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Energiespeicher-Technologien im Überblick

Was ist ein Energiespeicher? Welche technischen Möglichkeiten zum Speichern von Energie gibt es? Welche Energieform speichern die verschiedenen Speicherarten? Welche Vor- und Nachteile haben sie?

Energiespeicher sind entscheidend für die weitere Verbreitung erneuerbarer Energien zur Stromversorgung in Deutschland. Sie sind die Hürde, die es zu nehmen gilt, wenn Strom künftig umweltbewusst erzeugt und verwendet werden soll. Es gibt derzeit verschiedene Energiespeicher, die sich sowohl im Aufbau, als auch in der Betriebsart und der Energieform, die sie speichern, unterscheiden. Dieser Ratgeber-Artikel will Sie über die gängigen Energiespeicher informieren und neben ihren Wirkprinzipien ihre wichtigsten Vor- und Nachteile herausstellen. Sie erfahren dabei auch, wo die Energiespeicher vorrangig zum Einsatz kommen und welche Leistung sie bringen.

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Bedeutung von Energiespeichern für die Energiewende

Energiespeicher werden allgemein als „Anlagen, die Energie mit dem Ziel der elektrischen, chemischen, elektrochemischen, mechanischen oder thermischen Speicherung aufnehmen und einer zeitlich verzögerten Nutzung wieder zur Verfügung stellen“ definiert. Energiespeicher nehmen jedoch über die reine Speicherfunktion eine wesentlich umfassendere Bedeutung innerhalb ihrer intelligenten Vernetzung mit dezentralen Energieerzeugungsanlagen ein.

Nur wenn PV-Anlagen, Windkraftwerke, Mikro-KWK-Anlagen sowie andere Energieerzeuger und -verbraucher miteinander digital verknüpft und gesteuert werden, sind in Zukunft Energieverbrauch und Energieerzeugung bei Haushalten, Gewerbebetrieben und Industrie möglichst zu jeder Stunde des Tages in Einklang.

Essentiell, um die Energieversorgung der Zukunft zu realisieren, sind moderne Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) sowie Energiespeicher. PV-Speicher, Wärmespeicher, Power-to-Gas-Anlagen oder Power-to-Heat-Aggregate stellen die Frequenzhaltung im Stromnetz sicher und sind die Basis dafür, dass Energienachfrage und -bedarf im intelligenten Stromnetz flexibel aufeinander abgestimmt werden können.

Systematische Einordnung von Energiespeicher-Technologien

Die aktuellen Möglichkeiten zur Speicherung von Energie sollen hier vorgestellt werden. Technologisch unterscheidet man Energiespeicher in:

  • mechanische Energiespeicher
  • chemische Energiespeicher
  • elektrochemische Energiespeicher
  • elektrische Energiespeicher
  • thermische Energiespeicher

Bezogen auf die entsprechenden technischen Anlagen, mit denen sich die Energiespeicherung realisieren lässt, ergibt sich folgendes Bild (in Klammern erfolgt die Angabe der Energieform, die die Energiespeicher speichern):

zu den mechanischen Energiespeichern zählen:

  • Pumpspeicher (potentielle Energie des Wassers)
  • Druckluftspeicher (kinetische Energie des Gasdrucks)
  • und Schwungradspeicher (kinetische Energie der rotierenden Masse)

zu den chemischen Energiespeichern zählen:

  • Power-to-Gas-Anlagen (Umwandlung in Gas)
  • Power-to-Liquid-Anlagen (Umwandlung in Kraftstoff)
  • Power-to-Chemicals-Anlagen (Umwandlung in Chemieprodukte)

zu den elektrochemischen Energiespeichern zählen:

  • klassische Batteriespeicher (elektrochemische Energie in der Elektrode)
  • Redox-, Hybrid-Flow-Batteriespeicher (elektrochemische Energie im Elektrolyt)

zu den elektrischen Energiespeichern zählen:

  • supraleitende magnetische Speicher (elektrische Energie im magnetischen Feld)
  • Superkondensatoren (elektrische Energie im elektrischen Feld)

zu den thermischen Energiespeichern zählen:

