Akkus als Speicher im Stromnetz

Akkus als Speicher im Stromnetz
25 Jan 2021

Durch die Energiewende und den höheren Anteil erneuerbarer Energien werden Akkus und Batterien als Speicher im Stromnetz immer wichtiger. Sie federn die Schwankungen ab, die durch wetterabhängige Energieträger wie Solar und Windkraft entstehen, und gewährleisten einen stabilen Betrieb des Stromnetzes.

Deutschland hat sich ambitionierte klimapolitische Ziele gesetzt: Bis zum Jahr 2050 sollen die jährlichen Treibhausgasemissionen gegenüber dem Jahr 1990 um 80 bis 95 Prozent sinken, bis 2030 sollen es mindestens 55 Prozent weniger sein. Den Schlüssel für das Erreichen dieser Ziele bildet die Energiewende. Tatsächlich steigt der Anteil der erneuerbaren Energien am Stromverbrauch stetig an: von rund sechs Prozent im Jahr 2000 auf rund 42 Prozent im Jahr 2019.

Erneuerbare Energien wie Solar oder Windkraft haben aber einen Nachteil: Sie produzieren nicht zuverlässig Strom. Wenn die Sonne kaum scheint oder der Wind nur schwach bis gar nicht bläst, erzeugen entsprechende Anlagen wenig bis gar keinen Strom. Diese Schwankungen müssen die Netzbetreiber ausgleichen, um die stabile Versorgung mit elektrischer Energie zu gewährleisten. Dies gelingt entweder durch regelbare Kraftwerke oder durch Stromspeicher. Letztere werden immer wichtiger, je mehr Strom aus dezentralen Anlagen mit erneuerbaren Energien stammt. Stromspeicher entkoppeln Stromerzeugung und Stromverbrauch, gleichen die schwankende Verfügbarkeit erneuerbarer Energien aus und können auch bei Lastspitzen Strom liefern.

Akkus und andere Speichertechnologien

Es gibt eine Vielzahl möglicher Speichertechnologien mit unterschiedlichen Eigenschaften und Anwendungsfeldern. Die Palette reicht von Druckluftspeichern über Pumpspeicherkraftwerke und Supraleitern bis hin zu Batterien und Akkus (Akkumulatoren; von lateinisch accumulare: sammeln, speichern). Mit letzteren befassen wir uns in diesem Blogartikel. Elektrizität wird für das Speichern zunächst in eine andere Energieform umgewandelt. Das ist bereits mit Verlusten verbunden. Je nach Speichertyp geht während der Speicherung weitere Energie verloren. Beim letzten Schritt, wenn Energie wieder in Elektrizität zurückgewandelt wird, entstehen erneut Umwandlungsverluste.

Ein Beispiel ist ein aus Windstrom gespeister Batteriespeicher: Die Drehbewegung des Windrotors erzeugt über einen Generator Strom, den eine Batterie chemisch speichert und möglichst verlustarm vorhält. Wird der Strom benötigt, wird die chemisch gespeicherte Energie wieder in elektrische Energie umgewandelt. Ziel ist es, hier die Verluste so gering als möglich zu halten und den Wirkungsgrad zu verbessern. Batteriespeicher können kurzfristig und mit hoher Leistung Strom aufnehmen und abgeben. Moderne Lithium-Ionen-Akkus schaffen laut Bundesverband Energiespeicher (BVES) im Schnitt etwa 10.000 Ladezyklen, bevor sie ausgetauscht werden müssen.

Für die Leistungsfähigkeit eines wiederaufladbaren Akkus/Batterie ist vor allem die Energiedichte entscheidend. Diese wird in Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) angegeben. Ein Bleiakkumulator, wie er beispielsweise heute noch in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor als Starterbatterie eingesetzt wird, erreicht 40 bis 70 Wh/kg, Lithium-Ionen-Akkus beispielweise aus einem Smartphone oder einem Elektrofahrzeug erreichen über 160 Wh/kg.

Unterschiedliche Größen

Die Größe oder Kapazität eines Stromspeichers in kWh (Kilowattstunden) angegeben. Dieser Wert zeigt, wieviel Energie die Batterie oder der Akku in einem bestimmten Zeitraum aufnehmen oder abgeben kann. Die Größe dafür ist die Stunde, sprich wieviel Energie sich in einer Stunde bereitstellen lässt. Beispiel: Ein Speicher für den Einsatz in Privathäusern mit einer Kapazität von 8 kWh kann acht Stunden lang eine Leistung von einem Kilowatt abgeben oder speichern.

Es gibt Großbatterien in Größenordnungen von mehreren Megawattstunden, die meist die Reserveleistung für benachbarte fossile Kraftwerke vorhalten und deren Schwarzstart sicherstellen sollen, sprich das Anfahren eines Kraftwerks unabhängig vom Stromnetz. Die Mittelklasse unter den Batteriespeichern bietet eine Kapazität von 100 KWh aufwärts und hilft etwa Unternehmen beim Abfedern von Lastspitzen. Sie können den Stromspeicher auch als USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) nutzen, falls der Strom im Netz kurz ausfällt.

Immer häufiger kommen kleine Speicherlösungen für den Hausgebrauch im einstelligen bis niedrigen zweistelligen kWh-Bereich. Sie speichern den über die Photovoltaikanlage auf dem eigenen Hausdach erzeugten Solarstrom für den Eigenbedarf oder die Einspeisung ins Stromnetz. Auch Elektro-PKW, Elektro-Kleintransporter und -Linienbusse bieten Speicherpotenzial. Moderne Elektro-Linienbusse etwa haben eine Kapazität von rund 300 bis 400 kWh.

Lithium-Ionen-Akkus dominieren

Die wichtigsten Batteriespeicher sind aktuell Bleisäure-Batterien und Lithium-Ionen-Akkus – wobei letztere mittlerweile deutlich günstiger sind und den Markt dominieren. Eine geringe Rolle spielen derzeit noch Redox-Flow-Batterien oder Natrium-Schwefel-Batterien.

Lithium-Ionen-Akkus besitzen eine höhere Lebensdauer als Bleiakkus und können über bis zu 20 Jahre Solarstrom speichern. Die Zyklenzahl und Entladetiefe liegt hier ebenfalls deutlich höher und gleicht so die höheren Kosten aus. Zudem bieten sie eine höhere Energiedichte. Bleiakkus hingegen sind viel schwerer und weisen einen größeren Umfang als Lithium-Ionen-Akkus auf. Daher sind sie auch nicht für Elektroautos geeignet.

Problem: Die Lithium-Vorräte auf der Erde sind begrenzt und könnten schon in wenigen Jahren aufgebraucht sein. Daher gelten Redox-Flow-Batterien mit Vanadium als Zukunftstechnologie, da Vanadium als Rohstoff sehr häufig auf der Erde vorhanden ist. Sie speichern Energie in Flüssigkeiten, sind beliebig skalierbar und somit auch als Großspeicher für Stromnetze denkbar. Allerdings sind Redox-Flow-Batterien verhältnismäßig groß, schwer und wegen ihres komplizierten Aufbaus im Moment in der Fertigung noch zu teuer.

 


Stefan Winklhofer