Langzeitspeicher für Strom und Wärme – Welche Möglichkeiten gibt es?

Langzeitspeicher für den privat Haushalt?

Grundsätzlich gibt es Möglichkeiten Strom und Wärme für längere Zeit zu speichern. Jedoch eignen sich die wenigsten für den privaten Gebrauch. Die meisten Langzeitspeicher werden für größere Solarparks gebaut.

Mögliche Langzeitspeicher für Strom

• Power-to-X, teils auch für Privathaushalte
• Pumpspeicherkraftwerk, nur gewerblich
• Redox-Flow-Batterie, nur gewerblich

Mögliche Langzeitspeicher für Wärme

• Erdsonden, für Privathaushalte theoretisch möglich
• Latentwärmespeicher, für Privathaushalte erhältlich
• Zeolith-Wärmespeicher, noch im Forschungszustand
• Sandwärmespeicher, derzeit nur gewerblich

Während die Solaranlagen im Sommer jede Menge Strom produzieren können, sieht das im Winter anders aus. Praktisch wäre es, wenn Solarstrom über den Winter gespeichert werden könnte. Sogenannte Langzeitspeicher, können genau das.

Langzeitspeicher für PV – ist das Möglich?

Was ist ein Langzeitspeicher? 

Solarstrom wird produziert, wenn die Sonne scheint. Dadurch entsteht im Sommer deutlich mehr Strom, als im Winter. Gleiches gilt bei der Solarthermie. Hier wird anstelle von Strom jedoch Wärme produziert. Mit Speicherlösungen kann der Strom zwischengespeichert werden und später verwendet werden. Bist Du also mittags nicht zu Hause, wird der Mittagsstrom gespeichert und kann dann abends oder nachts verwendet werden. Was in der Hinsicht praktisch ist, da um diese Zeit weniger bis gar kein Strom mehr produziert wird. Diese Stromspeicher können den Strom für einen kurzen Zeitraum lagern, haben aber nicht die Kapazitäten, um Strom für den ganzen Winter zu speichern. 

Genau für diesen Fall spricht man von Langzeitspeichern oder auch Saisonspeichern. Also Speichern, die durchaus in der Lage sind Wärme oder Strom über den Winter hinweg zu lagern. Das würde den Autarkiegrad in der Theorie deutlich erhöhen. Bis hier hin klingt das nach einer guten Sache, allerdings wird noch sehr viel an dieser Speicherart geforscht. Dabei werden verschiedene Ansätze genutzt.

Langzeit Stromspeicher

Ein Langzeit Stromspeicher ist besonders dann interessant, wenn der Wunsch nach einem hohen Autarkiegrad da ist. Für den privaten Haushalt gibt es jedoch bislang nicht besonders viele Optionen.

Das Power-to-X-Prinzip: Wasserstoffspeicher für Autarkie

Unter Power to X versteht man die Umwandlung von Strom in einen Energieträger X. Das X kann auch etwas genauer definiert werden: So gibt es Power-to-Gas, Power-to-Heat und Power-to-Liquid. Eine Power-to-Gas-Methode ist der Wasserstoffspeicher. Hier wird aus Wasser und dem erzeugten Solarstrom Wasserstoff hergestellt. Dieser wird dann gelagert, bis der Strom wieder benötigt wird. Dann wird der Prozess umgekehrt und es entsteht wieder verwendbarer Strom. Dabei wird dann nicht nur Strom, sondern auch Wärme frei gesetzt. 

Der große Nachteil ist jedoch, dass Wasserstoff hochexplosiv ist, deswegen werden die Tanks dafür auch draußen untergebracht. Wasserstoff-Speicher gibt es bereits auf dem Markt und das auch für den Privathaushalt. 

Wie sinnvoll sind Wasserstoff-Speicher?

