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Unter Energiespeicherung versteht man das Auffangen von Energie, die zu einem bestimmten Zeitpunkt erzeugt wurde, um sie zu einem späteren Zeitpunkt zu nutzen [1] und so das Ungleichgewicht zwischen Energiebedarf und Energieerzeugung zu verringern. Ein Gerät, das Energie speichert, wird im Allgemeinen als Akkumulator oder Batterie bezeichnet.
Energie gibt es in verschiedenen Formen, z. B. als Strahlung, chemische Energie, Gravitationspotenzial, elektrisches Potenzial, Elektrizität, erhöhte Temperatur, latente Wärme und kinetische Energie. Bei der Energiespeicherung geht es darum, Energie aus schwer speicherbaren Formen in bequemer oder wirtschaftlicher speicherbare Formen umzuwandeln.
Einige Technologien ermöglichen eine kurzfristige Energiespeicherung, während andere eine wesentlich längere Lebensdauer haben. Bei der Speicherung von Massenenergie dominieren derzeit Wasserkraftwerke, sowohl konventionelle als auch Pumpspeicherwerke. Die Energiespeicherung in Netzen ist eine Sammlung von Methoden zur Energiespeicherung in grossem Massstab innerhalb eines Stromnetzes.
Gängige Beispiele für die Energiespeicherung sind die wiederaufladbare Batterie, die chemische Energie speichert, die leicht in Elektrizität umgewandelt werden kann, um ein Mobiltelefon zu betreiben, der Staudamm, der Energie in einem Stausee als potenzielle Gravitationsenergie speichert, und Eisspeicher, in denen Eis gespeichert wird, das nachts mit billigerer Energie gefroren wird, um den Spitzenbedarf an Kühlung am Tag zu decken.
Fossile Brennstoffe wie Kohle und Benzin speichern uralte Energie, die von Organismen aus dem Sonnenlicht gewonnen wurde, die später starben, begraben wurden und dann im Laufe der Zeit in diese Brennstoffe umgewandelt wurden. Lebensmittel (die nach demselben Verfahren wie fossile Brennstoffe hergestellt werden) sind eine Form von Energie, die in chemischer Form gespeichert wird.
Im Netz des 20. Jahrhunderts wurde elektrische Energie weitgehend durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt. Wenn weniger Energie benötigt wurde, wurde auch weniger Brennstoff verbrannt.[2] Die Wasserkraft, eine mechanische Energiespeichermethode, ist die am weitesten verbreitete mechanische Energiespeicherung und wird seit Jahrhunderten genutzt. Grosse Wasserkraftwerke werden seit mehr als hundert Jahren als Energiespeicher genutzt.[3]
Die Besorgnis über Luftverschmutzung, Energieimporte und die globale Erwärmung haben zu einem Anstieg der erneuerbaren Energien wie Sonnen- und Windenergie geführt.[2] Die Windenergie ist unkontrolliert und kann auch zu Zeiten erzeugt werden, in denen keine zusätzliche Energie benötigt wird.
Die Solarenergie schwankt je nach Bewölkung und ist bestenfalls nur während des Tages verfügbar, während die Nachfrage oft nach Sonnenuntergang ihren Höhepunkt erreicht (siehe Entenkurve). Das Interesse an der Speicherung von Strom aus diesen intermittierenden Quellen wächst in dem Masse, in dem die erneuerbaren Energien einen grösseren Anteil am Gesamtenergieverbrauch haben[4].
Im 20. Jahrhundert war die netzunabhängige Stromnutzung ein Nischenmarkt, doch im 21. Jahrhundert hat sie sich ausgeweitet. Überall auf der Welt sind elektrifizierte, tragbare Geräte im Einsatz. Solarzellen sind heute weltweit in ländlichen Gegenden weit verbreitet. Der Zugang zu Elektrizität ist heute eine Frage der Wirtschaftlichkeit und der Finanzierbarkeit und nicht mehr nur der technischen Aspekte.