  • sensible Wärmespeicher (thermische Energie in Teilchenbewegung)
  • Latentspeicher (Enthalpie thermodynamischer Zustandsänderungen)
  • Thermochemische Speicher (Wärmespeicherung durch endotherme Reaktion)
Tabelle 1: Energiespeicherarten klassifiziert nach dem zugrundeliegenden physikalischem Funktionsprinzip
elektrisch chemisch/ elektrochemisch mechanisch thermisch
Kondensatoren Power-to-Gas Pumpspeicher sensible Wärmespeicher
Spulen Power-to-Liquid Druckluftspeicher latente Wärmespeicher
  Power-to-Chemicals Federn thermochemische Wärmespeicher
  Batterien Schwungmassenspeicher  

Mechanische Speicher: Pumpspeicherkarftwerke, Druckluftspeicher und Schwungradspeicher

Pumpspeicherkraftwerke (PSW)

Das Hornbergbecken des Kavernenkraftwerks Wehr (hier bei der Sanierung) gehört mit einer mittleren Jahreserzeugung von 1,16 Milliarden Kilowattstunden zu den größten Pumpspeicheranlagen der Welt. (Foto: StoCretec)
Das Hornbergbecken des Kavernenkraftwerks Wehr (hier bei der Sanierung) gehört mit einer mittleren Jahreserzeugung von 1,16 Milliarden Kilowattstunden zu den größten Pumpspeicheranlagen der Welt. (Foto: StoCretec)

Pumpspeicherkraftwerke (auf Englisch: „Pumped Hydro Electric Storage“, kurz: PHES), zählen zu den am häufigsten großtechnisch eingesetzten Energiespeichern. Die Pumpspeichertechnik hat sich bislang technisch am besten bewährt.

Und so funktioniert die Energiespeicherung bei Pumpspeicherwerken: Wasser aus dem Unterbecken wird in ein höher gelegtes Becken (sogenanntes Oberbecken) gepumpt und dort aufbewahrt, (daher wird das Oberbecken auch Reservoir bezeichnet), wobei elektrische Energie als potentielle Energie des Wassers gespeichert wird. Besteht Bedarf an Energie, wird das Wasser über eine Turbine abgelassen und mit Hilfe eines Generators wird so Strom (zurück)gewonnen.

Bei Pumpspeicherkraftwerken nutzt man zwei Aufbauprinzipien:

  • Tandembauweise (Pumpe plus Turbine)
  • Einsatz von Pumpturbinen (Pumpturbine)

Pumpspeicherkraftwerke in Tandembauweise nutzen Pumpen und Turbine als jeweils eigenständige Maschinensätze (Aggregate). Kommen hingegen sogenannte Pumpturbinen zum Einsatz, sind diese quasi 2-in-1: sowohl Pumpe als auch Turbine. Das spart einerseits Investitionskosten, andererseits sinkt mit der 2-in-1-Technik auch der Wirkungsgrad der Anlage.

Üblicherweise haben Pumpspeicherkraftwerke Wirkungsgrade zwischen 70 und 80 Prozent. Die Leistungsverluste ergeben sich aus den Wirkungsgraden der Bauteile (Pumpe, Turbine) und den Reibungsverlusten in den Rohren – dafür gibt’s kaum Verdunstungsverluste.

Allein der Höhenunterschied zwischen den beiden Becken, der in der Regel zwischen 70 und 600 Metern beträgt, ist ausschlaggebend für die Energiedichte, die sich aus dem Speichern ergibt. Die Energiedichte bewegt sich bei der genannten Höhendifferenz zwischen 200 und 1600 Wattstunden (Wh) pro Kubikmeter (m3).

Gleichwohl die Pumpspeichertechnik derzeit die am häufigsten eingesetzte Energiespeichertechnik ist, weil sie eine vergleichsweise hohe Speicherkapazität bietet und als recht flexibel zu steuern und schnell einzusetzen gilt, gibt es zu ihrem Ausbau berechtigte Bedenken:

  1. Aus ökologischer Sicht bedeutet der Bau eines Pumpspeicherwerks einen massiven, irreparablen Eingriff in die originale Landschaft.
  2. Es gibt von Mutter Natur aus nur noch wenige, mögliche neue Standorte in Deutschland, die die für ein neues Pumpspeicherwerk nötigen Voraussetzungen, insbesondere topologische, erfüllen.

