Lageenergiespeicher | ||||
Die in Lageenergie speicherbare Energiemenge ist erstaunlich gering.
Nach der Formel E=g*h*m muss für die Speicherung von 1 kWh Energie eine Masse von 12 Tonnen um 30 m angehoben werden
( 1 kWh = 3.600.000 J / (9.81 m/s * 30 m) ). Als Faustformel gilt, dass ein vollbeladener LKW mit 40 Tonnen um 10 Meter angehoben werden muss, um eine Lageenergie 1 kWh zu speichern. | ||||
Wasserstoffelektrolyse | ||||
Chemische Energieträger wie Wasserstoff und Methan dienen als Langzeitspeicher unter den Energiespeichern. Bei der Elektrolyse werden die Wassermoleküle mit Strom in ihre Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Nachteilig bei Wasserstoff ist, das dieses Gas äußerst reaktiv ist. Dadurch können Tankanlagen, Leitungen und Dichtungen leicht angegriffen werden und verspröden. Zudem lässt sich Wasserstoff schlecht in Energieinfrastrukturanlagen integrieren. Trotz des guten Wirkungsgrades von bis zu 75 % bei der Umwandlung von Strom in Wasserstoff, ist als Energiespeicher eine Weiterverarbeitung zu Methan vorzuziehen. | ||||
Power to Gas | ||||
Mithilfe der Methanisierung wird Wasserstoff in Methan umgewandelt. Dabei wird der Wasserstoff in Katalysatoren durch eine chemische Reaktion mit Kohlendioxid angereichert. Da Natürliches Erdgas 85 bis 98 Prozent Methan enthält, lässt sich das synthetische Erdgas in das bestehende Netz beimischen und kann dann problemlos in Erdgastanks bevorratet und ins Erdgasnetz einspeist und langfristig gelagert werden. Das bestehende Gasnetz ist als hervorragender Energiespeicher bereits verhanden und kann überschüssige erneuerbare Energien aufnehmen. Es kann mit deutschen Gasnetz bis zu 25 % des jährlichen Erdgasbedarfes gespeichert werden. Mit einem Wirkungsgrad von 58 % ist die Methanisierung von Strom in Gas derzeit nicht wirtschaftlich zu betreiben. Es wäre jedoch zukünftig eine wichtige Speicherart um Versorgungsengpässe über Wochen zu kompensieren. Als Treibstoff für Erdgasautos oder in Anwendung als Wärme-Kraft-Kopplung, kann aus dem gespeicherten Methan wieder Bewegungsenergie, Wärme und Strom erzeugt werden. Durch die Umwandlungen von Strom in Gas und wieder in Strom können nur 38 % der Energie rückverstromt werden. Nur mit Nutzung von KWK-Anlagen kann maximale Wirkungsgrad erreicht werden. | ||||
Pumpspeicher | ||||
Ein Pumpspeicherkraftwerk (PSW) nutzt die Lageenergie des Wassers.
Diese ergibt sich aus dem Speicherinhalt, der Dichte des Wassers, der Erdbeschleunigung, der effektiven Fallhöhe und dem Gesamtwirkungsgrad.
Pumpspeicherkraftwerke bestehen meistens aus einem künstlichen Oberbecken, das keine nennenswerte Zuflüsse besitzt und einem künstlichen Unterbecken oder vorhandenem Fließgewässer.
Die Hauptaufgabe besteht darin, das Wasser in Zeiten bei Stromüberschuss auf ein höheres Niveau zu pumpen und bei Bedarf wieder abzulassen um die dabei frei werdende Energie wieder einzuspeisen.
Durch die hohe Dichte des Wassers ist die Leistung, welche dem Wasser mit einer Turbine entnommen werden kann, um ein Vielfaches höher als bei Dampf- und Gasturbinen.
Je nach Fallhöhe, Durchflussvermögen und der benötigten Leistung werden unterschiedliche Turbinen eingesetzt.
Ab einer Fallhöhe von ca. 20 m kommen überwiegend Francis- oder Peltonturbinen zum Einsatz.
