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Energiespeicher werden allgemein als «Anlagen, die Energie mit dem Ziel der elektrischen, chemischen, elektrochemischen, mechanischen oder thermischen Speicherung aufnehmen und mit einer zeitlich verzögerten Nutzung wieder zur Verfügung stellen» definiert. Energiespeicher nehmen jedoch über die reine Speicherfunktion eine wesentlich umfassendere Bedeutung innerhalb ihrer intelligenten Vernetzung mit dezentralen Energieerzeugungsanlagen ein: Ihre Bedeutung als integraler Bestandteil der Energiewende nimmt zu.
Steigt die gesamthaft installierte Photovoltaikleistung auf eine gewisse Grössenordnung, kommt es punktuell zu erheblichen Überschüssen durch die Solarstromerzeugung. Diese wären ohne einen ambitionierten Ausbau des Stromnetzes kaum zu bewältigen.
Um die Überschüsse nutzbar zu machen und eine Abschaltung der PV-Anlage zu vermeiden, muss die Speicherkapazität erhöht werden. Zentrale Speicher wie beispielsweise Pumpspeicherkraftwerke werden in absehbarer Zeit nur einen Teil davon abdecken können. Die Potenziale der dezentralen Speicherlösungen lassen sich hingegen kurzfristig erschliessen.
Mit einem Speichersystem kann tagsüber ein Teil des selbst erzeugten Solarstroms für den zeitverzögerten Verbrauch am Abend und in der Nacht zwischengespeichert werden. Erzeugt die Photovoltaikanlage mehr Strom, als zum gleichen Zeitpunkt im Gebäude verbraucht wird, fliesst die Energie in den Speicher. Besteht mehr Strombedarf, als die PV-Anlage liefern kann, kann durch das zeitversetzte Entladen des Speichers der eigene Strom genutzt werden.
Am Markt durchgesetzt haben sich Lithiumbatterien. Sie zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad, eine hohe Energiedichte und eine vergleichsweise auch bei intensiver Nutzung lange Lebensdauer aus. Die Speicherkapazität kann auch im Dauerbetrieb ohne grosse Verschleisserscheinungen der Batterie genutzt werden.
In der Praxis werden häufig zu grosse Speicher installiert, was dazu führt, dass der Ladezustand der Batterie zwischen halb voll und voll schwankt. Die ungenutzte Kapazität kostet unnötig Geld und verschwendet Rohstoffe und Ressourcen, die bei der Produktion des Speichers aufgewendet werden. Richtwert zur Berechnung der Speichergrösse: etwa 1 Kilowattstunde Batteriekapazität pro 1’000 kWh Jahresstromverbrauch.
Batteriespeicher haben eine Lebensdauer von 10 bis 15 Jahren (im Vergleich: Solarmodule 20 bis 30 Jahre). Grund dafür sind chemische Prozesse in den Batteriezellen. Die Alterung der Materialien führt zu einer über die Zeit langsam sinkenden Speicherkapazität. Dieser Prozess beschleunigt sich gegen Ende der Lebensdauer.
Eine intelligente Ladesteuerung unterstützt anhand von Wetterprognosen und früheren Verbrauchswerten ein batterieschonendes Laden und Entladen und wirkt sich dadurch auch positiv auf die Lebensdauer der Batterie aus. Häufig ist eine intelligente Ladesteuerung bereits im Batteriespeicher integriert. Eine andere Möglichkeit ist die externe Regelung über ein Energiemanagementsystem. Dieses kann alle grossen Erzeugungs- und Verbrauchsanlagen (wie z.B. PV-Anlagen, E-Auto-Ladestationen, Wärmepumpen usw.) zentral steuern.
Eine Photovoltaikanlage mit Speicher lohnt sich aus wirtschaftlicher Sicht dann, wenn die Kosten für die Erzeugung und Speicherung des Stroms geringer sind als der Strompreis des jeweiligen Energieversorgers. Der wesentliche Vorteil eines Speichersystems liegt in der Steigerung des Eigenverbrauchs und des Autarkiegrads.
Mit der Fähigkeit des bidirektionalen Ladens (Stromfluss in beide Richtungen) könnten künftig Elektrofahrzeuge als eine Art grosse «Powerbank auf Rädern» und als Stromspeicher eingesetzt werden. Damit leisten sie einen Beitrag zur Netzstabilität und sind ein wichtiger Baustein für die Energiewende. In der Praxis werden Elektrofahrzeuge zunächst in das Stromnetz der Liegenschaft (beispielsweise in Kombination mit einer PV-Anlage und einer Wärmepumpe) integriert und intelligent vernetzt (Vehicle-to-Building). Im zweiten Schritt erfolgt die Integration in das allgemeine Stromnetz (Vehicle-to-Grid). Ein intelligentes Lademanagement gewährleistet, dass für die Elektroautos immer ausreichend Energie zur Verfügung steht.
