Wie riesige „Batterien“ auf der Erde Ihre Stromrechnungen senken könnten

Sonnenkollektoren und Windturbinen liefern der Welt reichlich Energie – bringen aber ein Rätsel mit sich. Wenn es draußen sonnig und windig ist, produzieren diese erneuerbaren Energien vielerorts mehr Strom, als gerade tatsächlich benötigt wird. Wenn dann die Sonne nicht scheint und kein Wind weht, liefern diese erneuerbaren Energien wenig bis gar keinen Strom, wenn er dringend benötigt wird.

Damit das Netz von morgen zu 100 Prozent erneuerbar ist, muss es viel mehr Energie speichern. Sie haben wahrscheinlich schon davon gehört riesige Lithium-Ionen-Batterien Speichern dieser Energie für die spätere Verwendung. Aber bei der Bereitstellung von Notstrom ist selbst eine große Batteriebank in der Regel innerhalb von vier Stunden leer. Der Bedarf an einer Alternative veranlasst die US-Regierung, Forscher und Start-ups, sich darum zu bemühen, mehr „Langzeit-Energiespeicher“ zu entwickeln, die mindestens 10 Stunden Notstrom liefern können – oft durch die Nutzung von Reservoirs, Kavernen und anderen Teilen des Stroms Landschaft als Batterien.

Eine neue Studie mehrerer Universitäten und nationaler Labore in den Vereinigten Staaten und Kanada zeigt, dass der groß angelegte Einsatz von Langzeit-Energiespeichern nicht nur machbar, sondern auch unerlässlich ist, damit erneuerbare Energien ihr volles Potenzial entfalten können, und dass sogar die Stromrechnungen gesenkt werden könnten. Es befasste sich speziell mit der Western Interconnection, einem Teil des Netzes, der den Westen der USA und Kanada sowie einen Teil Nordmexikos umfasst. Die Studie ergab, dass der Bau weiterer Langzeitspeicher für Energie in Zeiten hoher Nachfrage die Strompreise um mehr als 70 Prozent senken würde.

„Es ist wie ein Orchester“, sagte Patricia Hidalgo-Gonzalez, Direktorin des Renewable Energy and Advanced Mathematics Laboratory an der University of California in San Diego und Mitautorin des Artikels letzten Monat veröffentlicht in der Zeitschrift Nature Communications. „Wir müssen über all diese Faktoren nachdenken und darüber, wie sie funktionieren. Aber die Einführung von mehr Speicher kann nur dazu beitragen, dies kosteneffizienter zu machen.“

Es gibt bereits Technologien, um erneuerbare Energie mindestens einen halben Tag lang zu speichern, weitere sind in Planung. Eine Technik ist als Pumpspeicherkraftwerk bekannt: Wenn das Netz mit erneuerbarem Strom versorgt wird, pumpt eine Anlage Wasser bergauf in einen Stausee. Wenn dann die Solar- oder Windenergie ausfällt, lässt die Anlage das Wasser los, um zurück in ein anderes Reservoir zu fließen und Turbinen anzutreiben, die Strom erzeugen. Es nutzt die Energie des Windes und der Sonne sowie die Kraft der Schwerkraft.

„Die alleinige Batteriespeicherung – oder das, was man kurzzeitige Energiespeicherung nennt – ist sehr wichtig“, sagte Martin Staadecker, Energiesystemforscher am Massachusetts Institute of Technology und Hauptautor der neuen Studie. „Aber man kann sich nicht nur auf Lithium-Ionen-Batterien verlassen, denn es wäre sehr teuer, genug zu haben, um tatsächlich eine ganze Woche Strom zu liefern.“