Druckluftspeicher

Auch Druckluftspeicher speichern Energie mechanisch. Das gelingt, indem verdichtete Luft unter hohem Druck in dafür geeigneten Behältern oder entsprechend dichten Hohlräumen (Fachausdruck: stoffdichten Hohlräumen) eingeschlossen wird. Dabei ist das Verdichten der Luft von zentraler Bedeutung, denn nur damit wird zum Speichern eine akzeptable Energiedichte, sprich: ein entsprechendes Speichervolumen, erzielt. Die Energiedichte bei Druckluftspeichern lässt sich auf ein bis zwei kWh/m3 beziffern.

Solche Druckluftspeicher können die verschiedensten Formen haben wie zum Beispiel

  • Drucklufttanks,
  • Kavernen in Salzstöcken oder
  • z. B. Unterwasser-Ballone.

In diese Behältnisse wird über sogenannte Verdichter komprimierte Luft eingebracht. Mit dem sogenannten Solverfahren lassen sich in Salzstöcken Kavernen von einer Millionen Kubikmeter Volumen schaffen, wobei das Solverfahren auch beim damit konkurrierenden Speichern von Wasserstoff zur Energiespeicherung (siehe Power-to-Gas weiter unten) zum Einsatz kommt.

Außerdem lässt sich Druckluft noch

  • in porösen, aber gasdichten Gesteinsformationen speichern
  • sowie in sogenannten Aquifer-Strukturen, also Strukturen in einem Grundwasserleiter, die gasdicht abschließen und in denen die Druckluft das Wasser verdrängt.

Egal, wo die Druckluft gespeichert wird, die in den Behältern, Kavernen und anderen Hohlräumen eingeschlossene mechanische Energie lässt sich abrufen, indem man bei Bedarf die Druckluft über Turbinen, die wiederum Generatoren antreiben, entspannt. Dabei wird die mechanische Energie in elektrische umgewandelt, die sich ins Stromnetz einspeisen lässt.

Der Aufbau von Druckluftspeicherkraftwerken kann modular realisiert werden. Dabei werden die Motor-Kompressor- und die Turbine-Generator-Einheiten jeweils als systematische Elemente des Kraftwerks einzeln gekoppelt, so dass sich eine Kaverne gemeinsam nutzen lässt.

Ein genauerer Blick auf das Ganze lohnt sich: Denn beim Verdichten der Luft, während sie in den Speicher geladen wird, entstehen wegen der damit verrichteten Kompressionsarbeit zugleich hohe Temperaturen. Bei einstufiger Kompression ohne Zwischenkühlung wird die komprimierte Luft bis zu 650 Grad Celsius heiß! Das ist jede Menge thermische Energie, die allerdings noch nicht genutzt, sondern an die Umgebung geleitet wird. Der Grund: Druckluft in Kavernen darf aus bergbaulichen Gründen nicht wärmer als 50 Grad Celsius sein. Dem somit großen Verlust an Wärme steht die Notwendigkeit gegenüber, die Druckluft mit Hilfe von Verbrennungsprozessen auf die für den Eintritt in die Turbine nötige Temperatur vorzuwärmen. Das rechnet sich aus ökologischer und ökonomischer Sicht mehr schlecht als recht.

Schwungradspeicher (Schwungräder)

Mit sogenannten Schwungrädern (auf Englisch: „Flywheel Energy Storage System“, kurz: FESS) speichert man überschüssige elektrische Energie als Rotationsenergie (Bewegungsenergie, kinetische Energie). Dazu wird das Schwungrad mittels eines elektrisch betriebenen Motors bewegt (in Bewegung gebracht) oder seine Drehzahl erhöht, wobei Energie gespeichert wird. Soll die gespeicherte Bewegungsenergie genutzt werden, wandelt ein Generator sie in elektrische Energie um. Um die Funktionsweise des Schwungradspeichers zu gewährleisten, der sowohl beim Beladen (Einspeichern) als auch beim Entladen (Energieentnahme) die Drehzahl des namensgebenden Rades ändert, ist ein sogenannter Frequenzumrichter nötig: Er passt die jeweils mit dem Schwungrad erzeugte elektrische Spannung an die Netzfrequenz an.