Francis-Turbinen haben den Vorteil, dass sie sowohl als Turbine als auch als Pumpe eingesetzt werden kann und dadurch 30 % an Baukosten spart. | ||||
Druckluftspeicher | ||||
Druckluftspeicher nutzen die Eigenschaft der Komprimierbarkeit von Gasen um Energie zu speichern. Es ist naheliegend, dass als Speichermedium die Umgebungsluft verwendet wird, da diese in unbegrenzter
Menge vorhanden ist. Jedoch werden sehr große Speichervolumen benötigt, um mit Druckluft große Energiemengen zu speichern.
Die Speicherkapazität ist maßgeblich vom Speicherdruck und dem gespeicherten Volumen abhängig.
Die Wirtschaftlichkeit ist abhängig vom Speichervolumen und den geologischen Voraussetzungen.
Denn im Gegensatz zur industriellen Anwendung, wird in der Energiespeicherung nach unterirdischen Hohlräumen wie Kavernen als Druckluftenergiespeicher geforscht.
Jedoch werden viele Projekte aufgrund der Unsicherheit bezüglich der Gasdichtheit des Speichervolumens wieder abgebrochen.
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Schwungradspeicher | ||||
Schwungräder sind vereinfachte Kreisel und wurden schon in der Antike für Töpferscheiben, vor Jahrhunderten für Spinnräder oder
zu Beginn der Industrialisierung als Schwungmassenspeicher zur Antriebsglättung bei Dampfmaschinen eingesetzt.
Schwungradspeicher sind auch in der Fahrzeugtechnik nichts Neues. So wurden schon in den 50er-Jahren so genannte Gyros in Bussen eingebaut
um die Bremsenergie zu 50 % zurückzugewinnen und durch die Ladung die Reichweite des Fahrzeuges um etwa 6 Kilometer zu verlängern. | ||||
Sensibler Wärmespeicher | ||||
Sensible Wärmespeicher speichern die thermische Energie in der fühlbaren Temperaturänderung des Mediums und gehören zu den verbreitesten Energiespeicher. Diese Speicherart hat die geringsten spezifischen Investitionskosten sowohl in Betrachtung auf das Leistungs- sowie auf das Energievermögens. Diese Speichertechnik ist am besten ausgereift, besitzt eine hohe spezifische Wärmekapazität, ist besonders unweltverträglich, nicht brennbar und kann unter Zugabe eines Frostschutzmittels auch unter 0 °C betrieben werden. Beim Einsatz ist die Temperaturschichtung des Mediums sowie die Wärmedämmung zu berücksichtigen. Als Pufferspeicher in Heizungsanlagen und für Solarthermieanlagen sind diese Speicher hervorragende Wärmespeicher vom Kurzzeit- bis hin in den Langzeitbereich im Gebäudebereich. Hier werden sensible Wärmespeicher überwiegend als Tagesspeicher genutzt. Je nach Auslegung der Speichergröße, des Temperaturniveaus und der Wärmedämmung sind jedoch auch Zeiträume bis hin zu Wochen möglich. | ||||
Latenter Wärmespeicher | ||||
Latente Wärmespeicher nutzen zusätzlich zum Temperaturunterschied auch den Phasenwechsel des Speichermediums aus. Hier wird der Übergang zwischen den flüssigen und dem festen Zustand ausgenutzt, da sich das Volumen des Speichers kaum verändert und technisch beherrschbar bleibt. Durch das Nutzen des Phasenwechsels wird eine verbesserte Energiedichte gegenüber einfachen Wärmespeichern erreicht. Diese Technik wird häufig in Verbindung mit Wärmepumpen genutzt, da diese Speicher beispielsweise zur Klimatisierung in der Gebäudetechnik und Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt werden. | ||||
Energiespeicherung in Blei- und Lithiumbatterien | ||||
Besondere Bedeutung fließt in der Entwicklung der Energiespeichersysteme den Akkumulatoren zu, die zugeführte Energie chemisch zwischenspeichern.
Diese Speicher werden immer wichtiger, da gerade Sonnen- und Windenergie wenig beeinflussbar sind und Erzeugung und Nachfrage zeitlich entkoppelt werden müssen.
