momentan in Staßfurt in Sachsen-Anhalt. Die vorangegangenen Forschungstätigkeiten des Instituts für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben dem Projekte Adele (Adiabater Druckluftspeicher für die Elektrizitätsversorgung) den Weg geebnet, jetzt geht es darum, die Machbarkeit und vor allem die Wirtschaftlichkeit unter Beweis zu stellen.

Submarine Druckluftspeicher

Die Lösung für das Speicherproblem könnte auch unter Wasser liegen. Die Universität Nottingham entwickelte riesige Ballons aus Kunstgewebe, die durch Stahlkonstruktionen am Meeresboden befestigt sind. Dank ihnen reduzieren sich die Druckveränderungen beim Ablassen der Kompressionsluft aufgrund des hohen von außen wirkenden Wasserdrucks automatisch auf ein Minimum. Das Speicherpotenzial ist beachtlich, allerdings räumen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nach der vierjährigen Forschungsphase ein, dass diese Speichermethode nur in sehr großen Wassertiefen rentabel sei. Wie populär der Ansatz submariner Speicher trotzdem ist, zeigt ein Projekt aus Kanada. Dort entwickelte ein Unternehmen in Kooperation mit E.ON auf Basis der Forschungserbnisse aus Nottingham nun sogenannte „Energy Bags“ zur Druckluftspeicherung unter Wasser.

Pumpspeicherkraftwerk

Eines der aktuell leistungsstärksten Systeme zur Stromspeicherung ist das Pumpspeicherkraftwerk. Es gilt derzeit als großtechnische Standardlösung, um Energie aus Solar- und Windkraftanlagen zu einem späteren Zeitpunkt nutzbar zu machen. Dabei verwendet das Kraftwerk den zu viel produzierten Strom, um Wasser in ein höher gelegenes Reservoir zu pumpen. Sobald die Nachfrage nach Energie wieder steigt, wird das gestaute Wasser über Fallrohre zu Turbinen abgelassen, die erneut Elektrizität erzeugen. Der Wirkungsgrad dieses Verfahrens liegt je nach Anlagentyp zwischen 60 und 80 Prozent. In Deutschland sind aktuell rund 30 solcher Pumpspeicherwerke mit einer Gesamtleistung von 6,5 Gigawatt in Betrieb. In Atdorf soll im 2018 das größte Pumpspeicherkraftwerk Europas an das Netz angeschlossen werden.

Elektroautos als Stromspeicher

Eine zentrale Rolle als mobiler Stromspeicher könnten in den kommenden Jahrzehnten Elektroautos übernehmen. Nicht benötigter Strom würde dann künftig von den Batterien der E-Mobile aufgenommen. Umgekehrt könnten die Besitzerinnen und Besitzer geregelt Strom aus den Auto-Akkus ins Netz einspeisen, wenn dieser knapp wird oder eine besonders starke Nachfrage herrscht. Voraussetzung für die Realisierung dieses Konzepts ist eine flächendeckende Verbreitung batterieelektrisch betriebener Fahrzeuge. Zudem muss die Batterietechnologie weiterentwickelt werden. Nach den ersten Prototypen von Plus-Energiehäusern mit angeschlossener Elektromobilität bei Neubauten und Sanierungsobjekten im Maßstab von Einfamilienhäusern und deren wissenschaftlicher Auswertung im Rahmen von Monitoringphasen, findet das Konzept nun immer häufiger und auch bei größeren Objekten Anwendung.