Batteriespeicher: Grüne Energie auf Knopfdruck

Erneuerbare Energien aus PV- und Windkraftanlagen tragen zunehmend zum Strommix in Deutschland bei. Aktuell gewinnt Deutschland rund 58 Prozent des Stroms aus Wind, Sonne, Wasser und Biomasse. Bis 2030 soll der Anteil erneuerbarer Energien am Stromverbrauch auf 80 Prozent steigen – das entspricht rund 600 Terawattstunden (TWh) grünen Stroms.

Die Erzeugung von Strom aus Sonne und Wind ist jedoch stark vom Wetter sowie der Tages- und Jahreszeit abhängig. Damit der Strom auch dann fließt, wenn der Himmel bewölkt ist oder kein Wind weht, sind Batteriespeicher nötig. Diese speichern kurzfristig überschüssige Energie, die in Zeiten geringer Nachfrage erzeugt wird. Bei steigendem Bedarf geben die Energiespeicher diese Energie dann ins Stromnetz ab. Netzschwankungen können so ausgeglichen und Überlastungen vermieden werden. Ein weiterer Vorteil: Durch die effiziente Nutzung der Wind- und Solarenergie sinken die Strompreise.

Je mehr Strom durch erneuerbare Energien erzeugt wird, desto höher ist der Speicherbedarf: Die Internationale Energieagentur schätzt, dass bis 2040 weltweit etwa 10.000 Gigawattstunden (GWh) Speicherkapazität nötig sein werden – das 50-fache von dem, was heute verfügbar ist.

Bruttostromerzeugung in Deutschland nach Energieträger in den Jahren 2000 bis 2023. Werte für das Jahr 2023 vorläufig. (Quelle: Statista)

Von der kleinen Box im Keller über Containergroße Anlagen in Solarparks bis hin zu Giganten, die das Netz stabilisieren, gibt es Batteriespeicher in unterschiedlichsten Ausführungen. Jedes dieser Materialien hat spezifische Vorteile, die sich für unterschiedliche Anwendungen eignen:

• Lithium-Ionen-Batterien (LIB) sind aktuell die gängigsten Energiespeicher am Markt. Die Batterien zeichnen sich durch ein sehr gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis, eine hohe Leistung und lange Lebensdauer aus. LIB sind wahre Allrounder, die sowohl in den Batteriespeichern großer Solar- oder Windparks als auch in Kraftwerken zum Einsatz kommen. Auch in Elektrofahrzeugen und mobilen Geräten wie Smartphones finden sich LIB.
• Natrium-Ionen-Batterien (NIB) ähneln Lithium-Ionen-Batterien, haben aber eine geringere Energiedichte. Dafür sind sie kostengünstiger und verzichten auf Lithium, das aufgrund seiner Abbaumethoden und deren Umweltauswirkungen in der Kritik steht. Natrium-Ionen-Batterien kommen unter anderem in Elektroautos und stationären Speichersystemen zum Einsatz.
• Bleiakkumulatoren sind robust und weit verbreitet, haben jedoch eine begrenzte Lebensdauer von 300-500 Zyklen und einen geringen Wirkungsgrad. Zudem sind sie schwerer und nicht besonders effizient. Bleiakkumulatoren werden als Standardstarterbatterien in den meisten Fahrzeugen und in Off-Grid-Solaranlagen eingesetzt. Zudem bieten sie Backup-Strom für kritische Systeme, wie Serverräume oder medizinische Geräte, im Falle eines Stromausfalls.
• Redox-Flow-Batterien eignen sich sowohl für die Kurz- als auch für die Langzeitspeicherung von Strom. Die Technologie befindet sich aber noch in der Entwicklung, weshalb die Batterien noch nicht weit verbreitet sind. Anwendungsbeispiele für Redox-Flow-Batterien umfassen den Einsatz als Puffer für Windkraftanlagen sowie als Reservequelle für Mobilfunk-Basisstationen. Darüber hinaus wird am Karlsruher Institut für Technologie ein Projekt durchgeführt, in dem Redox-Flow-Batterien zur Pufferung von schwankender Windenergie eingesetzt werden, um eine kontinuierliche Stromversorgung sicherzustellen.

Das Be- und Entladen eines Batteriespeichers ist immer mit Verlusten verbunden. Wie effizient die Energieübertragung ist, wird als Wirkungsgrad gemessen; Je höher der Wert, desto effizienter wird der Strom genutzt. Mit etwa 90-95 Prozent haben Lithium-Ionen-Batterien den höchsten Wirkungsgrad. Der genaue Grad ist von verschiedenen Faktoren abhängig. So hat auch der Stromverbrauch des Speichers selbst (Standby-oder Betriebs-Modus) Einfluss auf den Wirkungsgrad. Auch wenn kein Strom aus der Batterie genutzt wird, entlädt sich der Akku im Laufe der Zeit. Aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades finden Batteriespeicher mittlerweile vielseitige Einsatzmöglichkeiten.