Elektrofahrzeuge ersetzen nach und nach Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Die Entwicklung von Fahrzeugen für den Langstreckentransport ohne Verbrennungsmotor ist jedoch noch nicht abgeschlossen.
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Es gibt vom physikalischen Grundprinzip her völlig unterschiedliche Arten, Energie zu speichern:
Energie kann in Wasser gespeichert werden, das mit Hilfe von Pumpspeichermethoden in höhere Lagen gepumpt wird, oder indem Feststoffe an höher gelegene Orte gebracht werden (Schwerkraftbatterien). Andere kommerzielle mechanische Methoden umfassen die Komprimierung von Luft und Schwungräder, die elektrische Energie in interne Energie oder kinetische Energie umwandeln und dann wieder zurück, wenn der Strombedarf Spitzenwerte erreicht.
Staudämme mit Stauseen können so betrieben werden, dass sie zu Zeiten der höchsten Nachfrage Strom liefern. Das Wasser wird in Zeiten geringer Nachfrage im Stausee gespeichert und bei hoher Nachfrage abgelassen. Der Nettoeffekt ist ähnlich wie bei der Pumpspeicherung, allerdings ohne den Pumpverlust.
Ein Staudamm speichert zwar nicht direkt Energie aus anderen Kraftwerken, verhält sich aber gleichwertig, indem er die Leistung in Zeiten überschüssigen Stroms aus anderen Quellen senkt. In diesem Modus sind Staudämme eine der effizientesten Formen der Energiespeicherung, da sich nur der Zeitpunkt der Erzeugung ändert. Die Anlaufzeit von Wasserturbinen liegt in der Größenordnung von wenigen Minuten[5].
Pumpspeicherkraftwerke (PSH) sind weltweit die leistungsstärkste Form der aktiven Energiespeicherung im Netz, und nach Angaben des Electric Power Research Institute (EPRI) vom März 2012 machen PSH mit rund 127 000 MW mehr als 99 % der weltweiten Speicherkapazität aus.[6] Die Energieeffizienz von PSH schwankt in der Praxis zwischen 70 % und 80 %[6][7][8][9] und soll bis zu 87 % betragen.[10]
In Zeiten geringer elektrischer Nachfrage wird die überschüssige Erzeugungskapazität genutzt, um Wasser aus einer tiefer gelegenen Quelle in ein höher gelegenes Reservoir zu pumpen. Wenn die Nachfrage steigt, wird das Wasser über eine Turbine in ein tiefer gelegenes Reservoir (oder einen Wasserweg oder ein Gewässer) zurückgeführt und Strom erzeugt. Umkehrbare Turbinen-Generator-Baugruppen fungieren sowohl als Pumpe als auch als Turbine (in der Regel eine Francis-Turbine). Nahezu alle Anlagen nutzen den Höhenunterschied zwischen zwei Gewässern.
Bei reinen Pumpspeicherkraftwerken wird das Wasser zwischen Stauseen hin- und hergepumpt, während der «Pump-back»-Ansatz eine Kombination aus Pumpspeicherkraftwerken und konventionellen Wasserkraftwerken ist, die den natürlichen Flusslauf nutzen.
Eine Druckluftlokomotive, die zwischen 1928 und 1961 in einem Bergwerk eingesetzt wurde.
Hauptartikel: Druckluftspeicher und Salzstock
Bei der Druckluftspeicherung (CAES) wird überschüssige Energie genutzt, um Luft für die anschließende Stromerzeugung zu komprimieren.[11] Kleine Systeme werden seit langem für Anwendungen wie den Antrieb von Grubenlokomotiven eingesetzt. Die komprimierte Luft wird in einem unterirdischen Reservoir, z. B. einem Salzstock, gespeichert.
