Energie auf Reserve

Um zu verstehen, wie Energiespeicher funktionieren, lohnt sich ein Abstecher in die Physik: Unter Energie versteht man die Fähigkeit eines Systems, Arbeit zu leisten. Gemäss dem sogenannten Energieerhaltungssatz kann sie nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden. Streng genommen ist es also gar nicht möglich, Energie zu erzeugen oder zu vernichten, sondern nur, sie umzuwandeln.

Wie speichert man Strom?

Dieses Wissen ist insbesondere im Hinblick auf die elektrische Energie (Strom) von Bedeutung. Denn diese lässt sich nicht in einem Tank speichern wie beispielsweise Öl oder Gas. Will man überschüssigen Strom zu einem späteren Zeitpunkt nutzen, muss man ihn in eine andere Energieform umwandeln. Dies ist vor allem für die wetterabhängigen erneuerbaren Energien wie Solarstrom oder Windstrom wichtig.

Stromspeicherung: Worum geht’s?

Es geht also darum, Speicher für die in Spitzenzeiten produzierte Überkapazität zu finden. Dies ist eine der grössten Herausforderungen der Energiewende. Nötig sind sowohl kurzfristige als auch langfristige Arten der Stromspeicherung. Erstere gleichen die Produktions- und die Verbrauchsspitzen innerhalb eines Tages aus. Dadurch lässt sich etwa der tagsüber gewonnene Solarstrom in der Nacht nutzen. Letztere sind Speicher, die Strom über mehrere Monate speichern können. Das betrifft etwa Strom, den eine PV-Anlage im Sommer produziert hat. Im Winter ist das ein Vorteil: Dann ist das Sonnenlicht knapp und der Bedarf ist hoch.

Stromspeicher und Energiespeicher: Welche Arten gibt es?

Welche Möglichkeiten gibt es heute zur Energiespeicherung? Sie lassen sich grob in drei Kategorien unterteilen.

Chemische Energiespeicher

Chemische Speicherlösungen wandeln elektrische Energie, also Strom, in chemische um. Diese speichern sie in einem Energieträger. Bei Bedarf setzen sie den Strom mittels einer chemischen Reaktion wieder frei. Das ist das Prinzip der Batterie, die wir aus dem Haushalt kennen. Auch Gebäude- und Grossbatterien funktionieren so. Power-to-X nutzt ebenfalls einen chemischen Prozess, um Strom in eine andere Energieform umzuwandeln: die Elektrolyse. Mit erneuerbarem Strom kann so speicherbarer grüner Wasserstoff hergestellt werden.

Mechanische Energiespeicher

Mechanische oder physikalische Stromspeicher wandeln überschüssige elektrische in potenzielle kinetische Energie um. Das in der Schweiz bekannteste Beispiel sind Pumpspeicherkraftwerke, also Stauseen. Daneben machen sich auch neue Technologien dieses Prinzip zunutze. Beispiele dafür sind Blockspeicher oder Druckluftspeicher (siehe Bild).

Thermische Energiespeicher

Im Unterschied zu chemischen und mechanischen Speichertechnologien wandeln thermische Energiespeicher keine elektrische Energie um. Stattdessen nutzen sie die Fähigkeit von Wasser oder Gesteinen, Wärme zu speichern und wieder abzugeben. Ein Beispiel für thermische Energiespeicher ist die Speicherung von Wärme im Erdreich oder in Beton. Auch Erdsonden oder Seewassernutzung basieren auf diesem Prinzip.

Power-to-X (chemisch)

Wandelt Strom in andere Energieformen wie Gas (Power-to-Gas), Wärme (Power-to-Heat) oder Flüssigkeit (Power-to-Liquid) um. Diese Umwandlung funktioniert mithilfe eines elektrochemischen Prozesses, der Elektrolyse. Auch das Projekt «Underground Sun Conversion» greift zur Umwandlung auf die Elektrolyse zurück. Es speichert überschüssige Energie als Gas unter dem Erdboden.

Pumpspeicherwerk (mechanisch)

Nutzt mithilfe elektrisch betriebener Pumpen überschüssigen Strom, um Wasser in den Speichersee zu befördern. Danach nutzt das Kraftwerk die kinetische Energie des Wassers, um Strom zu produzieren, wenn er benötigt wird. Bekannte Schweizer Beispiele für Pumpspeicherwerke sind Linth-Limmern im Kanton Glarus oder Nant de Drance im Wallis.

Blockspeicher (mechanisch)

Nutzt mithilfe eines elektrisch betriebenen Krans überschüssigen Strom, um aufeinandergestapelte Betonklötze anzuheben. Das Absenken der Blöcke setzt wiederum kinetische Energie frei. Das 2017 gegründete Tessiner Start-up Energy Vault SA hat für diese innovative Technologie in Castione einen Prototyp in Betrieb genommen.

Batterie (chemisch)

Speichert die unregelmässig anfallende Energie aus Sonne und Wind und gleicht so Lastspitzen aus. Auch die Batterie eines Elektroautos kann als Hausbatterie funktionieren (bidirektionales Laden). Zu den innovativen Technologien zählen die Wechselrichter des Start-ups Stabl Energy oder das Iron-Redux-Flow-Systems des Start-ups Voltstorage GmbH Sie erhöhen die Effizienz von Hausbatterien und machen diese finanziell attraktiver.

Thermische Betonspeicher (thermisch)

Nutzen die hervorragenden Wärmespeichereigenschaften von Beton. Ein Pilotprojekt der Empa von 2015 hat zwar nicht die gewünschten Resultate gebracht und wurde 2019 abgebrochen. Dennoch besitzt der beliebte Baustoff viel Potenzial für zukünftige Technologien zur Wärmespeicherung.

Erdwärmespeicher (thermisch)

Nutzt Gesteinsschichten oder das Grundwasser in 20 bis 100 Metern Tiefe als Speichermedium. Dabei wird erhitztes Wasser via Brunnen oder Erdwärmesonden in den Untergrund geleitet. Um Wärme zurückzugewinnen, entzieht man diese dem Wasser oder dem Gestein wieder und befördert sie nach oben. Die Technologie eignet sich insbesondere auch zum Einsatz in oberflächennahen Geothermieanlagen.

Fazit: Energie- und Stromspeicherung als Schlüssel zur Energiewende

Die Stromproduktion via Photovoltaik oder Windkraft hängt vom Wetter ab. Dadurch entsteht ein Ungleichgewicht zwischen Produktion und Verbrauch. Es wird durch den Ausbau dieser Technologien verschärft. Damit die Energiewende gelingt, sind kurz- und langfristige Speicher notwendig. Nur dadurch ist die Energie aus erneuerbaren Quellen nach Bedarf verfügbar.

Einige Technologien zur Energiespeicherung sind schon länger etabliert. Andere stecken noch in der Forschungsphase oder im Pilotstatus. Klar ist: Die eine, ultimative Speicherlösung gibt es nicht. Vielmehr müssen alle Möglichkeiten ausgeschöpft werden. Energie 360° engagiert sich aktiv in innovativen Projekten. Das Unternehmen unterstützt Start-ups, die neue Wege zur Speicherung von Energie erschliessen.