Die Kosten von Batteriespeichern variieren stark, abhängig von der Technologie und den spezifischen Anwendungen in der Industrie. Generell hat die Preissenkung bei Batterietechnologien, insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien, dazu geführt, dass die Preise in den letzten Jahren erheblich gesunken sind. Laut der Internationalen Energieagentur sind Lithium-Ionen-Akkus seit 2015 um fast 70 Prozent im Preis gesunken. Davon profitieren nicht nur private Haushalte, sondern auch Unternehmen. Sie nutzen Großbatteriespeicher, um beispielsweise ihre Betriebskosten zu senken und die Energieeffizienz zu steigern. Energieunternehmen, darunter auch die EnBW, speichern Strom aus erneuerbaren Energien „zwischen“ und helfen so ihn effizienter zu nutzen und dabei das Stromnetz zu entlasten.

Quelle: Roland Berger, RWTH Achen, Statista 2024

Großbatteriespeicher und Heimspeicher unterscheiden sich im Wesentlichen nur in ihrer Größe und Speicherkapazität. In beiden Typen werden überwiegend Lithium-Ionen-Batterien verwendet, aber auch zum Beispiel Natrium-Schwefel- und Vanadium-Redox-Flow-Batterien kommen zum Einsatz.

Großspeicher können enorme Energiemengen im Megawattbereich vorhalten und abgeben. Sie können sowohl in das Stromnetz integriert werden, als auch autark zum Einsatz kommen. Das ist vor allem in abgelegenen Regionen oder bei temporärem Strombedarf – wie auf Baustellen oder in Katastrophengebieten – sinnvoll.

Großbatteriespeicher erfüllen zentrale Funktionen für eine nachhaltige Energieversorgung:

• Enorme Speicherkapazität: Großbatteriespeicher können mehrere Megawattstunden (MWh) an Energie speichern, was sie ideal für industrielle Anwendungen und große Energieversorgungsprojekte macht. So stattet die EnBW beispielsweise alle neuen Solarparks mit Batteriespeichern aus, um den Strom optimal zu nutzen. Kleinere Systeme, wie Heimspeicher, haben in der Regel eine viel geringere Kapazität.
• Langfristige Speicherung: Während viele kleinere Speichersysteme für kurzfristige Anwendungen konzipiert sind, können Großbatteriespeicher Energie auch über längere Zeiträume speichern und bereitstellen.
• Gut fürs Stromnetz: Großbatteriespeicher sorgen dafür, dass das Stromnetz stabil bleibt, weil sie Schwankungen in der Netzfrequenz ausgleichen. Die Speicher reagieren sehr schnell auf Veränderungen und können in Sekundenbruchteilen Strom aufnehmen oder abgeben, um die Frequenz im Netz konstant zu halten. Insbesondere in Gebieten mit schwacher Netzstruktur oder einem hohen Anteil von Strom, der durch erneuerbare Energien erzeugt wird, sind Großspeicher sinnvoll. Denn die Kosten für den Ausbau der Netzinfrastruktur verringern sich dadurch ebenfalls.
• Weniger Abhängigkeit von zentralen Kraftwerken: Großbatteriespeicher ermöglichen – wie auch kleine Eigenheimspeicher - eine dezentrale Energieversorgung, da vor Ort Energie erzeugt, gespeichert und genutzt wird. Damit wird die Stromversorgung zunehmend unabhängiger von zentralen Großkraftwerken.
• Mobile Nutzung: Großbatteriespeicher können in abgelegenen Gebieten eingesetzt werden, wo eine Verbindung zum Stromnetz nicht möglich oder wirtschaftlich nicht sinnvoll ist, was bei kleinen Speichern selten der Fall ist.

In Zukunft werden wir vor allem Energie aus erneuerbaren Quellen wie Sonne oder Wind verwenden. 2030 möchte Deutschland 85 Prozent seines Stroms aus erneuerbaren Energien gewinnen. Damit das funktioniert, braucht es neben dem Netzausbau auch zuverlässige Batteriespeicher.

Wie viel Speicherkapazität benötigt wird, hat das Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) berechnet. Demnach steigt der Bedarf in Deutschland von rund 100 Gigawattstunden (GWh) im Jahr 2023 auf rund 180 Gigawattstunden im Jahr 2045.

Im Jahr 2023 wurden über 548.000 neue Batteriespeicher installiert. Ende 2023 waren damit laut Fraunhofer ISE mehr als 1,1 Millionen Batteriespeicher mit einer Gesamtkapazität von 11,6 Gigawattstunden in Deutschland im Einsatz. Auch der Bundesverband Solarwirtschaft hat für 2023 eine Kapazität von rund zwölf Gigawattstunden errechnet.

Die meisten neuen Speicher wurden in den letzten Jahren im privaten Bereich in Betrieb genommen. Im Jahr 2023 machten Heimspeicher rund 83 Prozent der Gesamtkapazität aus – Großspeicher waren für rund 13 Prozent verantwortlich.

Der weitere Ausbau von Speicherkapazitäten in Deutschland ist für die Zukunft und die Energiewende immens wichtig. Dies gilt insbesondere für große Batteriespeicher auf der Hochspannungsebene.