Es gibt erste Hersteller, welche technisch ausgereifte bidirektionale Ladestationen mit CHAdeMO-Steckern vertreiben. Diese Systeme stehen in Europa erst am Anfang, könnten sich aber mittelfristig zum Standard entwickeln. In Japan ist die bidirektionale Ladetechnologie bereits seit Jahren bei jedem Elektrofahrzeug Pflicht.
Unter dem Begriff «Thermische Energiespeicher» sind sowohl Wärme- als auch Kältespeicher zu verstehen. Wärme- und Kältespeicher haben ein entgegengesetztes Funktionsprinzip. Während ein Wärmespeicher Energie aufnimmt, gibt der Kältespeicher Energie in Form von Wärme ab. Liegt die gespeicherte Energie unter dem Umgebungstemperaturniveau, wird von einem Kältespeicher gesprochen. Bei einer Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur hingegen handelt es sich um einen Wärmespeicher.
Neben der Speicherung von thermischer Energie besteht das wichtigste Ziel bei thermischen Energiespeichern darin, die Entstehung und die Nutzung von Wärme bzw. Kälte zeitlich zu entkoppeln.
Charakterisieren lässt sich ein thermischer Energiespeicher vor allem über die Speichertemperatur, die spezifische Wärmespeicherkapazität und den Wirkungsgrad. Zudem sind die spezifischen Investitionskosten ein wichtiger Parameter zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit. Sie sind jedoch stark von verschiedenen Rahmenbedingungen (Speichervolumen, Speichermedium usw.) sowie Standortgegebenheiten abhängig. Bei thermochemischen Speichern erfolgt die Wärmespeicherung nahezu verlustfrei.
Sie kommen derzeit eher vereinzelt für einzelne Gebäude zum Einsatz, während sich die thermochemischen Speicher noch in der Entwicklungsphase befinden. Beide Speichertechnologien verfügen aufgrund hoher Wirkungsgrade, hoher Betriebstemperaturen und hoher Speicherdichten über ein grosses Entwicklungspotenzial. Bei latenten Speichern wird eine Effizienz von 75% bis 90% erreicht.
Sie repräsentieren eine etablierte und kostengünstige Technologie und werden häufig für solare Nahwärmenetze bzw. Niedertemperatur-Wärmenetze in Neubauquartieren eingesetzt. Die grossen sensiblen Wasserspeicher (Heisswasser-, Kies-Wasser-, Aquifer- und Erdwärmesondenspeicher) können in der Regel mit einer Wassertemperatur von 30 °C bis 95 °C betrieben werden. Der Wirkungsgrad liegt bei sensiblen Wärmespeichern zwischen 47% und 75%.
Bei der Auswahl und Umsetzung der Speichertechnologien ist die Wirtschaftlichkeit ein entscheidender Faktor. Die Wirtschaftlichkeit kann auf Basis der spezifischen Investitionskosten betrachtet werden.
Trotz des hohen Wirkungsgrads und der hohen Energiedichte erfordern thermochemische Speicher je nach Speichermaterial deutlich höhere Investitionskosten als sensible und latente Speicher. Die Anwendung thermochemischer Speicher ist aufgrund des frühen Entwicklungsstadiums der Technologie mit einem hohen wirtschaftlichen Risiko und offenen wissenschaftlichen Fragenstellungen verbunden.
Bei latenten Speichern führt eine relativ höhere Wärmespeicherkapazität ebenfalls zu höheren Investitionskosten als bei sensiblen Wärmespeichern. Die Investitionskosten für latente Speicher steigen bei hohen Leistungen deutlich.
Gegenüber latenten und thermochemischen Wärmespeichern befindet sich der Einsatz von sensiblen Speichern im fortgeschrittenen Entwicklungsstadium und weist deutlich geringere Investitionskosten auf, wodurch sehr hohe Speicherkapazitäten für Quartiere kostengünstig erschlossen werden können. Sensible Wärmespeicher auf Quartiersebene kommen derzeit als Pilotprojekte zum Einsatz. Die Investitionskosten sind stark von den örtlichen Gegebenheiten abhängig.
«Sektorübergreifend» beschreibt die Vernetzung verschiedener Sektoren, wie z.B. Strom, Wärme und Mobilität.
Die Energiespeicherung mittels solcher Anlagen kann ohne oder mit anschliessender Rückverstromung und Wiedereinspeisung ins Stromnetz erfolgen. Mit «Power-to-X» kann überschüssiger erneuerbarer Strom genutzt werden, um daraus Energieträger (z.B. für die Wärmeproduktion, spätere Rückverstromung, Mobilität) oder Grundchemikalien für Düngemittel herzustellen. Zahlreiche Staaten setzen bei ihrer Klimapolitik grosse Hoffnungen in das künftige Potenzial dieser Technologie.
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