Die Speicherung von Solarenergie ist ein Schlüsselelement für die effektive Nutzung erneuerbarer Energien und die Förderung einer nachhaltigen Energiezukunft. Solarenergie spielt deshalb so eine zentrale Rolle, da Sie im Gegensatz zu Wind- und Wasserenergie auch für Privathaushalte nutzbar ist. Sie macht unabhängig von den steigenden Strompreisen und versorgt mit umweltfreundlicher Energie.
In diesem Beitrag werfen wir einen genaueren Blick auf die verschiedenen Technologien und Strategien zur Speicherung von Solarenergie, um den Strombedarf auch in sonnenarmen Perioden zu decken.
Warum ist die Speicherung von Solarenergie ein zentrales Thema?
Solarenergie ist eine der vielversprechendsten und am schnellsten wachsenden Energiequellen weltweit. Daher ist das Thema der effizienten Speicherung aus vielen Gründen relevant, auch für Privathaushalte:
- Vorhandene Energieerzeugungs-Schwankungen ausgleichen: Die größten Mengen an Solarenergie werden während der sonnenreichsten Stunden des Tages erzeugt, typischerweise zwischen etwa 10 und 15 Uhr. Dies variiert natürlich nach Jahreszeit und Wetterbedingungen. Die Speicherung der Sonnenenergie ermöglicht es, überschüssigen Strom während der Spitzenproduktion zu speichern und ihn dann zu nutzen, wenn die Sonne nicht scheint.
- Maximierung des Eigenverbrauchs: Durch die Speicherung von Solarenergie können Haushalte ihren Eigenverbrauch erhöhen, indem sie überschüssigen Solarstrom speichern und ihn zu einem späteren Zeitpunkt nutzen, anstatt ihn ins öffentliche Netz einzuspeisen. Da Strom tendenziell immer teurer wird und die Einspeisevergütung in den letzten Jahren stetig gesunken ist, lohnt sich ein höherer Eigenverbrauch, der sich mit der Speicherung von Solarstrom optimieren lässt.
- Flexibilität und Unabhängigkeit: Die Speicherung von Solarenergie erhöht die Flexibilität und Unabhängigkeit von externen Energiequellen. Haushalte und Unternehmen können ihren Strombedarf zu einem größeren Teil aus erneuerbaren Energien decken und sich damit unabhängiger von fossilen Brennstoffen machen.
- Integration erneuerbarer Energien: Die Speicherung von Solarenergie ist entscheidend für die Integration weiterer erneuerbarer Energien wie Wind- und Wasserkraft. Durch die Speicherung können Schwankungen in der Energieerzeugung ausgeglichen und eine zuverlässige Stromversorgung aus erneuerbaren Quellen sichergestellt werden.
Im nächsten Abschnitt betrachten wir nun die häufigsten Technologien der Speicherung:
Speicherung von Solarenergie: Vielversprechende Technologien
1. Batteriespeicher
Ohne Batteriespeicher kann eine Photovoltaikanlage ca. 30% des Stromverbrauchs eines Haushalts decken. Mit Batteriespeicher hingegen kann dieser Prozentsatz auf bis zu 70% – 80 % ansteigen. Batteriespeicher können daher ein entscheidendes Element in der optimierten Nutzung von Solarenergie darstellen.
Sie ermöglichen es, den Stromüberschuss, den Solaranlagen tagsüber produzieren, zu speichern, um ihn dann bei Bedarf zu nutzen, wenn die Sonne nicht scheint, wie beispielsweise nachts oder an bewölkten Tagen.
Blei-Säure-Akkus waren lange Zeit eine der am häufigsten verwendeten Technologien für die Speicherung von Solarenergie, wurden aber mit der Zeit immer stärker durch Lithium-Ionen-Akkus ersetzt, die heutzutage die beliebteste Wahl darstellen.
