Windkraft ist die wichtigste Quelle für regenerativen Strom weltweit. In Deutschland kommt sie für mehr als ein Viertel des gesamten Stromverbrauchs auf. Bei der installierten Leistung liegen China, die USA und Deutschland im weltweiten Vergleich vorn, dicht gefolgt von Indien und Spanien. Batteriespeicher können künftig eine wichtige Rolle für das Management der mit dem Wind fluktuierenden Stromerzeugung spielen: In zentralisierten Energieversorgungsnetzen ließe sich so der Bedarf an Residuallast-Kraftwerken und Netzausbau senken sowie die Rentabilität der Windkraftanlagen steigern. In dezentralen oder Inselnetzen kann eine stabile Energieversorgung bei mäßigem Flächenverbrauch realisiert werden.

Relevanz dieses Anwendungsfeldes

Windkraft ist die tragende Säule der regenerativen Energieerzeugung in Deutschland. 2020 wurden 132 TWh Windstrom generiert (105 TWh onshore und 27 TWh offshore), das entspricht 27 % der gesamten deutschen Stromerzeugung. Damit übertraf Strom aus Windkraft alle anderen Energiequellen wie Braunkohle (82 TWh bzw. 17 %) und Kernenergie (61 TWh bzw. 13 %) und trug wesentlich dazu bei, dass der Anteil erneuerbarer Energien an der gesamten Nettostromerzeugung 2020 erstmals bei über 50 % lag.¹ In der EU belief sich die Windstromproduktion 2019 auf 426 TWh,² weltweit betrug sie 2018 rund 1.263 TWh.³ Die installierte Leistung belief sich dabei in Deutschland auf 63 GW (2020)⁴, in der EU auf 192 GW (2019)² und weltweit auf 622 GW (2019)³. Die Top-fünf-Länder sind China, die USA, Deutschland, Indien und Spanien.⁵ Auch für die Zukunft ist, gerade vor dem Hintergrund verstärkter Klimaschutzbemühungen in den wichtigsten Wirtschaftsräumen sowie dem Bestreben nach einer kostengünstigen dezentralen Energieversorgung in Entwicklungs- und Schwellenländern, mit deutlichen Wachstumsraten zu rechnen.

Der Erfolg der Windkraftnutzung ist von einigen Vorteilen getrieben: Die Technik der Windkraftanlagen ist ausgereift, ihre energetische Amortisationszeit – d. h. die Zeit, in der die Anlage so viel Energie erzeugt hat, wie für Ihre Herstellung erforderlich ist – mit wenigen Monaten sehr kurz und ihr Flächenbedarf vergleichsweise gering.⁶ Zudem weisen die Anlagen eine gute Wirtschaftlichkeit auf. Zentraler Nachteil ist die in Abhängigkeit vom Wind fluktuierende Stromerzeugung. Da im Stromnetz Erzeugung und Verbrauch ständig im Ausgleich sein müssen, sind Regulierungsmaßnahmen erforderlich. In Phasen geringer Erzeugung aus regenerativen Energiequellen kann die Erzeugungslücke („Residuallast") von anderen, fossil betriebenen Kraftwerken zur Verfügung gestellt werden, deren Vorhaltung und Betrieb jedoch erhebliche Kosten mit sich bringen. In begrenztem Maße sind auch verbraucherseitige Anpassungen (Verlagerung der Stromnutzung in Phasen hoher Verfügbarkeit) möglich. Eine zentrale Rolle zum Umgang mit fluktuierender Erzeugung spielt in zentralisierten Netzen zudem der Netzausbau, der vor allem Gebiete mit hoher Erzeugung (z. B. Windkraft in Norddeutschland) und Gebiete mit hohem Verbrauch (z. B. Industrieregionen in Süddeutschland) mit leistungsstarken Leitungen verbinden kann.