Druckluftspeicherkraftwerke (CAES) können die Lücke zwischen Produktionsschwankungen und Last überbrücken. CAES-Speicher decken den Energiebedarf der Verbraucher, indem sie schnell verfügbare Energie zur Deckung der Nachfrage bereitstellen. Erneuerbare Energiequellen wie Wind- und Sonnenenergie schwanken. In Zeiten, in denen sie nur wenig Energie liefern, müssen sie durch andere Energieformen ergänzt werden, um den Energiebedarf zu decken. Druckluftspeicherkraftwerke können die überschüssige Energieproduktion der erneuerbaren Energiequellen in Zeiten der Überproduktion aufnehmen. Diese gespeicherte Energie kann zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden, wenn die Nachfrage nach Strom steigt oder die Verfügbarkeit von Energieressourcen abnimmt[12].
Bei der Komprimierung von Luft entsteht Wärme; die Luft ist nach der Komprimierung wärmer. Die Expansion erfordert Wärme. Wenn keine zusätzliche Wärme zugeführt wird, ist die Luft nach der Expansion viel kälter. Wenn die bei der Kompression erzeugte Wärme gespeichert und bei der Expansion genutzt werden kann, verbessert sich der Wirkungsgrad erheblich.[13] Ein CAES-System kann auf drei Arten mit der Wärme umgehen. Die Luftspeicherung kann adiabatisch, diabatisch oder isotherm sein. Ein anderer Ansatz nutzt Druckluft zum Antrieb von Fahrzeugen[14][15].
Ein Flybrid-Schwungrad mit kinetischem Energierückgewinnungssystem. Es wurde für den Einsatz in Formel-1-Rennwagen entwickelt und dient der Rückgewinnung und Wiederverwendung der beim Bremsen aufgefangenen kinetischen Energie.
Bei der Schwungrad-Energiespeicherung (FES) wird ein Rotor (ein Schwungrad) auf eine sehr hohe Geschwindigkeit beschleunigt und die Energie als Rotationsenergie gespeichert. Wenn Energie zugeführt wird, erhöht sich die Drehgeschwindigkeit des Schwungrads, und wenn Energie entnommen wird, sinkt die Geschwindigkeit aufgrund der Energieerhaltung.
Die meisten FES-Systeme nutzen Elektrizität, um das Schwungrad zu beschleunigen und abzubremsen, aber es werden auch Geräte in Betracht gezogen, die direkt mechanische Energie nutzen.[16]
FES-Systeme verfügen über Rotoren aus hochfesten Kohlefaserverbundwerkstoffen, die an Magnetlagern aufgehängt sind und sich mit Geschwindigkeiten von 20 000 bis über 50 000 Umdrehungen pro Minute (U/min) in einem Vakuumgehäuse drehen.[17] Solche Schwungräder können ihre Höchstgeschwindigkeit («Ladung») innerhalb weniger Minuten erreichen. Das Schwungradsystem ist an einen kombinierten Elektromotor/Generator angeschlossen.
FES-Systeme haben eine relativ lange Lebensdauer (jahrzehntelang mit wenig oder gar keiner Wartung;[17] für Schwungräder werden Lebensdauern von mehr als 105 bis zu 107 Nutzungszyklen angegeben),[18] eine hohe spezifische Energie (100-130 Wh/kg) [18][19] und Leistungsdichte.
Die Veränderung der Höhe fester Massen kann über ein von einem Elektromotor/Generator angetriebenes Hebesystem Energie speichern oder freisetzen. Studien deuten darauf hin, dass die Energiefreisetzung bereits nach einer Vorwarnzeit von nur einer Sekunde einsetzen kann, was diese Methode zu einer nützlichen zusätzlichen Einspeisung in ein Stromnetz macht, um Lastspitzen auszugleichen[20].
Der Wirkungsgrad der gespeicherten Energie kann bis zu 85 % betragen[21].
Erreicht werden kann dies, indem die Massen in alten vertikalen Bergwerksschächten oder in speziell konstruierten Türmen untergebracht werden, wo die schweren Gewichte zur Energiespeicherung hochgezogen werden und die Energie nach einem kontrollierten Abstieg wieder abgegeben wird. Im Jahr 2020 wird in Edinburgh, Schottland, ein Prototyp eines vertikalen Speichers gebaut [22].