Blei-Säure-Akkus:
- Robust und relativ unkompliziert in der Herstellung
- Moderne Modelle sind betriebssicher
- Hoher Wirkungsgrad
- Nahezu 100% recycelbar
- Kurze Lebensdauer von etwa 5 bis 7 Jahren
- Ersetzung nach Ablauf der Lebensdauer verursacht zusätzliche Kosten
- Enthält giftiges Schwermetall Blei, das die Umwelt schädigt
- Benötigt verhältnismäßig viel Platz aufgrund geringerer Effizienz
- Blei-Gel-Akkus und Salzwasserspeicher sind teurer in der Herstellung
- Salzwasserspeicher benötigen noch mehr Platz als Blei-Säure-Akkus
Lithium-Ionen-Akkus:
- Moderne und langlebige Technologie
- Lebensdauer von bis zu 20 Jahren
- Hoher Wirkungsgrad, übertrifft Blei-Akkus
- Höhere Energiedichte ermöglicht kompakte, platzsparende Akkus
- Rentabilität aufgrund langer Lebensdauer und hoher Anschaffungskosten
- Hohe Ladekapazität
- Noch nicht gesicherte Nachhaltigkeit trotz gefahrloser Entsorgung und Recycling
- Weniger nachhaltig im Vergleich zu anderen Batterietypen für die Speicherung von Solarstrom
- Ressourcenschonende Produktion wird derzeit nicht konsequent genug umgesetzt
Sind Stromspeicher nachhaltig?
Die Kombination aus Photovoltaikanlagen und Batteriespeichern trägt erheblich zur nachhaltigen Energieversorgung bei und reduziert CO2-Emissionen. Nach einer langen Nutzungsdauer können Batterien recycelt werden, wobei ein Großteil der wertvollen Metalle zurückgewonnen wird. Hersteller sind gesetzlich verpflichtet, Batterien zurückzunehmen und zu recyceln, und dieser Service ist in der Regel kostenlos. Darüber hinaus werden ausgemusterte Batterien von Elektroautos oft als Stromspeicher wiederverwendet, was die Nachhaltigkeit weiter steigert.
2. Solarstrom über die Solar-Cloud speichern
Solarstrom über die Cloud zu speichern klingt zunächst ungewöhnlich, aber es ist eine innovative Möglichkeit, die immer mehr Aufmerksamkeit auf sich zieht. Virtuelle Speicher, auch bekannt als „Solar-Cloud“, werden aktiv im Photovoltaikforum diskutiert. Bei diesem Konzept können Verbraucher bei einem Energieversorger oder Solarenergie-Speicherhersteller virtuellen Speicher mieten.
Bei einem Überschuss von produziertem Solarstrom kann dieser in der Cloud gespeichert werden: Nicht in echt, sondern in Form eines Guthabens, welches dem Einspeisenden gewährt wird. Kommt es dann beispielsweise im Winter zu einem Defizit, wird Strom aus dem bestehenden Guthaben zurückgetauscht.
Am Ende eines Jahres, wenn ein Überschuss an Strom in der Cloud vorhanden ist, wird dieser Überschuss in der Regel ausbezahlt. Zu beachten allerdings: Es ist bei diesem Konzept wichtig, sich gut zu informieren, wie der Anbieter der Solar-Cloud vorgeht, wenn am Jahresende kein Überschuss an Strom erwirtschaftet wurde.
3. Heizstäbe als Batteriespeicher
Heizstäbe können nicht nur dazu dienen, Wasser zu erwärmen, sondern auch als effiziente Batteriespeicher für Solarstrom fungieren. Die Funktionsweise ist simpel: Der Heizstab erwärmt Wasser, das dann in einem Pufferspeicher über einen längeren Zeitraum warm gehalten wird.
Auf diese Weise wird der Solarstrom in Form von Wärme gespeichert und steht zur Verfügung, auch wenn keine Sonneneinstrahlung vorhanden ist.
Diese Technik kann sowohl für die Beheizung von Heizkörpern im Haus als auch für die Warmwasserversorgung in Küche und Bad eingesetzt werden. Da der Pufferspeicher gut isoliert ist, bleibt die gespeicherte Energie auch dann verfügbar, wenn die Sonne nicht mehr scheint.
4. Solarenergie mit Hilfe von Solarthermie speichern
Solarenergie kann auch effektiv mithilfe von Solarthermie gespeichert werden. Dieser Prozess erfordert Solarkollektoren auf dem Dach, die entweder in Form von günstigeren Flachkollektoren oder teureren Röhrenkollektoren erhältlich sind.