Im Jahr 2022 verfügten die USA über 43 Pumpspeicherkraftwerke mit einer Gesamterzeugungskapazität von 22 Gigawatt. (Für die PerspektiveDie USA verfügen über rund 150 Gigawatt Windkraft und 140 Gigawatt Solarenergie.) Nach Angaben des Energieministeriums haben die USA das Potenzial dazu verdoppeln seine Kapazität für diese Art der Energiespeicherung. Im Jahr 2021 startete die Biden-Regierung ihre LangzeitspeicheraufnahmeTeil der Energy Earthshots-InitiativeZiel ist es, die Kosten der Technologie innerhalb eines Jahrzehnts um 90 Prozent zu senken. Und letztes Jahr, es kündigte 325 Millionen US-Dollar an für 15 langfristige Energiespeicherprojektedarunter eine, die Wärmeenergie in Beton speichert, und andere, um neuartige Batterien aus Eisen, Wasser und Luft herzustellen.

Die Forscher untersuchten die langfristige Energiespeicherung, ohne die jeweilige Technik zu berücksichtigen, und fragten, wie sie die Western Interconnection am günstigsten zu 100 Prozent emissionsfrei machen könnten. Ihre Studie ergab, dass eine langfristige Energiespeicherung für die Kunden eines Energieversorgers besonders vorteilhaft wäre, da sie die Stromkosten in Zeiten hoher Netznachfrage senken würde, etwa am späten Nachmittag, wenn die Leute nach Hause kommen und gleichzeitig mit der Solarenergie Geräte einschalten in der Startaufstellung lässt nach. Mehr Speicher bedeutet auch mehr Notstrom für immer heißere Hitzewellen, wenn ganze Regionen ihre Klimaanlagen einschalten.

Auch Unternehmen überlegen, wie sie Energie unter der Erde speichern können. Ein Unternehmen namens Hydrostor mit Sitz in Toronto, Kanada, nutzt überschüssige erneuerbare Energie im Netz, um Druckluft in mit Wasser gefüllte unterirdische Höhlen zu pumpen. Dadurch wird das Wasser über der Erde in ein Reservoir gedrückt. Wenn das Netz Strom benötigt, lässt Hydrostor das Wasser zurück in die Kammer fließen und drückt die Luft zurück an die Oberfläche, um Turbinen anzutreiben. „Wir erschaffen sozusagen einen unterirdischen Kolben aus Wasser“, sagte Jon Norman, Präsident von Hydrostor. „Wir bauen tatsächlich einen Hohlraum mit Techniken, die sie in der Kohlenwasserstoffspeicherindustrie zur Speicherung von Propan und Butan verwenden.“

Wenn einer Region der erneuerbare Strom ausgeht, beispielsweise wenn die Sonne untergeht, müsste sie kohlenstofffreien Strom von anderswo importieren. Dafür sind jedoch Übertragungsleitungen erforderlich, die Hunderte oder Tausende Kilometer Land durchschneiden, deren Genehmigung schwierig und der Bau teuer ist. Die neue Studie ergab, dass es zwischen 83 und 130 Milliarden US-Dollar kosten würde, die in der Modellierung berücksichtigte Menge an Langzeitenergiespeichern einzusetzen – abhängig davon, wie der Preis der Technologie mit zunehmender Reife sinkt.

Mit der langfristigen Energiespeicherung können Energieversorger mehr Solarpaneele und Windturbinen vor Ort einsetzen und ihre Energie speichern, anstatt sie von irgendwo anders transportieren zu müssen. Kevin Schneider, ein Elektroingenieur, der das Stromnetz am Pacific Northwest National Laboratory untersucht, aber nicht an der neuen Forschung beteiligt war, sagte, dass dadurch die erheblichen Kosten für den Bau von Fernübertragungsleitungen gesenkt werden könnten. „Durch die Flexibilität des Systems, mit der man über ein Stromreservoir verfügen kann, das man speichern und dann wieder abgeben kann, müssen wir nicht so viel Infrastruktur aufbauen und sind auch etwas widerstandsfähiger.“

Das Netz von morgen könnte also voller erneuerbarer Energie sein, die sowohl in riesigen Batteriebanken als auch in der Landschaft selbst gespeichert ist. Solar- und Windenergie würden nicht mehr verschwendet.