Die potenzielle Energiespeicherung oder Schwerkraftspeicherung wurde 2013 in Zusammenarbeit mit dem California Independent System Operator aktiv entwickelt.[23][24][25] Untersucht wurde die Bewegung von mit Erde gefüllten und von Elektrolokomotiven angetriebenen Trichterwagen von niedrigeren zu höheren Lagen.[26]
Andere mögliche Methoden sind die Verwendung von i) Schienen,[26][27] ii) iii) Kränen[21] oder iv) Aufzügen[28], um Gewichte nach oben und unten zu bewegen;
Verwendung von solarbetriebenen Ballonplattformen in grosser Höhe, die Winden zum Heben und Senken von darunter hängenden festen Massen tragen,[29]
Verwendung von Winden, die von einem Lastkahn getragen werden, um einen Höhenunterschied von 4 km zwischen der Meeresoberfläche und dem Meeresboden auszunutzen.[30]
Thermische Energiespeicherung (TES) ist die vorübergehende Speicherung oder Ableitung von Wärme.
Sensible Wärmespeicher nutzen die fühlbare Wärme in einem Material, um Energie zu speichern[31].
Die saisonale Wärmespeicherung (STES) ermöglicht die Nutzung von Wärme oder Kälte noch Monate nach ihrer Gewinnung aus Abwärme oder natürlichen Quellen. Das Material kann in geschlossenen Aquiferen, in Bohrlöchern in geologischen Substraten wie Sand oder kristallinem Grundgestein, in ausgekleideten, mit Kies und Wasser gefüllten Gruben oder in mit Wasser gefüllten Minen gespeichert werden.[32] Projekte zur saisonalen thermischen Energiespeicherung (STES) amortisieren sich oft in vier bis sechs Jahren. [33] Ein Beispiel ist die Drake Landing Solar Community in Kanada, in der 97 % der ganzjährigen Wärme durch solarthermische Kollektoren auf den Garagendächern bereitgestellt wird, wobei ein thermischer Erdwärmespeicher (BTES) die Basistechnologie darstellt. [34] 35] 36]
In Braedstrup, Dänemark, nutzt das solare Fernwärmesystem der Gemeinde ebenfalls STES, mit einer Temperatur von 65 °C. Eine Wärmepumpe, die nur dann in Betrieb ist, wenn überschüssiger Windstrom aus dem nationalen Netz verfügbar ist. Steht kein überschüssiger Windstrom zur Verfügung, wird ein gasbefeuerter Heizkessel eingesetzt. Zwanzig Prozent der Wärme in Braedstrup wird durch Solarenergie erzeugt.[37]
Einige Technologien ermöglichen eine kurzfristige Energiespeicherung, während andere eine wesentlich längere Lebensdauer haben. Bei der Speicherung von Massenenergie dominieren derzeit Wasserkraftwerke, sowohl konventionelle als auch Pumpspeicherwerke. Die Energiespeicherung in Netzen ist eine Sammlung von Methoden zur Energiespeicherung in großem Maßstab innerhalb eines Stromnetzes.
Latentwärmespeicher funktionieren, indem sie Wärme auf ein Material übertragen oder von einem Material abziehen, um dessen Phase zu ändern. Ein Phasenwechsel ist das Schmelzen, Verfestigen, Verdampfen oder Verflüssigen. Ein solches Material wird als Phasenwechselmaterial (PCM) bezeichnet. Die in LHTES verwendeten Materialien haben oft eine hohe latente Wärme, so dass der Phasenwechsel bei ihrer spezifischen Temperatur eine große Menge an Energie absorbiert, viel mehr als die fühlbare Wärme[38].