Einsatz von Batteriespeichern

In jüngster Zeit rückt die Speicherung von Windenergie verstärkt in den Blickpunkt. Hierfür bestehen zwei Ansatzpunkte: Zum einen kann Strom zur elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff verwendet werden („Power-to-gas"). Dieser lässt sich vergleichsweise gut speichern und über das bestehende Gasnetz transportieren. Allerdings sind bereits die herstellungsbedingten Umwandlungs­verluste mit rund 30 % erheblich.⁷ Soll der Wasserstoff in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen, treten bei der Komprimierung, an der Tankstelle sowie bei der Stromerzeugung in der Brennstoffzelle weitere Verluste auf, so dass am Ende nur rund 15 % der zur Wasserstofferzeugung eingesetzten Energie für den Antrieb zur Verfügung stehen.⁸ Daher wird die Wasserstoffproduktion vor allem mit Blick auf Anwendungsfelder diskutiert, in denen eine batterieelektrische Speicherung aus Kapazitätsgründen nicht praktikabel erscheint.⁹ Zum anderen können Batterien für eine deutlich effizientere Zwischenspeicherung zum Einsatz kommen: Für Ein- und Ausspeicherung fallen hier lediglich Verluste im Bereich von bis zu 13 % an (round-trip efficiency unter Berücksichtigung der Leistungselektronik).¹⁰ Dies in Verbindung mit kurzen Bereitstellungszeiten macht Batteriespeicher neben Erzeugungs- und Verbrauchsanpassungen zu einer attraktiven dritten Option für das Management fluktuierender Stromerzeugung. Durch ihren Einsatz kann der Bedarf an Residuallast-Kraftwerken sowie eines Ausbaus des bestehenden Stromnetzes reduziert werden.

Einen interessanten Fall stellt das so genannte Einspeisemanagement von Windkraftanlagen dar. Droht bei hoher Windstromerzeugung eine Netzüberlastung, kann der betroffene Netzbetreiber in Deutschland unter bestimmten Umständen eine Zwangsabregelung von EEG-geförderten Anlagen veranlassen. Die abgeregelte Energie, die bei normalem Betrieb erzeugt worden wäre („Ausfallarbeit"), wird über Nutzungsentgelte entschädigt. Im Jahr 2019 belief sich die Ausfallarbeit im Sektor Windenergie allein in Deutschland auf 6,3 TWh – das sind, bezogen auf die gesamte Windstromerzeugung, rund 4,8 %.^11,2 Mit anderen Worten: 6,3 TWh hätten mit den bestehenden Windkraftanlagen zusätzlich erzeugt und nutzbar gemacht werden können, wären geeignete Batteriespeicher zum Einsatz gekommen. Dies entspricht mehr als der halben Jahresstromerzeugung eines großen Kohle- oder Atomkraftwerks. Daneben existieren auch Anlagen, deren volles Potenzial aufgrund mangelnder Aufnahmefähigkeit der angeschlossenen Netzebene dauerhaft nicht zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Auch hier ist die Zwischenspeicherung mit Batterien eine ökologisch und ökonomisch vielversprechende Option.

Auch in dezentralen oder Inselnetzen spielt die Stromerzeugung aus Windkraft häufig eine zentrale Rolle. Hier sind, aufgrund der geringeren Anlagenzahl auf Erzeuger- wie auch auf Verbraucherseite, die Fluktuationen meist ungleich größer als in Verbundnetzen. Umso wichtiger ist der Einsatz von Pufferspeichern für eine stabile Stromversorgung – besonders dann, wenn größere Erzeugungslücken überbrückt werden müssen.¹²

Performance-Anforderungen

Die Windkraftnutzung verspricht eine umwelt- und ressourcenverträgliche Energieversorgung. Batteriespeicher besitzen das Potenzial, diese weiter zu verbessern: durch den Ausgleich fluktuierender Stromerzeugung wie auch die Zwischenspeicherung bei Netzüberlastung. Allerdings müssen auch sie dann hohen ökologischen Anforderungen genügen. Dies betrifft die benötigten Rohstoffe ebenso wie die Performance des Akkus: Je „weniger Batterie" pro kWh effektiver Speicherkapazität benötigt wird, desto besser fällt seine Ökobilanz aus.

Besonders hohe Anforderungen werden an die Lebensdauer der verwendeten Batteriespeicher gestellt. Windkraftanlagen werden für Zeiträume von rund 25 Jahren projektiert. Mit Blick auf die Investitionssicherheit sollten die verwendeten Akkus mindestens dieselbe Laufzeit aufweisen. Da die Zyklenfrequenz bei der Speicherung von Windenergie relativ hoch sein kann, sind Batterietypen von Vorteil, die selbst unter diesen Bedingungen kaum altern.