Die Erwärmung des Wassers erfolgt direkt durch die Sonneneinstrahlung. Ähnlich wie bei der Nutzung von Heizstäben wird das erwärmte Wasser in einem Pufferspeicher aufbewahrt. Der Unterschied liegt jedoch darin, dass die Wärme von den Sonnenkollektoren direkt über Rohrleitungen in den Speicher übergeht.
Es gibt verschiedene Varianten von Pufferspeichern, die entweder dazu dienen, Brauchwasser zu erwärmen oder die Heizungsanlage zu unterstützen. Es gibt sogar Kombispeicher, die weniger Platz benötigen als zwei separate Speicher und effizienter sind, da die Wärmeverluste geringer ausfallen.
5. Wärmepumpe als Speicher von Solarenergie
Wärmepumpen können indirekt zur Speicherung von Solarenergie beitragen, indem sie die erzeugte Wärme nutzen und für spätere Verwendungszwecke speichern. Und wie funktioniert das?
Folgendermaßen: Wenn Solarenergie zur Stromerzeugung verwendet wird, kann ein Teil dieses Stroms zur Betreibung einer Wärmepumpe genutzt werden, die dann Wärme aus der Umgebungsluft, dem Boden oder dem Grundwasser gewinnt und in einem Wärmespeicher speichert.
Diese gespeicherte Wärme kann dann zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden, beispielsweise um Räume zu heizen oder Wasser zu erwärmen, wenn die Sonneneinstrahlung nicht ausreicht, um den Energiebedarf zu decken. Auf diese Weise ermöglichen Wärmepumpen die Nutzung von Solarenergie für Heizzwecke und tragen indirekt zur Speicherung und Nutzung von erneuerbarer Energie bei.
Es ist allerdings wichtig zu beachten, dass Wärmepumpen nicht direkt elektrische Energie speichern, sondern vielmehr die thermische Energie nutzen, die aus Solarenergie gewonnen wird. Daher ergänzen sie Batteriespeicher als alternative Form der Solarenergiespeicherung und bieten eine effiziente Möglichkeit, Solarenergie für Heizzwecke zu nutzen.
6. Power-to-Gas-Verfahren
Das Power-to-Gas-Verfahren wandelt überschüssige Solarenergie mittels Elektrolyse in Wasserstoff um, der dann als Energiespeicher genutzt wird. Zunächst wird das Wasser durch Elektrolyse in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Der erzeugte Wasserstoff wird in Speicheranlagen gelagert, entweder als komprimiertes Gas oder flüssiger Wasserstoff.
Bei Bedarf kann der gespeicherte Wasserstoff entweder direkt verbrannt werden, um mechanische Energie zu erzeugen, oder über eine Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Brennstoffzelle reagiert den Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Luft, um Strom zu erzeugen, wobei nur Wasser als Nebenprodukt entsteht. Dieses Verfahren bietet eine flexible Möglichkeit, überschüssige Solarenergie zu speichern und bei Bedarf zur Stromerzeugung zu nutzen.
Wichtig: Das Power-to-Gas-Verfahren stellt für Privathaushalte derzeit oft keine wirtschaftlich rentable Option dar. Die Anschaffungs- und Betriebskosten für Elektrolyseure und Wasserstoffspeicher sind in der Regel hoch, und der erzeugte Wasserstoff kann nicht immer effizient genutzt werden. Auch die Umwandlungseffizienz bei der Rückumwandlung von Wasserstoff in Strom mittels Brennstoffzellen ist nicht immer optimal.
Kann man Solarstrom für den Winter speichern?
