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Batterien, Sand und Beton:
Die Suche nach dem Superspeicher

Wind und Sonne haben genug Kraft, um die ganze Menschheit mit Energie zu versorgen. Doch unsere Stromnetze sind nicht auf die erneuerbaren Energieträger ausgelegt, das Problem der Speicherung ist noch nicht gelöst.

03.12.2019
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Wind und Sonne sind extremer Fluktuation unterworfen und stellen die Netze vor enorme Herausforderungen; nur mit einer modernen und intelligenten Netzinfrastruktur lässt sich die Energiewende schaffen02. Unsere heutigen Stromnetze dienen nur der Energieübertragung, das bedeutet, dass die Erzeugung und der Verbrauch zu jedem Zeitpunkt im Gleichgewicht sein müssen. An diese Grundregel halten sich Sonne und Wind aber nicht. Daher braucht es Möglichkeiten, um überschüssigen Strom aufbewahren zu können.

Als 1994 in Wagram an der Donau Österreichs erste moderne Windkraftanlage zur Stromerzeugung gebaut wurde, galt das noch als Spinnerei von technikbegeisterten Bastlern. Die meisten Meteorologen waren sich einig, dass die Alpenrepublik kein guter Standort für Windenergie sei, da die Windpotenziale viel zu gering wären. Heute stehen im Land fast 1.400 Windkraftanlagen, sie decken immerhin 11 Prozent des österreichischen Strombedarfs. Im Burgenland wird durch Windkraft sogar mehr Strom produziert, als verbraucht wird.

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Mehr Windräder, mehr Widerstand

Bis zum Jahr 2030 soll der Anteil der Windenergie am gesamten Stromverbrauch auf etwa ein Fünftel steigen. Dafür müssten allerdings rund 120 Windräder pro Jahr gebaut werden; ein derzeit höchst unrealistisches Szenario. So werden 2019 bis Ende des Jahres in Österreich nur etwa 50 Windräder gebaut worden sein. Die Windpotenziale sind also vorhanden, es mangelt jedoch an der Fähigkeit zur Ausschöpfung. Und das, obwohl allein in den vergangenen fünf Jahren 2,3 Milliarden Euro in den Windkraftausbau investiert wurden – so viel wie in kaum einem anderen Industriezweig.

Doch wo Windparks geplant sind, gründen sich oft Bürgerinitiativen, die sich dem Bau entgegenstellen – aus Gründen des Naturschutzes oder des Tourismus. Der Großteil der Bevölkerung sieht Windräder immer noch als Verschandelung und nicht als ästhetische Bereicherung des Landschaftsbilds. Verschärft werden die Konflikte dadurch, dass die Anlagen nicht nur leistungsstärker, sondern auch immer größer werden. Der Trend in der Windenergie geht ganz klar zu höheren Windrädern, da die Windkraft mit steigender Entfernung zum Boden zunimmt.

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Wind und Sonne reichen aus

Global betrachtet könnten wir allein mit Sonnen- und Windkraft ein Vielfaches der Energie produzieren, die wir benötigen. Schon 2009 kamen Wissenschaftler der US-Universität Harvard zum Ergebnis, dass selbst unter konservativen Annahmen das weltweite Windenergiepotenzial den globalen Strombedarf um das Vierzigfache und den Gesamtenergiebedarf um das Fünffache übersteigt. Für die Potenziale der Solarenergie gibt es sehr unterschiedliche Studienergebnisse, die von mindestens einem Dreifachen bis hin zum Neunzigfachen des weltweiten Gesamtenergiebedarfs ausgehen. Der Grund für diese höchst verschiedenen Einschätzungen sind auseinandergehende Annahmen zur technischen Nutzung der Sonnenstrahlung. Um das Potenzial der Sonnenkraft zu veranschaulichen: Innerhalb von einer Stunde erreicht die Erde so viel Energie durch Sonnenstrahlen, wie die Menschheit in einem ganzen Jahr verbraucht.

