Elektrochemische Speicherung: Schlüssel zur Stromspeicherung aus erneuerbaren Energien
Wenn über die Energiewende gesprochen wird, fallen zwei Wörter besonders häufig: Batterien und Speicher. Gemeint ist in der Regel die elektrochemische Energiespeicherung – ein Prinzip, das heute fast überall genutzt wird: im Smartphone, im Elektroauto, in Hausbatterien für Solaranlagen und zunehmend auch in großen Speicherkraftwerken.
In jeder Batterie stecken zwei unterschiedliche Materialien – Elektroden – und eine Flüssigkeit oder ein Gel dazwischen: der Elektrolyt. Die Materialien unterscheiden sich darin, wie leicht sie Elektronen abgeben oder aufnehmen. Wird die Batterie geladen, zwingt man Elektronen von einer Elektrode zur anderen. Die Energie, die dabei hineingesteckt wird, verbleibt im Inneren der Batterie in Form von chemischen Veränderungen. Wird die Batterie später entladen, läuft dieser Prozess genau andersherum: Die Elektronen wollen wieder zurück und fließen dabei durch einen äußeren Stromkreis. Dieser Elektronenfluss ist der Strom, der dann ein Gerät antreibt oder ein Haus versorgt.
Beim Laden und Entladen findet also keine Verbrennung statt; die ganze Arbeit erledigen Atome und Ionen, die sich zwischen den Elektroden hin- und herbewegen und dort chemische Bindungen eingehen oder lösen. Batterien unterscheiden sich unter anderem hinsichtlich der verwendeten Materialien. Lithium-Ionen-Batterien etwa sind leicht, leistungsfähig und können große Energiemengen aufnehmen, was ihren Siegeszug in Smartphones und Elektroautos erklärt. Andere Systeme wie Natrium-Ionen-Batterien, Redox-Flow-Speicher oder Hochtemperaturbatterien setzen auf andere Materialien und eignen sich für ganz unterschiedliche Einsatzbereiche: große Energiespeicher für Solar- und Windparks, langlebige Speicher für Industrieanlagen oder kostengünstige Lösungen für Regionen, in denen Lithium knapp oder teuer ist.
Elektrochemische Speicher können fast überall eingesetzt werden: in Haushalten, um Solarstrom vom Tag am Abend zu nutzen; in Industriebetrieben, um Spitzenlasten zu glätten; in Stromnetzen, um Frequenzschwankungen auszugleichen; und in Fahrzeugen aller Art. Sie bringen Energie dorthin, wo sie gebraucht wird – und zwar genau dann, wenn sie benötigt wird. In einer Welt, die immer mehr auf erneuerbare Energien setzt, ist das unverzichtbar.
Das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT hat im Sommer 2025 den Forschungsbetrieb für den bisher größten Vanadium-Redox-Flow-Batteriespeicher Europas gestartet. Eine Redox-Flow-Batterie speichert Energie in flüssigen Elektrolyten. In der Batterie befinden sich dafür zwei große Tanks, gefüllt mit zwei unterschiedlichen Flüssigkeiten. Diese Flüssigkeiten enthalten jeweils chemische Stoffe, die Elektronen aufnehmen oder abgeben können. Beim Laden und Entladen werden diese Flüssigkeiten durch eine Reaktionszelle gepumpt, in der dann die eigentliche Stromerzeugung stattfindet. Der am Fraunhofer ICT entwickelte Speicher kann bis zu zwei Megawatt Leistung bereitstellen und bis zu 20 Megawattstunden Energie speichern – genug, um mehrere Hundert Haushalte über viele Stunden mit Strom zu versorgen. Die Anlage steht auf dem Gelände des Instituts in Pfinztal und ist direkt mit einer 2-Megawatt-Windkraftanlage gekoppelt.
In einem ersten Praxistest zeigte sich, dass sich erneuerbare Energien mithilfe dieses Speichers gezielt ins Stromnetz einspeisen lassen – auch dann, wenn der Wind gerade nicht weht. Das sei ein entscheidender Schritt hin zu einem stabilen Stromsystem, urteilt Projektleiter Dr.-Ing. Jens Noack, Teamleiter für Flussbatterien in der Abteilung für Angewandte Elektrochemie am Fraunhofer ICT und außerordentlicher Professor an der australischen University of New South Wales. Ein solches System könne helfen, abgelegene Orte, Unternehmen oder ganze Energiedörfer zuverlässig mit sauberem Strom zu versorgen, selbst wenn sie nicht gut ans öffentliche Netz angebunden sind.
Mechanische Energiespeicherung: Lösungen für ein stabiles Stromnetz
Die mechanische Energiespeicherung gehört zu den ältesten und zugleich robustesten Methoden, Energie für später aufzubewahren. Dabei greifen mechanische Speicher auf einfache, aber sehr wirkungsvolle physikalische Prinzipien zurück: Lageenergie, Bewegungsenergie und Verformungsenergie. Energie wird dabei rein physikalisch gespeichert – ohne chemische Reaktionen, ohne Seltene Erden und meist mit langer Lebensdauer.
Druckluftenergiespeicher etwa nutzen einen Überschuss an elektrischer Energie dazu, über Kompressoren Luft in unterirdische Kavernen zu pressen. Dabei steigen Druck und Temperatur der Luft. Die Energie steckt nun in der komprimierten Luft – je höher der Druck, desto mehr wurde gespeichert. Sobald die Luft wieder expandiert, kann sie Turbinen in Schwung setzen, die wiederum Generatoren antreiben, über die dann elektrischer Strom ins Netz abgegeben wird.
Im Rahmen des Verbundforschungsvorhabens KompEx LTA-CAES® modular wurde beim Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT eine Anlagentechnik entwickelt, die durch modularen Aufbau und die Kombination von Turbo- und Kolbenmaschinen eine ortsunabhängige Druckluftenergiespeicherung ermöglicht. Die Technologie nutzt die Tatsache, dass sich Luft bei der Kompression stark erwärmt und bei der Ausdehnung wieder drastisch abkühlt, indem sie die anfallende Prozesswärme speichert und beim Expandieren wiederverwendet. Dadurch ist sie nicht auf die Hilfe fossiler Energieträger angewiesen. Ein weiterer Clou: Für die Ein- und Ausspeicherung der Energie kann ein und derselbe Maschinensatz verwendet werden, während bei herkömmlichen Druckluftenergiespeichern mit getrennten Maschinensätzen gearbeitet wird. So kann auf einen kompletten Maschinenstrang verzichtet werden – ein Beitrag zur Kostenersparnis.
Fraunhofer-Gesellschaft