Neben der Herstellung von Wasserstoff ist es dann noch möglich den Wasserstoff weiterzuverarbeiten zu Methan. Das synthetische Gas, kann überall da eingesetzt werden, wo auch Erdgas verwendet wird. Eine Anwendung wäre zum Beispiel die Gasheizung. Dazu muss jedoch gesagt werden, dass der Wirkungsgrad hier noch nicht optimal ist. Bei der Umwandlung in Methan findet ein hoher Energieverlust statt. Zusätzlich bedeutet das auch einen weiteren Schritt in der Herstellung, da trotzdem erst Wasserstoff hergestellt werden muss. Wirtschaftlich macht das hier also für einen privaten Haushalt nur bedingt Sinn. Bislang gibt es diese Option auch nicht für private Haushalte.

Power-to-Heat

Bei Power-to-Heat wird, wie der Name schon sagt, Strom in Wärme umgewandelt. Diese kann dann zur Warmwassernutzung genutzt werden. Wie Wärme gespeichert werden kann, gehen wir nachher noch genauer an. Im Normalfall lässt sich die Wärme jedoch nicht zurück in Strom umwandeln.

Jedoch gibt es Forschungsansätze im hohen Temperaturbereich, die es ermöglicht aus der Wärme wieder Strom zu erzeugen. Die Rede ist hier vom Multitess Stromspeicher des Solar-Institutes Jülich der FH-Aachen. Dieser ist Teil des Brain Energy Parks. Durch die hohen Temperaturen und des Aufbaus wird sich dieser Speicher jedoch vermutlich erstmal nicht in Privathaushalten integrieren lassen. 

Power-to-Liquid

Neben Power-to-Gas und Power-to-Heat gibt es noch Power-to Liquid. Jedoch verfolgt dieser Ansatz andere Ziele. Hier kann ebenfalls aus grünem Wasserstoff verschiedene Kraftstoffe und Chemikalien hergestellt werden. Das kann zum Beispiel Methanol, Oxymethylenether oder auch Ammoniak sein. Hierbei wird der Strom allerdings für einen Prozess zur Gewinnung von anderen Stoffen verwendet. Das ganze dient nicht dazu, den Strom für den Winter zwischenzuspeichern. Für andere Bereiche ist es dennoch ein interessante und wichtige Methode für die Zukunft.

Pumpspeicherkraftwerk

Power-to-Liquid hat weniger Anwendungsbereiche, für den alltäglichen Nutzen. Mit Pumpspeicherkraftwerken hingegen ergibt sich noch eine Möglichkeit auch private Anwendungen zu verwirklichen. Dafür werden zwei Wasserbecken benötigt, die miteinander verbunden sind. Zwischen den beiden Becken, befindet sich dann noch eine Turbine, die für die Stromerzeugung wichtig ist. Dann werden einfach nur simple physikalische Kräfte benötigt. Becken A befindet sich dabei weit über Becken B. Mit dem überschüssigen Strom wird das Wasser aus dem unteren Becken B in das obere Becken A gepumpt. Dort lagert das Wasser bis, Strom wieder benötigt wird. Dann wird das Wasser aus Becken A abgelassen. Dabei fließt es durch die Turbine, die aus dem fließenden Wasser, Strom generieren kann. 

Grundsätzlich kann das Wasser lange Zeit in Becken A gelagert werden. Jedoch ist das Problem die Größe des Pumpspeicherkraftwerkes. Den der Abstand zwischen den Becken beträgt nicht nur ein paar Meter und bei den Becken reden wir auch nicht von Planschbecken-Größen. Damit ist diese Speicherart zwar praktisch für große Anlagen und dadurch ein sinnvoller Speicher für die Energiewende. Jedoch gänzlich ungeeignet für die PV-Anlage auf dem Dach. 

In Deutschland sind diese Kraftwerke übrigens schon in Betrieb. Das größte ist dabei in Goldisthal im Thüringer Schiefergebirge und hat eine Leistung von 1.060 Megawatt. Das obere Becken umfasst dabei 13 Millionen Kubikmeter für Wasser. In Betrieb genommen wurde es 2004. 