Eine Studie des Berliner Mercator Research Institute, das sich mit den wirtschaftlichen Folgen des Klimawandels auseinandersetzt, kommt zum Schluss, dass der Anteil von Photovoltaikanlagen an der globalen Stromversorgung mehr als dreimal so groß sein könnte, wie in den optimistischsten Szenarien des letzten IPCC-Berichts angenommen. Wenn der globale Ausbau im gleichen Tempo wie in den vergangenen Jahren voranschreitet, könnte der Anteil der Solarenergie statt bei 5 bis 17 Prozent eher bei 30 bis 50 Prozent liegen – sogar dann, wenn der weltweite Strombedarf weiter zunimmt.

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Aufbewahrung von Strom

Doch auch wenn wir die Potenziale von Wind und Sonne immer besser nutzen können, stehen wir immer noch vor dem großen Problem der Energiespeicherung. Die Suche nach dem Superspeicher der Zukunft läuft bereits seit Jahren. Wie so oft könnte die Lösung ein Mix aus unterschiedlichen Technologien sein, eine Mischung aus altbewährten und neuen Methoden, um so sowohl langfristige (z.B. jahreszeitenbedingte) als auch kurzfristige Schwankungen (Windflauten, bedeckter Himmel etc.) auszugleichen.

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Pumpspeicher vs. Batterien

Zu den altbewährten Instrumenten gehören Pumpspeicherkraftwerke. Sie können große Energiemengen aufnehmen und sind vor allem im Zusammenhang mit der Versorgungssicherheit von zentraler Bedeutung, da sie im Fall von Stromausfällen dazu geeignet sind, das Netz binnen weniger Minuten wieder hochzufahren. Der große Nachteil liegt vor allem darin, dass in jedem Pumpspeicherkraftwerk deutlich mehr Strom zum Hochpumpen benötigt wird, als beim Herunterfließen wieder zurückgewonnen werden kann. Ihr Wirkungsgrad liegt dennoch bei bis zu 80 Prozent. Und: Pumpspeicher eignen sich nicht, um kurzfristige Schwankungen im Minuten- oder gar Sekundentakt auszugleichen.

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Hierfür sind Batterien die bessere Alternative. Der niederösterreichische Energieversorger EVN und die TU Wien forschen an einem Lithium-Ionen-Batteriespeicher, der innerhalb weniger Sekunden Netzschwankungen ausgleichen soll. Obwohl diese Speicher extrem flexibel sind und außerdem einen Wirkungsgrad von bis zu 85 Prozent aufweisen, gibt es auch hier Nachteile: Obwohl die Kosten für Batteriespeicher bereits drastisch gefallen sind, sind sie immer noch hoch. Außerdem können selbst modernste Batterien nur einen Bruchteil der Energie aufnehmen, die Pumpspeicher aufnehmen können.

Auf der einen Seite gibt es also sehr große langfristige und dafür aber vergleichsweise unflexible Speicher, auf der anderen Seite flexible, kurzfristige, dafür aber teure und kleine Speicher.

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Einer für alle, alle für einen

Ein Ausweg könnte die Vernetzung bereits existierender Batterien sein. Die EVN stellte hierzu im November einen Plan vor, der es ermöglichen soll, Hausbatterien ins Stromnetz zu integrieren und zu einer virtuellen Groß-Batterie, der größten Batterie Österreichs, zusammenzuschalten. „Wie in einem Ameisenbau soll durch die Vernetzung vieler einzelner Einheiten – wie etwa Haushalts-Batteriespeicher – ein intelligentes, großes Ganzes entstehen“, präsentierte EVN-Sprecher Stefan Zach die Idee des Forschungsprojekts. Auch in Indien und vielen anderen Ländern, die den Ausbau der Erneuerbaren stark vorantreiben04, entstehen solche virtuellen Kraftwerke. Dort werden nicht nur Haushaltsbatterien, sondern Windräder, Solar- und Biogasanlagen miteinander verknüpft, um Schwankungen auszugleichen. In diesem Zusammenhang könnten auch Elektroautos eine wichtige Rolle spielen; denn sie könnten ebenfalls in das Batterie-Netz integriert werden.