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| Einflussfaktoren zur Alterung von chemischen Stromspeichern: |
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Kalendarische Alterung Batterien weisen sowohl eine kalendarische als auch eine belastungsabhängige Lebensdauer auf. Die kalendarische Alterung ist abhängig von der verwendeten Zellchemie sowie Faktoren wie Ladezustand und Temperatur. Durch Variation dieser Parameter lässt sich der Verlauf der Alterung beeinflussen. Die Alterungsmechanismen sind hochgradig komplex. Es werden in der Forschung mit Chromatographie die Zersetzungsprodukte von Batterieelektrolyten analysiert. Lade- und Entladezyklen Die Vorteile der Lithiumtechnik gegenüber der Bleitechnologie sind weitgehend bekannt. Mittlerweile setzen die meisten Anbieter von Batteriesystemen auch oder ausschließlich auf Lithium-Speichersysteme. Ausschlaggegebend ist insbesondere die längere Lebensdauer und die Zyklenfestigkeit (i.d.R. 500 bis 2000 Zyklen bei Blei – 5000 bis 8000 bei Lithium). Entlade- und Ladeschlussspannung Die Entlade- und Ladeschlussspannung ist bei Batterien unbedingt einzuhalten. Dies gilt sowohl bei Anlagen in Betrieb als auch bei Anlagen die außer Betrieb sind oder sich auf Transport befinden. Die Entladeschlussspannung beginnt an Bleibatterien bei 2,05 V, Lithium-Ionen-Akkus bei 3 V und bei Lithiumeisenphoshat-Batterien bei 2,5 V. Spannungen die darunter liegen, können die Batterie dauerhaft schädigen. Blei-Akkus bestehen aus einer positiven Elektrode mit Bleidioxid (PbO2) und einer negativen Elektrode aus einer Bleiplatte. Diese beiden Platten haben eine gitterartige Struktur. Als Elektrolyt wird Schwefelsäure verwendet, deren Säuredichte im entladenen Zustand bei 1,14 g/cm³ und geladen bei 1,28 g/cm³ liegt. Bei Blei-Gel-Batterien wird ein Gel als Elektrolyt verwendet. Der Ladezustand einer Bleibatterie lässt sich mit einem Säureheber oder durch genaue Spannungsmessungen feststellen. Bei einer verschlossenen Gel-Batterie ist Feststellung des Ladezustandes nur durch Spannungsmessung möglich. Wird der Ladezustand durch Spannungsmessung ermittelt, sollte die Batterie vorher über längere Zeit (ca. 10 - 12 Stunden) nicht beansprucht werden. Die Ruhespannung einer geladenen 12V-Batterie liegt bei ca. 12,6 Volt. Bei Erhaltungsladung beträgt die Batteriespannung 13,8 V und bei Schnellladung bis zum Erreichen des Gasungspunktes sogar 14,5 V. Das Messen der Säuredichte ist ein Indikator über den Zustand der Batterie. Die Dichte sollte in allen Zellen den gleichen Wert aufweisen. Die maximale Abweichung zwischen den Zellen darf maximal 0,03 g/cm³ betragen. Bei einer geladenen Batterie sollte die Dichte zwischen 1,25 g/cm³ und 1,28 g/cm³ liegen. Liegt nach dem Laden der Wert unter 1,24 g/cm³ liegt ein Verschleiß der Batterie durch Sulphatierung vor. Bei Lithium-Ionen-Akkus beginnt die Ladeschlussspannung bei 4,2 V, bei Lithiumeisenphoshat-Batterien bei 3,63 V und bei Bleibatterien bereits ab 2,23 V. Um die Spannung bei LiFePO4-Akkus zu begrenzen werden Balancer oder Batteriemanagementsysteme (BMS) eingesetzt. Ein BMS balanciert die Zellen beim Laden und schützt darüber hinaus vor Überspannung, Unterspannung, Überlast und Kurzschluss. Das Ladegerät wird mit dem BMS verbunden, wodurch der maximale Laststrom auf den Maximalstrom des BMS begrenzt wird. BMS oder der Balancer achten auf die maximale Ladespannung der einzelnen Zelle, so dass alle Zellen die gleiche Ladespannung erhalten und die einzelne Zelle nicht überbeansprucht wird. Wichtig für den Betrieb der Batterieanlage ist der Kennwert für den Ladezustand der Batterie. SoC steht für State-of-Charge und