Wissen muss man, dass die gespeicherte Rotationsenergie proportional zum Massenträgheitsmoment und zum Quadrat der Winkelgeschwindigkeit ist. Das heißt für den effizienten Betrieb des Energiespeichers: Die speicherbare Energiemenge lässt sich eher erhöhen, wenn man die Drehzahl des Schwungrades steigert, als wenn man dessen Masse des Rades vergrößert.

Doch auch die Steigerung der Drehzahl hat ihre Grenzen: Sie ergeben sich aus der Zugfestigkeit – und diese wiederum aus der Dichte – des Materials, aus dem das Schwungrad besteht. Leichten Materialien, die eine hohe mechanische Zugfestigkeit besitzen, zum Beispiel glasverstärkten oder kohlefaserverstärkten Kunststoffen wird hier heute der Vorzug gegeben.

Man unterscheidet zwei Ansätze in Sachen Schwungräder:

  • metallische Low-Speed-Flywheels (Drehzahl: 5.000 bis 10.000 Umdrehungen, Speicherdichten 5 Wh pro Kilogramm (kg))
  • und modern High-Speed-Flywheels aus Faserverbundwerkstoffen (Drehzahl: 10.000 Umdrehungen pro Minute, Energiedichte: 100 Wh/kg).

Schwungräder können bis auf die auftretenden Verluste die ganze Energie abgeben, die sie speichern. Eine sogenannte Tiefentladung ist möglich. Hervorzuheben ist, dass Schwungräder die in ihnen gespeicherte Energie in kürzester Zeit abgeben können: die Rede ist hier von Sekunden und Sekundenbruchteilen! Daraus resultieren sehr hohe Leistungsdichten. Der Wirkungsgrad von Schwungradspeichern liegt bei 95 Prozent.

Allerdings sind die Ruheverluste sehr hoch: etwa 20 Prozent pro Stunde. Die Ruheverluste entstehen zum Beispiel durch Reibungsverluste an den Lagern und am Schwungrad. Man mindert sie, wenn man das Schwungrad in einer Vakuumkammer laufen lässt. Oder man nutzt Magnetlager mit Supraleitern, deren Verluste geringer sind als die von Wälz- oder Gleitlagern. Als Nachteil kreidet man den Schwungradspeichern an, dass für ihren Betrieb eine aufwendige Kühlung nötig ist.

Elektrische Speicher: Supraleitende magnetische Energiespeicher, Kondensatoren

Supraleitende magnetische Energiespeicher

Aus der Theorie, dass Strom in einem supraleitenden Stromkreis unendlich lange fließen kann, ohne dass man von außen weitere Energie zuführt, entwickelte man supraleitende magnetische Energiespeicher (auf Englisch: „Superconducting Magnetic Energy Storage“, kurz: SMES). Dafür durchfließt ein Gleichstrom aus einem Gleichrichter eine Spule, die aus supraleitendem Material besteht, wobei ein Magnetfeld erzeugt wird, in dem die Energie gespeichert wird.

Nach Ende der Beladung unterbricht man die Stromzufuhr. Zugleich wird ein Schalter aus gleichfalls supraleitendem Material betätigt, der die Spule vom Wechselrichter trennt. Zum Entladen der gespeicherten Energie koppelt man den Stromkreis erneut an den Wechselrichter, so dass aus dem Gleichstrom Wechselstrom erzeugt wird.

Man unterscheidet Niedertemperatur- und Hochtemperatur-Supraleiter, erstere sind meist aus Kupfer, letztere aus teurerem Silber. Der Wirkungsgrad von solchen Energiespeichern liegt für das Erzeugen von Gleichstrom bei 97 Prozent, wobei ein erheblicher Kühlungsaufwand zu bedenken ist. Vorteilhaft an den supraleitenden magnetischen Energiespeichern ist, dass mit ihnen eine teilweise Entladung möglich ist. Die mit ihnen erreichbaren Energiedichten liegen bei etwa 300 bis 3.000 Wh/kg.