Laut einer Studie des Analystenhauses Frontier Economics könnte die Speicherkapazität von Großbatteriespeichern in Deutschland bis 2030 auf 57 Gigawattstunden und bis 2050 sogar auf 271 Gigawattstunden steigen. Treiber für den Ausbau sind der steigende Flexibilitätsbedarf im Stromnetz und die sinkenden Kosten für große Batteriespeicher. Die Studie geht davon aus, dass Großbatteriespeicher – ähnlich wie Photovoltaikanlagen in den letzten Jahren – deutlich günstiger und vermehrt ausgebaut werden.

Die Analysten haben folgende Potentiale berechnet: Bis 2050 können Großbatteriespeicher durch die Speicherung überschüssigen Stroms einen wirtschaftlichen Nutzen von etwa zwölf Milliarden Euro erzielen, hauptsächlich durch Einsparungen bei Brennstoff- und CO₂-Kosten. Im Jahr 2030 könnten die großen Speicher etwa 6,2 Millionen Tonnen CO₂ einsparen und bis 2040 rund 7,9 Millionen Tonnen CO₂.

Die EnBW hat sich zum Ziel gesetzt, bis 2035 klimaneutral zu werden. Um dieses Ziel zu erreichen, treibt das Energieunternehmen den Einsatz von Speicherlösungen mit zahlreichen Projekten voran:

Im Dezember 2023 wurde der erste Batteriespeicher im Solarpark bei Bruchsal mit einer Kapazität von 3,5 Megawattstunden (MWh) in Betrieb genommen.

Diese Speicherkapazität entspricht etwa der von rund 100 Elektroautos. Der Einsatz des Speichersystems erhöht die Flexibilität und Effizienz der Stromversorgung erheblich. Der Solarpark Bruchsal dient als Vorreiter für zukünftige Projekte der EnBW, die künftig standardmäßig mit Batteriespeichern ausgestattet werden sollen.

Im niedersächsischen Osnabrück baut die EnBW ihren ersten Schnellladepark mit integriertem Batteriespeicher. Im Fokus des Pilotprojekts steht Mobilität: Der Batteriespeicher wird nicht fest vor Ort installiert, sondern kann flexibel an verschiedenen Schnellladeparks eingesetzt werden. Die Inbetriebnahme ist für Ende 2024 geplant.

Für ein Innovationsprojekt von Audi und EnBW wurde auf dem Betriebsgelände des Heizkraftwerks in Heilbronn ein Referenzspeicher aus ausrangierten E-Auto-Akkus errichtet.

Zwölf alte Akkus wurden hier zusammengeschaltet und erbringen rund ein Megawatt (MW) Leistung. Der stationäre Speicher kann etwa eine Stunde lang den Stromverbrauch von rund 3.000 Haushalten decken. Ein wunderbares Beispiel dafür, wie Innovation und Nachhaltigkeit Hand in Hand gehen.

Für die E-Mobilität produzierte Akkus lassen sich in stationären Batteriespeichern weiterverwenden – und könnten den Speicherbedarf theoretisch komplett decken.

Die Integration erneuerbarer Energien in unser Stromsystem erfordert fortschrittliche Speichertechnologien. Großbatteriespeicher gewinnen dabei zunehmend an Bedeutung. Gleichzeitig treibt die steigende Nachfrage nach Elektromobilität die Entwicklung kostengünstigerer und effizienterer Batterien voran.

Lithium-Ionen-Batterien dominieren derzeit den Markt aufgrund ihrer hohen Energiedichte, der langen Lebensdauer und der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten. Die Batterietechnologie wird jedoch durch den wissenschaftlichen Fortschritt und den wachsenden Bedarf an effizienten Energiespeicherlösungen ständig vorangetrieben. Nachhaltigkeit steht dabei im Fokus: Die Forschung konzentriert sich auf den Einsatz umweltfreundlicher Materialien und Recyclingverfahren, um die Umweltbelastung zu minimieren. Alternative Batterien wie Natrium-Ionen-, Zink-Ionen- und Metall-Luft-Batterien, die weniger auf kritische Rohstoffe angewiesen sind, könnten sich als nachhaltiger erweisen.

Zudem arbeitet das Fraunhofer IEE an hybriden Energiespeichern. Dabei werden Lithium-Ionen-Batterien mit Superkondensatoren kombiniert. Diese Hybrid-Batterien sollen die Alterung der Batterien reduzieren und die Kosten senken. Während die Batterien für den Dauerbetrieb zuständig sind, übernehmen die Superkondensatoren kurzfristige Lastspitzen.

Neben Batteriespeichern wird auch an wasserstoffbasierten Speichern geforscht. Solche Speicher bieten die Möglichkeit, große Energiemengen über längere Zeiträume kostengünstig zu speichern. Wasserstoffbasierte Speicher könnten in Zukunft eine wichtige Rolle für den Energiemarkt spielen.

Auch künstliche Intelligenz (KI) kann die Batterienutzung optimieren und die Effizienz von Energiesystemen verbessern. Noch dazu gewinnt mit der zunehmenden Vernetzung der Energiesysteme auch das Thema Cyber Security immer mehr an Bedeutung, um die eingesetzten Netzwerke vor möglichen Bedrohungen zu schützen.