wird in % der verfügbaren Kapazität angegeben. Durch Alterung nimmt dieser Wert mit der Zeit ab. In stationären Systemen wird der Prozentwert oft in kWh angegeben. Dieser Wert kann nicht direkt gemessen werden, sondern erfolgt im Batteriemanagementsystem (BMS) über die Messung aus Strom, Spannungsdifferenzen und Temperatur. Lithiumakkus weisen eine deutlich niedrigere Selbstentladung vor. Deshalb ist hier anders als bei Bleiakkumulatoren z. B. im Winter keine Erhaltungsladung notwendig. Dennoch sollte der Akku vor der Außerbetriebsetzung noch einmal vollgeladen werden und alle 3 bis 6 Monate aufgeladen werden. Umgebungstemperatur Bei Batteriezellen müssen die Vorgaben des Herstellers in Bezug auf die Umgebungstemperatur unbedingt eingehalten werden. Dies betrifft nicht nur für den Betrieb der Anlage zu, sondern gilt auch für den Transport und der Lagerung der Batterien. Andernfalls werden die Zellen irreversibel geschädigt und verändern ihr Verhalten. Selbst nach Rückkehr in das vorgegebene Betriebsfenster haben die Batterien dann andere Eigenschaften im Lade- und Entladeverhalten und können im weiteren Betrieb selbst zur Fehlerquelle (interner Kurzschluss, Ausgasung, Brand, usw.) führen. C-Rate Die C-Rate ist ein Faktor, der den maximalen Strom des Akkus in Bezug auf seine Kapazität angibt. Dieser Faktor ist für das Laden des Akkus deutlich geringer als für das Entladen. Beispielsweise besitzt ein Akku 5Ah und es wird eine Entladerate von 25C angegeben, so lässt sich der Akku mit 5Ah x 25C = 125A entladen. Wird für das Laden der Faktor 2C angegeben, so darf der Speicher mit maximal 5Ah x 2C = 10A geladen werden. Bei stationären Energiespeichern die über Wechselrichter betrieben werden, ermittelt man die C-Rate aus dem Quotienten aus Leistung und Arbeit. Ein Speicher mit einer Kapazität von 10 kWh und einer Leistung von 20 kVA hat eine C-Rate von 2, d. h. er kann innerhalb von 30 Minuten entladen und geladen werden. |
Natrium-Schwefel-Batterien | ||||
Natrium-Schwefel-Batterien sind Hochtemperaturbatterien und benötigen eine Betriebstemperatur von 300 °C. Deshalb ist für diese Zellen ein wärmeisolierter Behälter mit Heizung und Kühlung erforderlich. Die Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur geht zu Lasten des Wirkungsgrades. Bei längeren Stillstandszeiten entlädt sich die Natrium-Schwefel-Batterie überdurchschnittlich schnell. Da Natrium sehr reaktionsfreudig ist und in Verbindung mit Schwefel sehr korrossive Eigenschaften aufweist, stellt die Betriebssicherheit für dieses System die größte Herausforderung dar. Bei einem Defekt des Akkumulator können Temperaturen von über 1000 °C erzeugt werden, was besondere Schutzmaßnahmen erfordert. Das Einsatzgebiet beschränkt sich auf den Ausgleich von Leistungsfluktuationen, wie sie aktuell bei Windparkanlagen auftreten. | ||||
Nickel-Cadmium-Batterien | ||||
Auch Nickel-Cadmium-Batterien (NiCd-Batterien) gehören zu den elektrochemischen Energiespeichern.
Sie bestehen im geladenen Zustand auf der Anode aus Nickel(III)hydroxid (NiO(OH) und in der Kathode aus Cadmium (Cd).
Der Elektrolyt besteht aus verdünnter Kalilauge (KOH).
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Nickel-Metallhydrid-Batterien | ||||
Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH) bestehen im geladenen Zustand auf der Anode aus einer Legierung aus Lanthan und Metallen.
Die Kathode enthält Nickelhydroxid (Ni(OH)2). Die Anode kann Wasserstoff binden oder diesen als positiv geladene Wasserstoffteilchen abgeben.
Wie bei Nickel-Cadmium-Akkus bestehen auch bei NiMhH-Akkus die Elektrolyte in dem meisten Fällen aus verdünnter Kalilaugen (Kaliumhydroxid).