Kondensatoren

Bei Kondensatoren unterscheidet man nach deren Wirkprinzipien (elektro-physikalisch und elektro-chemisch) zur Energiespeicherung folgende Arten:

  • konventionelle Kondensatoren (Nutzung elektrostatischer Kräfte),
  • elektrochemische Doppelschichtkondensatoren (Nutzung elektrostatischer Kräfte)
  • und Pseudo- und Hybridkondensatoren (Nutzung elektrochemischer Reaktionen).
Tabelle 2: Gruppierung von Kondensatoren nach dem Wirkprinzip
Elektrochemischer Doppelschichtkondensator Hybridkondensator Pseudokondensator
Aktivkohle Kombinationshybride Leitfähige Polymere
Kohlenstoffnanoröhrchen Asymmetrische Hybride Metalloxide
Kohlenstoffaerogele Batterieartige Hybride  

Die Wirkungsgrade von Superkondensatoren liegen zwischen 85 und 98 Prozent. Aber: Es gibt eine sogenannte Selbstentladungsrate, die bei spürbaren 14 Prozent pro Monat liegt. Sie setzt der Anwendung dieser Energiespeicher technische Grenzen. Mit Kondensatoren realisierbare Energiedichten liegen heute zwischen 5 und 10 Wh/kg, während erreichbare Leistungsdichten bei rund 10.000 W/kg liegen.

Elektrochemische Speicher: Dezentrale und zentrale Batteriespeicher

Elektrochemische Energiespeicher sind quasi wiederaufladbare Batterien, für die es heutzutage unzählige technische Ansätze gibt, darunter:

Dezentrale Batteriespeicher

Zu Batteriespeichern muss man wissen, dass sie derzeit Großteils in kleiner ausgelegten Stromsystemen zur Anwendung kommen, beispielsweise in Ein- und Zweifamilienhäusern. Da bislang die Zahl der mit ihnen möglichen Ladezyklen noch recht klein ist, sind die Gesamtkosten für diese Energiespeicher noch relativ hoch. Hinzu kommt die Tatsache, dass sich wegen des häufigen Be- und Entladens der Batterien deren Speicherkapazität stetig verringert. Das wiederum schränkt die Möglichkeiten ihres Einsatzes erheblich ein.

Zentrale Batteriespeicher

Im Projekt SmartRegion Pellworm trägt ein Energiespeicher aus unterschiedlichen Batteriesystemen dazu bei, pro Jahr die rund dreifache Menge an Elektrizität aus Erneuerbaren Energien zu erzeugen als verbraucht wird. (Foto: Carsten Bernot / EEHH-Cluster)
Im Projekt SmartRegion Pellworm trägt ein Energiespeicher aus unterschiedlichen Batteriesystemen dazu bei, pro Jahr die rund dreifache Menge an Elektrizität aus Erneuerbaren Energien zu erzeugen als verbraucht wird. (Foto: Carsten Bernot / EEHH-Cluster)

Immer häufiger werden Batteriespeicher aber auch "in Groß" eingesetzt. Dabei werden eine Vielzahl an Batterien zusammengeschlossen, die dann Strom aus dem Niederspannungsnetz aufnehmen und gezielt bei Bedarf wieder abgeben können. Solcherlei Konzepte werden u.a. auch Quartierspeicher genannt. Der Energiespeicher fungiert dann als regionaler Puffer und kann auch zur weiteren Vermarktung häufig von Solarstrom regionaler Photovoltaik-Anlagen eingesetzt werden.

Weitaus komplexer sind virtuelle Kraftwerke wie z. B. Schwarmkraftwerke bei denen tausende in der Republik voneinander regional unabhängig aufgestellte Energiespeicher Strom bei Bedarf auf- und auch wieder abgeben können. Solche zusammengeschalteten Energiespeicher werden dann bilanziell als ein einziges Kraftwerk betrachtet und können somit sogar Regelenergieleistungen erbringen.

Sektorübergreifende Energiespeicherkonzepte: Power-to-Gas, Power-to-Heat, Power-to-Liquid

"Sektorübergreifend“ beschreibt die Verknüpfung verschiedener Energiesektoren, wie z. B. den Strom- mit dem Gas- oder Wärmesektor. Die Energiespeicherung mittels solcher Anlagen kann ohne und mit abschließender Rückverstromung und Wiedereinspeisung erfolgen. Durch die sogenannten "Power-to-X"-Verfahren können zukünftig nicht nur ein Beitrag für die Markt- und Systemintegration der Erneuerbaren Energien geleistet, sondern unter Umständen zusätzlich der Transportbedarf im Stromnetz durch eine Verlagerung auf das Gasnetz oder auf die bestehende Versorgungsinfrastruktur für flüssige Kraftstoffe verringert werden.

