Energiespeicher dienen der Speicherung von momentan verfügbarer, aber nicht benötigter Energie zur späteren Nutzung. Diese Speicherung geht häufig mit einer Wandlung der Energieform einher, beispielsweise von elektrischer in chemische Energie (Akkumulator) oder von elektrischer in potenzielle Energie (Pumpspeicherkraftwerk). Im Bedarfsfalle wird die Energie dann in die gewünschte Form zurückgewandelt. Sowohl bei der Speicherung als auch bei der Energieumwandlung treten immer – meist thermische – Verluste auf.
Einteilung und Übersicht Nach Energieform mini|Fernwärmespeicher des Kraftwerkes Theiß mit 50.000 m³ Inhalt, welcher das Fernwärmenetz Krems speist. Speichervermögen 2 GWh mini|Batterieraum Energiespeicher werden nach der gespeicherten (Haupt-)Energieform klassifiziert. Oft wird aber beim Auf- oder Entladen des Speichers eine davon abweichende Energieform verwendet. Beim Akkumulator wird beispielsweise elektrische Energie zugeführt; diese wird während des Aufladens in chemische Energie umgewandelt: Thermische Energie: Wärmespeicher, Fernwärmespeicher, Thermochemische Wärmespeicher, Latentwärmespeicher, Gasverflüssigung durch Kälte Chemische Energie: anorganisch: galvanische Zelle (Batterie, Akkumulator), Redox-Flow-Batterie, Wasserstoff organisch: ADP, ATP, AMP, Glykogen, Kohlenhydrate, Fette, Chemische Wasserstoffspeicher Mechanische Energie: Kinetische Energie (Bewegungsenergie): Schwungrad bzw. Schwungradspeicher Potentielle Energie (Lageenergie): Feder, Pumpspeicherkraftwerk, Druckluftspeicherkraftwerk, Hubspeicherkraftwerk Elektrische Energie: Kondensator, Supraleitender Magnetischer Energiespeicher
Daneben wird der Begriff teils auch für Behälter benutzt, die selbst keine Energie, sondern Brenn- oder Kraftstoffe oder andere Speichermedien aufnehmen: Kavernenspeicher für Rohöl, Erdgas und Druckluft Kohlehalde als Lagerort für Kohle Biogasspeicher, die etwa eine Tagesproduktion eines Biogaskraftwerks zwischenspeichern können. Porenspeicher für Erdgas Stauseen zur Regulierung des Zuflusses für Wasserkraftwerk sowie als Speicher für Speicherkraftwerke Lagertank und Kraftstofftank Adsorptionsspeicher
Oft wird auch die Brennstoffzelle als Energiespeicher bezeichnet. Sie ist jedoch nur in der Lage, elektrische Energie aus chemischen Reaktionen zu gewinnen und zählt somit zu den Energiewandlern, nicht zu den Energiespeichern.
Nach Speicherdauer Zudem lassen sich Energiespeicher anhand der Speicherdauer in Kurzzeit- und Langzeitspeicher unterteilen. Beispielsweise erfordern unterschiedliche Schwankungsmuster bei der Stromerzeugung mittels Photovoltaik (PV) und Windkraftanlagen einerseits und dem Stromverbrauch andererseits Speicherkapazitäten für verschieden lange Zeiträume. Je nach betrachteter Zeitskala kommen verschiedene Technologien zum Einsatz, wobei sich folgende Zeitfenster ausmachen lassen:Ludwig Einhellig, Andreas Eisfelder: In: Energiewirtschaftliche Tagesfragen, 2012, S. 34; abgerufen am 22. April 2015.
Subsekundenbereich bis zu wenigen Minuten (Einspeisefluktuationen); bis zu einem Tag (z. B. PV-Tagesmuster); bis zu drei Tagen (Zufallsschwankungen); ein bis zwei Wochen (anhaltende Stark- oder Schwachwindperioden); mehrere Wochen bis Monate (saisonaler Ausgleich).
Kurzzeitspeicher speichern die jeweilige Energie für Sekundenbruchteile bis zu einem Tag, besitzen einen hohen Speicherwirkungsgrad und weisen hohe Zyklenzahlen auf. Zu ihnen zählen u. a. Schwungmassenspeicher, Kondensatoren, Spulen (als Sekundenspeicher), Akkumulatoren (als Minuten- bis Tagesspeicher) und Pumpspeicher und Druckluftspeicher als (Stunden- bis Tagesspeicher). Auch verschiedene latente und sensible Wärmespeicher können als Minuten- bis Tagesspeicher eingesetzt werden.
Langzeitspeicher können Energie hingegen über Tage bis Jahre speichern und besitzen pro Leistungseinheit ein sehr hohes Energiespeichervermögen. Sie weisen eine niedrige Selbstentladung auf und haben geringere Speicherwirkungsgrade sowie niedrigere Zyklenzahlen als Kurzfristspeicher. Zu ihnen zählen Gasspeicher, sensible und latente Wärmespeicher, Fernwärmespeicher, Brenn- und Kraftstoffe sowie manche Pumpspeicher.Michael Sterner, Ingo Stadler: Energiespeicher – Bedarf, Technologien, Integration. Springer, Berlin 2014, S. 41f.