Ein Dampfspeicher ist eine Art von LHTES, bei dem der Phasenwechsel zwischen Flüssigkeit und Gas stattfindet und die latente Verdampfungswärme von Wasser genutzt wird. Eisspeicher-Klimaanlagen nutzen Strom in der Schwachlastzeit, um Kälte zu speichern, indem Wasser zu Eis gefriert. Die im Eis gespeicherte Kälte wird während des Schmelzvorgangs freigesetzt und kann in Spitzenzeiten zur Kühlung verwendet werden.
Luft kann durch Kühlen mit Hilfe von Strom verflüssigt und mit bestehenden Technologien als Kryogen gespeichert werden. Die flüssige Luft kann dann durch eine Turbine expandiert und die Energie als Strom zurückgewonnen werden. Das System wurde 2012 in einer Pilotanlage im Vereinigten Königreich demonstriert.[39] 2019 kündigte Highview Pläne für den Bau einer 50-MW-Anlage in Nordengland und im nördlichen Vermont an, die fünf bis acht Stunden Energie speichern kann, was einer Speicherkapazität von 250 bis 400 MWh entspricht.[40]
Das Konzept dieser Technologie wurde bereits vor 100 Jahren von Marguerre patentiert, aber erst in jüngster Zeit wurde die Entwicklung dieses Konzepts wiederbelebt, um den Anteil der erneuerbaren Energiequellen zu erhöhen. Andererseits erfand Andre Thess» den Begriff der Carnot-Batterie im Jahr 2018, vor dem ersten internationalen Workshop über Carnot-Batterien.
Der Name «Carnot-Batterie» stammt aus dem Carnot-Theorem, das die maximale Effizienz der Umwandlung von Wärme in mechanische Energie beschreibt. Das Wort «Batterie» weist darauf hin, dass der Zweck dieser Technologie darin besteht, Strom zu speichern. Der Entladewirkungsgrad von Carnot-Batterien ist durch den Carnot-Wirkungsgrad begrenzt.
Elektrische Energie kann in Wärmespeichern durch Widerstandsheizung oder Wärmepumpen gespeichert werden, und die gespeicherte Wärme kann über den Rankine- oder Brayton-Zyklus wieder in Elektrizität umgewandelt werden.[41] Diese Technologie wurde untersucht, um bestehende Kohlekraftwerke in Systeme ohne fossile Brennstoffe umzurüsten.[42]
Kohlebefeuerte Kessel werden durch Hochtemperatur-Wärmespeicher ersetzt, die mit überschüssigem Strom aus variablen erneuerbaren Energiequellen geladen werden. Im Jahr 2020 beginnt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt mit dem Bau des weltweit ersten grosstechnischen Carnot-Batteriesystems mit einer Speicherkapazität von 1.000 MWh.[43]
Im 20. Jahrhundert war die netzunabhängige Stromnutzung ein Nischenmarkt, doch im 21. Jahrhundert hat sie sich ausgeweitet. Überall auf der Welt sind tragbare Geräte im Einsatz. Solarzellen sind heute weltweit in ländlichen Gegenden weit verbreitet. Der Zugang zu Elektrizität ist heute eine Frage der Wirtschaftlichkeit und der Finanzierbarkeit und nicht mehr nur der technischen Aspekte. Elektrofahrzeuge ersetzen nach und nach Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Die Entwicklung von Fahrzeugen für den Langstreckentransport ohne Verbrennungsmotor ist jedoch noch nicht abgeschlossen.
Eine wiederaufladbare Batterie besteht aus einer oder mehreren elektrochemischen Zellen. Sie wird als «Sekundärzelle» bezeichnet, weil ihre elektrochemischen Reaktionen elektrisch reversibel sind. Wiederaufladbare Batterien gibt es in vielen Formen und Größen, von Knopfzellen bis hin zu Megawatt-Netzsystemen.
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Nicht-wiederaufladbare Batterien (z.B. Primäre Lithium-Batterie) werden in Zukunft weniger verwendet werden, da ihre Umweltbilanz schlecht ist und werden in diesem Artikel nicht weiter behandelt.
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