Power-to-Gas

Power-to-Gas Elektrolyseur von Enertrag (Foto: ENERTRAG)
Power-to-Gas Elektrolyseur von Enertrag (Foto: ENERTRAG)

„Energiespeicher“ der Kategorie Power-to-Gas (auf Deutsch: Strom-zu-Gas) wandeln Wasser mittels Strom in Wasserstoff um (Verfahren: Elektrolyse), mitunter in einem nachfolgenden Schritt (Methanisierungsstufe) auch noch in Methan. Beide genannten Gase lassen sich ins bestehende Erdgasnetz und dessen Gasspeicher einspeisen und darin speichern. Hinter dem Verfahren steckt die Tatsache, dass somit „erneuerbar“ hergestelltes Methangas identische Eigenschaften und eine identische Struktur hat wie fossiles Erdgas.

Der letztendliche Speichereffekt ergibt sich bei Power-to-Gas-Speichern durch die chemische Umwandlung von Ökostrom in Gas, das sich langfristig und nahezu verlustfrei speichern lässt. Als Energiespeicher kommen dabei sowohl Gastanks als auch das Gasnetz selbst zum Einsatz.

Letztlich kann der Prozess nach der Speicherung auch wieder umgekehrt werden und Strom durch die Verbrennung des Gases bedarfsgerecht und am Ort des Verbrauches erzeugt werden (Gas-to-Power). Dies kann dann sowohl in kleineren Mini-BHKW für Einfamilienhäuser, in größeren BHKW für Industrie und Gewerbe, in Brennstoffzellen als auch in Gaskraftwerken passieren.

Power-to-Heat

Für den Fall, dass dank der Erneuerbaren im Stromnetz ein Überschuss herrscht (Überspeisung), wandelt man gemäß Power-to-Heat Strom in Wärme um. Das geht mit entsprechenden Power-to-Heat-Anlagen (PtH-Anlagen). Die Anlagen sind mit vergleichsweise wenig Aufwand und geringen Investitionskosten realisierbar und speichern die Wärme in Wärmespeichern.

Im großen Maßstab werden so u.a. Elektrodenkesseln betrieben, die Strom direkt in Wärme umwandeln, die dann in Nah- und Fernwärmenetze eingespeist werden kann. Im kleineren Maßstab kann der Strom auch elektrischen Wärmepumpen zugeführt werden. Diese wandeln dann den Strom über einen Kreisprozess effizient in Wärme um, die dann um einige Stunden zeitversetzt

Power-to-Liquid

Die Power-to-Liquid-Anlage der Dresdner sunfire GmbH stellt synthetischen Diesel-Kraftstoff her. (Foto: Sunfire GmbH)
Die Power-to-Liquid-Anlage der Dresdner sunfire GmbH stellt synthetischen Diesel-Kraftstoff her. (Foto: Sunfire GmbH)

Der aus regenerativer Überschussenergie durch Elektrolyse erzeugte Wasserstoff kann analog zur Technologie „Power-to-Gas“ mittels chemischer Umwandlung in flüssigen Kraftstoffen gespeichert werden („Power-to-Liquid“ (P2L)). Beispielhafte Verfahren sind die Herstellung von Methanol, Ameisensäure oder höherwertigen synthetischen Kraftstoffen aus Wasserstoff sowie die reversible Speicherung von Wasserstoff in flüssigen Wasserstoffträgermaterialien (LOHC). Durch das P2L-Verfahren kann regenerative Energie in flüssigem Kraftstoff gespeichert und in der bestehenden Infrastruktur für Flüssigkraftstoffe gelagert bzw. distribuiert werden kann. Auch eine Rückverstromung im Sinne der Funktionalität eines Stromspeichers ist zudem auch möglich.

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"Energiespeicher-Technologien im Überblick" wurde am 06.08.2015 verfasst und am 04.06.2016 das letzte Mal aktualisiert.