Speichern elektrischer Energie Elektrische Energie lässt sich nur in verhältnismäßig geringen Mengen in Kondensatoren oder supraleitenden Spulen direkt speichern. Deshalb ist es wirtschaftlicher, die Energie verlustbehaftet in eine andere Energieart umzuwandeln und bei Bedarf wiederum mit Energieverlust zurückzuwandeln. Während der Speicherdauer verliert der Speicher selber Energie. Die Summe aller Einzelverluste kann erheblich sein und das Verfahren insgesamt unwirtschaftlich machen.
Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens steht bei Energiespeicherung meist im Vordergrund, also die Investitions- und Betriebskosten der Anlage und der Gesamtwirkungsgrad. Es geht zumindest bei großen Anlagen meist nicht um eine kurzfristige Leistungserhöhung. Bei sehr kleinen Anlagen wie beim Elektronenblitz steht manchmal die Leistungserhöhung im Vordergrund, weil beispielsweise die ursprüngliche Energiequelle nicht ausreichend Leistung abgeben kann. Auch hybride Speichersysteme sind möglich, um längerfristig geringe oder kurzfristige hohe Leistungsbedarfe bereitzustellen.
Bei häuslichen Photovoltaikanlagen werden derzeit ausschließlich Batteriespeicher eingesetzt.
VerfahrenStromspeicher-Technologien im Vergleich, auf energieverbraucher.de max. Leistung in MW Lebensdauer in Zyklen Wirkungsgrad in % Selbstentladung in %/h Investition in €/kWh Speicherkapazität Kosten je gespeicherter kWh in €-Cent Energiedichte in Wh/kg Typ. Zeit der Entladung bei üblicher Baugröße Normaler Kondensator 0,01 95 0,01 0,03 0,01 s Superkondensator 0,1 90 0,2 10.000 5 100 s supraleitende Spule 7 90 ? 30–200 0,03 0,01 s Schwungrad (Stahl, alte Bauart) 3.000 min−1 15 90 3–20 5000 6 100 s Schwungrad (aufgewickelter CFK) 80.000 min−1 50 (PDF; 1,1 MB) beaconpower.com; abgerufen am 2. Oktober 2010. 95 0,1–10 500–1000 100 s Batteriespeicher mit Bleiakkumulatoren 27Batteries for Large-Scale Stationary Electrical Energy Storage (PDF; 826 kB), The Electrochemical Society Interface, 2010, (englisch) Geschlossene Bleibatterie abgerufen Juni 2016 80 0,01 100 30–120 4 h LiFePO4 Akkumulator ? 8000 bei 100 % Entladungsgrad (DOD) Seite 8: nach 8000 Ladezyklen mit 100 % DOD 74 % Restkapzität (Anmerkung: Akku kam 2009 auf den Markt); abgerufen am 6. Februar 2015. 90 0,01 ca. 420Stand Anfang 2015, siehe Akkupreise 90 10 h LiPo Akkumulator ? 80 % Restkapazität nach 500 Zyklen 88 0,01 300–400 60 7 h Pumpspeicherkraftwerk Dominion; abgerufen am 21. November 2013. 80 0 71 3–5 (Speicherdauer 1 Tag) siehe Bild 4, Tagesspeicherung, Stand 2009 0,1–3,3 8 h Druckluftspeicherkraftwerk 290 ? 42siehe Kraftwerk Huntorf (Niedersachsen)–54siehe Kraftwerk McIntosh (Alabama/USA) ? PilotanlagenEs gibt weltweit zwei Anlagen (Stand 2011). Eine dritte ist in Planung, siehe Druckluftspeicherkraftwerk Staßfurt, geplante Fertigstellung 2013. 2009: 5 (Speicherdauer 1 Tag) 9 2 h Wasserstoff 0,2 30.000 hU.Bünger, W.Weindorf: Brennstoffzellen – Einsatzmöglichkeiten für die dezentrale Energieversorgung. Ludwig-Bölkow-Systemtechnik, Ottobrunn 1997. (Brennstoffzelle) 34–62Gutachten des Fraunhofer IWES zum Thema: Windgas (PDF; 2,1 MB) 0,1 Versuchsanlagen 2009: 25 (unabhängig von Speicherdauer) 33.300Technische Eigenschaften von Wasserstoff 0,5 h Methansynthese ? 30–54 (2011) >75 (2018)Forscher steigern Wirkungsgrad von Power-to-Gas Anlagen kräftig < 0,00001 Versuchsanlagen 14.000 Wochen Hochtemperatur-Wärmespeicher 40–50 0,01 VersuchsanlagenDLR Wärmespeicher HOTREG. dlr.de co2-handel.de 100–200Wärmespeicher. Telepolis.