Redox-Flow-Batterien

Die Redox-Flow-Batterie hat gegenüber der Lithium-Ionen-Batterie einige Vorteile. Unter anderem den, dass der Strom länger gespeichert werden kann. Die Batterie besitzt zwei Tanks, in denen sich Elektrolyte befinden. Hier wird die Energie in chemischer Form gespeichert. Unter anderem arbeitet das Unternehmen Voltstorage an einem Iron-Salt-Batteriespeicher. Dieser soll allerdings den Strom über längere Zeiträume für gewerbliche Zwecke speichern. Derzeit bietet das Unternehmen Prolux Solutions eine 6 kWh Lösung an. Geplant ist zukünftig auch eine größere Alternative mit 10 kWh anzubieten.

Langzeit Wärmespeicher

Strom über einen langen Zeitraum so zu speichern, dass er als Strom weiter verwendet werden kann, gestaltet sich noch etwas schwierig. Zumindest für die Anwendung der hauseigenen PV-Anlage. Etwas einfacher geht das mit Wärme. 

Erdsonden für Wärmespeicherung

Erdsonden können in den Erdboden eingesetzt werden. Sie leiten die Wärme an ihre Umgebung ab und entziehen sie ihr wieder, wenn die Wärme benötigt wird – zumindest vereinfacht dargestellt. Grundsätzlich funktioniert das auch bereits mit ein oder zwei Erdsonden. Damit eignet sich diese Methode, also erst einmal auch für den Privathaushalt. Mit mehr Sonden lässt sich das ganze auch großflächiger gestalten und ist für Solarthermie-Felder interessant. Der entscheidende Faktor ist dabei jedoch nicht nur die Anzahl an Sonden, sondern die geologischen Bestimmungen vor Ort. Nicht jeder Boden ist geeignet, um die Wärme effizient zu Speicher. Um sicherzugehen, solltest Du eine Person vom Fach zur Rate ziehen. 

Latentwärmespeicher für Solarthermie

Nicht unbekannt auf dem Markt der Langzeitspeicher ist der Latentwärmespeicher. Damit ist dieser Speicher auch interessant für Privathaushalte, die die Wärme ihrer Solarthermieanlage speichern wollen. Dieser macht Gebrauch von der Enthalpie thermodynamischer Zustandsänderungen gebrauch. Bedeutet im Klartext, dass ein Phasenwechsel eines Stoffes zwischen fest und flüssig stattfindet. Dabei gibt es unterschiedliche Stoffe, die dabei verwendet werden können. Da wäre zum einen Paraffin, demnach nennt man den Latentwärmespeicher auch schon mal Paraffinspeicher. Zum anderen funktioniert das Prinzip allerdings auch mit Salzen. Dementsprechend auch unter dem Namen Salzhydratspeicher zu finden.

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Zeolith-Wärmespeicher

Eine andere Möglichkeit zur saisonalen Wärmespeicherung bietet ein Zeolith Wärmespeicher. Dabei wird der Wärmeüberschuss zur Trocknung von Zeolith-Granulats verwendet. Wird Wasserdampf hinzugefügt wird, die Wärmeenergie wieder freigesetzt. Das Besondere daran ist, dass das Zeolith die Wärme besser speichert als Wasser. Dazu kommt, dass sich die Wärme über einen langen Zeitraum speichern lassen. Bei der Speicherung über einen langen Zeitraum geht auch wenig Wärme verloren. Grund dafür ist, dass die Wärme in chemischer Form vorliegt.

Das Problem, an diesem Speicher ist jedoch bislang gewesen, dass die Wärmeleitfähigkeit zwischen Wärmetauscher und dem Zeolith nicht gut war. Doch das hat das Fraunhofer-Institut 2021 nun gelöst. Mithilfe von einer Aluminium-Beschichtung konnte die Wärmeleitfähigkeit verbessert werden. In Heizungsanlagen wird diese Technik bereits angewendet, auch in Kombination mit Solarthermie. Doch einen reinen Wärmespeicher gibt es derzeit noch nicht auf dem Markt. 

Sandwärmespeicher

Wer im Sommer schon mal barfuß am Strand unterwegs war weiß, dass Sand sehr heiß werden kann. Nicht nur das: Sand kann Wärme auch über einen langen Zeitraum speichern. Dieses Phänomen kann zu Speicherungszwecken genutzt werden. In Finnland wird ein Sandspeicher derzeit getestet.