In die Batterieforschung fließen weltweit Milliarden: Gesucht wird ein langlebiger, leistungsstarker und günstiger Speicher. Vor allem auf den sogenannte Festkörper-Batterien beruhen die Hoffnungen der Wissenschaftler. Doch bis diese wirklich marktreif sind, dauert es noch mindestens sechs Jahre, schätzen Experten.

Sand als Energiespeicher

Eine Technologie, die schon morgen umgesetzt werden und dabei die Lücke zwischen kurz- und langfristiger Speicherung füllen könnte, wurde vor wenigen Wochen am International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA) in Laxenburg vorgestellt. Der Wissenschaftler und Energieexperte Julian Hunt möchte Energie in Sand speichern. Im Prinzip funktioniert die Methode ähnlich wie ein Pumpspeicher.

An einem steilen Berghang werden dazu zwei Kräne errichtet; einer am unteren, der andere am oberen Ende des Hangs. Bei der Speicherung werden zunächst im Tal Behälter mit Sand gefüllt und nach oben transportiert. Wenn Energie benötigt wird, werden die Behälter oben befüllt und ins Tal geschickt. Dadurch wird Strom erzeugt. Die Methode könnte auch in wasserarmen Regionen angewendet werden und ist in der Umsetzung wesentlich kostengünstiger als der Bau eines Pumpspeicherkraftwerks. Damit wäre die Technologie auch für ärmere Länder interessant.

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Speicher aus Beton

Ein norwegisches Unternehmen ist bereits einen Schritt weiter. Es stellt Speicher aus Beton her. Die Firma Energynest wandelt Strom aus erneuerbaren Quellen in Wärme um und lagert diese in Betonstelen ein. Bei Bedarf wird die gespeicherte Energie als Fernwärme oder auch wieder als Elektrizität ins Netz zurückgeführt. Vor allem für große Industrieunternehmen könnte diese Technologie von Interesse sein, da bei vielen Prozessen große Mengen an Abwärme entstehen, die bisher oft nur schlecht genutzt werden kann. Diese Unternehmen könnten aus ihrem eigenen „Abfallprodukt“ Energie in Form von Wärme und Strom zurückgewinnen.

Eine weitere bereits lang erprobte Methode ist die sogenannte Power-to-Gas-Technologie, also die Speicherung von Strom in Gas wie Wasserstoff. So könnte zum Beispiel Solarenergie aus Afrika nach Europa transportiert werden. Die Methode eignet sich zwar zur langfristigen Stromspeicherung, allerdings geht bei der Umwandlung von Strom zu Gas und zurück zu Strom bislang mehr als die Hälfte der Energie verloren. Außerdem sind unsere Gaskraftwerke nicht auf Wasserstoff ausgelegt. Geforscht wird daher an einer Speicherung in Methan, das problemlos von den konventionellen Gaskraftwerken verarbeitet werden kann. Dabei gehen im Moment noch rund 65 Prozent der Energie verloren. Experten halten die Methode daher erst dann für sinnvoll, wenn der Anteil der Erneuerbaren Energieträger bei über 70 Prozent liegt, vorher sei die Methode ökonomisch und ökologisch nicht sinnvoll. Gleiches gilt für Druckluftspeicher, die zurzeit auch noch viel zu viel Energie bei der Speicherung und Rückumwandlung verlieren.

Welche Speichertechnologien sich am Markt durchsetzen werden, ist noch nicht absehbar. Klar ist hingegen bereits jetzt, dass es nicht einen Superspeicher geben wird, sondern mehrere sich ergänzende Verfahren, um die kurzfristigen, mittelfristigen und langfristigen Bedürfnisse abdecken zu können. 

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03.12.2019

Das Rechercheteam

David Freudenthaler
Dennis Meyer

Dennis Meyer glaubt an die Macht der Bilder und des Wortes. Der Kulturwissenschaftler wurde also Fernsehjournalist. Nach Stationen beim ZDF und bei Spiegel TV zog der Hamburger nach Salzburg. Zunächst arbeitete er als freier Autor und Gestalter, dann in der Redaktion von „Talk im Hangar-7“. Jetzt widmet er sich Reportagen und Dokumentationen über Themen, die bewegen.

Johannes Strobl
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