Die Angaben beziehen sich auf die größten realisierten Anlagen im Dauerbetrieb.
Anmerkungen: Die Leistungsbeschränkung bezieht sich in allen Fällen darauf, dass die gespeicherte Energie wieder durch eine „Umwandlungselektronik“ (z. B. einen Wechselrichter) in die ursprüngliche Art zurück gewandelt werden muss – das ist im Regelfall das 50-Hz-Netz; die angegebenen Werte können ohne diese Rückumwandlung weit übertroffen werden, wenn man beispielsweise einen Kondensator oder einen Akkumulator kurzschließt – dann kann die Momentanleistung um den Faktor 10.000 oder mehr höher sein als in der Tabelle angegeben. In der Tabelle geht es aber um Energiespeicher und nicht um Leistungserhöhung. Die angegebenen Lebensdauern sind geschätzte Richtwerte und keine absoluten Grenzwerte. Beispielsweise kann ein Schwungrad lange vor Erreichen der 1-Mio-Grenze ausfallen oder früher verschrottet werden. Bei Akkus kann die Lebensdauer sehr unterschiedlich ausfallen. Ausschlaggebend dafür ist vor allem die Zellchemie und die Betriebsart. Bleibatterien haben eine eher kurze Lebensdauer, Lithium-Ionen-Akkumulatoren können je nach Betrieb bis zu mehrere 10.000 Zyklen genutzt werden (z. B. Lithiumtitanat-Akkumulator), wobei der Akkumulator meist schon bei einer Restkapazität („state of health“) von etwa 80 % als verschlissen gilt. Positiv für eine lange Haltbarkeit sind möglichst niedrige Entladeströme (in der Regel liegt die Maximalbelastung bei stationären Speichern bei etwa 0,5–1 *C), gemäßigte Temperaturen und eine geringe Entladetiefe im mittleren Ladezustandsbereich („state of charge“). Beschleunigend für die Alterung wirken vor allem länger konstante Ladezustände nahe der Grenzwerte 0 % und 100 % und hohe Temperaturen. Häufig macht eine Second-Life Nutzung von gebrauchten Traktionsbatterien Sinn, da diese zwar nicht mehr praktikabel im Fahrzeug einzusetzen sind, aber für viele Jahre in einem stationären Speicher genutzt werden können, bevor sie letztendlich recycelt werden. Der bisher größte umgesetzte Second-Use Batteriespeicher befindet sich laut Daimler in Lünen, wo gebrauchte Batterien aus Smart ed Fahrzeugen zu einem 13 MWh Energiespeicher gebündelt wurden. Auch neuwertige Traktionsbatterien können zum Einsatz kommen. So betreibt ebenfalls Daimler einen 15 MWh großen Speicher mit 3000 Ersatzmodulen für Smart-Fahrzeuge. Da die Module regelmäßig geladen werden müssen, um der Tiefentladung vorzubeugen, kann die Zyklisierung nebenbei auch noch zur Bereitstellung von Regelleistung genutzt werden. Der Zyklisierungsprozess findet laut der beteiligten Unternehmen sehr schonend statt, wodurch keine negativen Auswirkungen auf die Lebensdauer der Ersatzteile entstehen sollen. Bei Methan und Wasserstoff sind für den Wirkungsgrad jeweils die Verdichtung des Gases mit 80 bar (Erdgasleitung) berücksichtigt worden. Der bessere Wirkungsgrad bezieht sich hierbei auf die Möglichkeit der Erzeugung von Strom und Wärme (KWK).
Experimentelle Speicher
Thermovoltaik Speicher ermöglichen die Speicherung von Wärmeenergie in Graphit und deren Rückgewinnung aus Wärmestrahlung durch die Nutzung von Photovoltaikzellen. Der Wirkungsgrad liegt bei bis zu 40 % und die Graphitspeicher halten Temperaturen bis zu 2500 °C (Vgl. Dampfturbine 30 % und 1500 °C).
Speicherbedarf durch die Energiewende
mini|x300px|Karikatur zur Diskussion um die Notwendigkeit von Energiespeichern Gerhard Mester (2017)
Durch die Energiewende, die u. a. aus Umwelt- und Klimaschutzgründen sowie der Endlichkeit der fossilen Energieträger einen Umstieg von grundlastfähigen konventionellen Kraftwerken hin zu mehrheitlich fluktuierenden erneuerbaren Energien vorsieht, wird sich langfristig weltweit ein zusätzlicher Bedarf an Energiespeichern ergeben. Hierbei muss sich jede Speicherlösung ökonomisch gegen verfügbare Alternativen behaupten. Beispiele für solche Alternativen sind Demand Side Management, Demand Response, zusätzliche Stromleitungen oder die Nutzung von Synergieeffekten (z. B. zwischen Wasser- und Solar/Windenergie).