Ja, Solarstrom kann für den Winter gespeichert werden, jedoch gibt es einige Herausforderungen zu beachten. Auch ist eine vollständige Autarkie aktuell meist noch nicht möglich. Im Winter muss oft Strom dazu gekauft werden, da beispielsweise Stromspeicher Solarstrom noch nicht über längere Zeiträume speichern können. Hier eine Methode, wie Solarstrom auch über eine längere Zeit hinweg gespeichert werden kann:
Erdspeicher
Erdspeicher sind eine effektive Möglichkeit, um Solarenergie über Monate hinweg zu speichern. Dazu werden Löcher für Erdsonden gegraben, durch die das warme Wasser von Solarthermieanlagen tief in den Boden gelangt. Das Erdreich speichert die Wärme lange. Alternativ kann auch stehendes Grundwasser genutzt werden (Aquiferspeicher). Diese Methode verhindert, dass die Wärme entweicht.
Am effizientesten ist es, ganze Felder von Erdsonden mit mehreren Bohrungen anzulegen, wodurch sich eine stabile Wärmeblase in der Tiefe bildet. Allerdings sind Erdsonden aufgrund der hohen Kosten oft nur für größere Projekte wirtschaftlich rentabel und für Eigenheimbesitzer möglicherweise zu teuer.
Wie wird Strom in Zukunft gespeichert?
In Zukunft könnten wir eine Vielzahl innovativer Ansätze zur Stromspeicherung sehen, die über die aktuellen Technologien hinausgehen. Hier sind einige mögliche Entwicklungen:
- Organische Batterien: Forscher arbeiten an der Entwicklung organischer Batterien, die aus organischen Materialien bestehen und potenziell kostengünstiger, umweltfreundlicher und sicherer als herkömmliche Batterien sein könnten. Diese Technologie könnte zu leichteren und flexibleren Batterien führen, die eine höhere Energiedichte und längere Lebensdauer bieten.
- Graphen-Speicher: Graphen ist ein vielversprechendes Material mit außergewöhnlichen elektrischen und mechanischen Eigenschaften. Forschungsbemühungen konzentrieren sich darauf, Graphen in Batterien und Supercapacitors zu integrieren, um leistungsstarke und langlebige Stromspeicher zu entwickeln.
- Quantenspeicher: Quantenspeicher basieren auf den Prinzipien der Quantenmechanik und könnten eine revolutionäre Möglichkeit bieten, große Mengen an Energie in extrem kleinen Systemen zu speichern. Diese Technologie ist noch in einem sehr frühen Stadium der Forschung, aber sie hat das Potenzial, zu extrem effizienten und kompakten Speicherlösungen zu führen.
- Schwungradspeicher mit Supraleitern: Schwungradspeicher verwenden die kinetische Energie, um Strom zu speichern. Durch die Verwendung von Supraleitern könnten Schwungradspeicher effizienter und leistungsfähiger werden, da sie nahezu verlustfreie Energieübertragung ermöglichen.
- Wasserstoff und synthetische Kraftstoffe: Power-to-Gas-Technologien könnten weiterentwickelt werden, um große Mengen an Strom in Wasserstoff oder synthetische Kraftstoffe umzuwandeln, die dann langfristig gespeichert und bei Bedarf in Strom umgewandelt werden können.
Fazit
Die Speicherung von Solarenergie ist von zentraler Bedeutung für die effektive Nutzung erneuerbarer Energien und für die Förderung einer nachhaltigen Energiezukunft. Während Solarenergie eine vielversprechende Quelle ist, stellt die Verfügbarkeit nur während sonnenarmer Perioden eine Herausforderung dar.
Hier kommt die Speicherung von Solarenergie ins Spiel. Sie macht es möglich, die Sonnenenergie auch dann nutzbar zu machen, wenn keine Sonne scheint. Durch die Untersuchung verschiedener Technologien wie Batteriespeicher, Power-to-Gas-Verfahren, Solarthermie, und andere innovative Ansätze, können wir feststellen:
Die Speicherung von Solarenergie ist nicht nur technisch machbar, sondern auch ökonomisch sinnvoll. Während einige Technologien wie Batteriespeicher bereits weit verbreitet sind, stehen andere wie organische Batterien oder Quantenspeicher noch am Anfang ihrer Entwicklung.
In Zukunft könnten wir eine Vielzahl innovativer Ansätze zur Stromspeicherung sehen, die über die aktuellen Technologien hinausgehen und dazu beitragen, die Nutzung von Solarenergie weiter zu optimieren und zu erweitern.