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Energiespeicherung in Redox-Flow-Batterien | ||||
Aufgrund ihres Aufbaus stellen Redox-Flow-Systeme einen Sonderfall unter den elektrochemischen Energiespeichern dar.
Anders als bei einem Blei-Akku oder einer Lithium-Ionen-Batterie besitzen Redox-Flow-Batterien (RFB) getrennte Bauteile für die Energiespeicherung, Ladung und Entladung.
RFB bestehen aus zwei zirkulierenden Kreisläufen mit Redoxpaaren, die durch eine Membran hindurch miteinander reagieren.
Es werden flüssige Elektrolyte eingesetzt, die mit separaten Pumpen und Tanks in zwei voneinander vollkommen unabhängigen Kreisläufen fließen.
Die galvanische Zelle, in welcher die Redoxreaktionen (Red = Reduktion bzw. Elektronenaufnahme, Ox = Oxidation bzw. Elektronenabgabe) stattfinden
ist durch ein Membran in zwei Halbzellen unterteilt in welchen der Ionenaustausch erfolgt. | ||||
Energiespeicherung in Brennstoffzellen | ||||
Die Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Wandler, in dem sich Wasserstoff mit Sauerstoff in einem kontrollierten elektrochemischen Prozess (im Gegensatz zu Verbrennung oder Explosion)
verbindet und dabei direkt elektrischer Strom und Wärme erzeugt werden. Bei dem Prozess wandern positive Wasserstoff-Protonen durch einen einseitig durchlässigen Seperator und treffen auf negativ geladene Sauerstoff-Elektronen.
Bei diesem elektrolytischen Prozess entsteht zwischen Kathode (Minus-Pol) und Anode (Plus-Pol) ein Strom, der etwa eine Leuchtdiode speisen kann.
Eigentlich zählt die Brennstoffzelle nicht als direkter Energiespeicher sondern zu den Energiewandlern, das sie nur in der Lage ist, elektrische Energie aus chemischen Reaktionen zu gewinnen.
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Energiespeicherung in Kondensatoren | ||||
Kondensatoren kosten über 1.000 EUR pro kWh und sind eine sehr teuere Energiespeicherung. Ein bereits relativ großer Elektrolytkondensator mit einer Ladung von 500 µF mit 400 V kostet ca. 2 EUR und kann nur 40 Wattsekunden Energie speichern. Mit Doppelschichtkondensatoren (DSK) die einen sehr guten Wirkungsgrad (90 bis 95%) und eine geringe Selbstentladung (0,004% pro Tag) vorweisen werden Kondensatoren als Sekundenspeicher zur Stützung der Stromversorgungssyteme, als Ausgleich für kurzfristige Lastschwankungen oder als Startenergie eingesetzt. Aufgrund der hohen Leistungsdichte und der niedrigen Energiedichte sind DSK eher als Leistungsspeicher zu betrachten, die in kurzer Zeit im Verkehrssektor die Bremsenergie rekuperieren könnten, oder in der Windkraft bei Sturm die Rotoren schnell in die Ruhelage zu drehen. | ||||
Energiespeicherung in Spulen | ||||
Bei supraleitenden magnetischen Energiespeicher wird in Spulen die elektrische Energie direkt ohne Energieumwandlung im Magnetfeld gespeichert. Um den ohmschen Widerstand möglichst gering zu halten, muss die Spule auf einen supraleitenden Zustand abgekühlt werden. Obwohl in diesem Zustand die Speicherung nahezu verlustfrei ist, benötigt man für den Betrieb zusätzlich für das Lade- und Entlademanagement eine Steuerung sowie zum Erreichen der niedrigen Betriebstemperaturen eine aufwendige Kühlung. Aufgrund der hohen Leistungsdichte und einer niedrigen Energiedichte werden SMES im Leistungsbereich zur Netzstabilisierung und Verbesserung der Netzqualität bei der Stromversorgung eingesetzt. Eine Anwendung als Energiespeicher im Minutenbereich oder länger spielt aufgrund der hohen Kosten keine Rolle. | ||||
weiterführende Quellen: | ||||||
Fachlexikon der Mechatronik © 2022 Erich Käser. Alle Rechte vorbehalten. | ||||||