Da in einem von Wind und Sonne dominierten Stromsystem Erzeugung und Verbrauch nicht zeitlich zusammenfallen, bedarf es umfangreicher Kapazitäten, um Energie zu speichern. Die Speicherung wird nicht in Form von Strom (elektrischer Energie) geschehen, denn die Speicherung von elektrischer Energie (für die Strom ein Synonym ist) ist zwar theoretisch in elektrischen Kondensatoren möglich, aber das ist so unvorstellbar teuer, dass es selbst in Deutschland noch nicht in Erwägung gezogen worden ist. Der Begriff Stromspeicher ist nicht korrekt und irreführend.
Tatsächlich wird die elektrische Energie zum Speichern zunächst in eine andere Energieform umgewandelt und später wieder in elektrische Energie zurückverwandelt. Beides kostet Geld und bringt mehr oder weniger hohe Umwandlungsverluste mit sich. Folgende Energieformen stehen zur Verfügung:
- elektrochemische Energie in Batterien
- mechanische Energie, z.B. Pumspeicherkraftwerke
- chemische Energieträger, z.B. Wasserstoff und seine Derivate
Soweit der Strom beim Verbraucher für die Erzeugung von Wärme oder Kälte genutzt wird, kann die Energie auch vor Ort als thermische Energie gespeichert werden (z.B. Warmwasserspeicher, Nachspeicherheizungen). In diesem Fall findet keine Rückverstromung statt. Die Kriterien zur Bewertung von Energiespeichern sind:
- Gesamtkosten für den Prozess Umwandeln – Speichern – zurückverwandeln
- Die Leistungsdichte, damit ist die Geschwindigkeit, mit der die Energie dem Speicher zugeführt oder entnommen werden kann, gemeint
- Die Energiedichte, damit ist die Energie bezogen auf die Masse des Speichermdiums gemeint
- Die energetischen Umwandlungsverluste für den Gesamtprozess
- Die Verfügbarkeit hinsichtlich Rohstoffen, Topografie etc.
Die Auseinandersetzung mit der zeitlichen Charakteristik des Speicherbedarfs offenbart drei Speicherzeitbereiche:
- Kurzfristig: Ein- und Ausspeichern innerhalb eines Tage, z.B. um den PV-Strom vom Nachmittag bis zum nächsten Vormittagzu speichern
- Mittelfristig: Ein- und Ausspeichern innerhalb einer Woche, z.B. um Tage mit mehr oder weniger Wind bzw. Sonne oder Minderbedarf an Wochenenden auszugleichen
- Langfristig: über eine Woche hinaus bis zum saisonalen Ausgleich und auch um z.B. windschwache und windstarke Jahre oder kalte und warme Winter auszugleichen, also Mehrjahresspeicher
Je nach Einsatzbereich ergibt sich eine unterschiedliche Gewichtung der o.g. Bewertungskriterien. Batterien haben den Vorteil geringer Umwandlungsverluste, sehr hoher Leistungsdichte und ausreichender Energiedichte. Die Kosten für die Energieumwandlung sind wegen des geringen Umwandlungsverlustes überschaubar. Bei Batterien sind die Funktionen zur Energieumwandlung (Strom-chemische Energie-Strom) und zur Speicherung gerätetechnisch integriert. Deswegen sind die Kosten für die eigentliche “Lagerung” sehr hoch. Bei Redox-Flow-Batterien, für die es noch keinen wirtschaftlichen Durchbruch gibt, ist das nicht so. Hier wird das Elektrolyt extern gespeichert.
Bei den chemischen Energieträgern sind die Umwandlungsverluste sehr hoch. Bei der Wasserelektrolyse geht rund ein Drittel der eingesetzen Energie in Form von Niedertemperaturwärme verloren. Bei der Rückverstromung ist es noch wenigstens ebensoviel. Allerdings lässt sich die Abwärme unter Umständen nutzen. Dafür ist die Energiedichte sehr hoch, so dass sehr große Mengen an Energie gespeichert werden können. Dies kann z.B. in ausgedienten Erdgasspeichern passieren, wo es ein ausreichendes Potenzial gibt. Bei langen Speicherzeiten fallen die Kosten der Umwandlungsverluste nicht mehr so ins Gewicht. Das „lagern“ selbst ist sehr kostengünstig.
Nachstehende Abbildung veranschaulicht die unterschiedliche Charakteristik der Kostenstrukturen von unterschiedlichen Energieträgern. Schon im Mittelfristbereich ist Wasserstoff den Batterien wirtschaftlich weit überlegen. Batterien sind im Kurzfristbereich von Vorteil und können den tageszeitlichen Verlauf von Solarstromerzeugung und Stromverbrauch ausgleichen.
Die Energiedichte bei mechanischen Speichern ist sehr gering. Die Leistungsdichte bei Pumpspeicherkraftwerken ist innerhalb eines Ein- oder Ausspeichervorgangs sehr gut, aber das Umschalten von einem zum anderen erfordert ein paar Stunden, so dass die Flexibilität eingeschränkt ist. Die Kosten liegen deutlich unter denen von Batterien, aber das topographische Potenzial in Deutschland ist begrenzt. Es wird deswegen nur ein geringer Ausbau erwartet.
