Energiespeicher

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Energiespeicher dienen der Speicherung von Energie zur späteren Nutzung. Ist die Speicherung einer Energieform wegen technischer Probleme, ungenügender Kapazität oder Stillstandsverlusten ungünstig, wird sie in eine andere, für die Speicherung geeignetere, Energieform umgewandelt und gespeichert. Im Bedarfsfalle wird die Energie zurückgewandelt. Ein Beispiel ist die Wandlung chemischer Energie (Brennstoff) in thermische Energie (Wärme). Sowohl bei der Speicherung als auch bei der Energieumwandlung treten immer Verluste auf.

Einteilung und Übersicht[Bearbeiten]

Fernwärmespeicher des Kraftwerkes Theiß mit 50.000 m³ Inhalt, welcher das Fernwärmenetz Krems speist. Speichervermögen 2 GWh je Ladevorgang
Batterieraum

Energiespeicher werden nach der gespeicherten (Haupt-)Energieform klassifiziert. Oft wird aber beim Auf- oder Entladen des Speichers eine davon abweichende Energieform verwendet. Beim Akkumulator wird beispielsweise elektrische Energie zugeführt; diese wird während des Aufladens in chemische Energie umgewandelt:

Daneben wird der Begriff teils auch für Behälter benutzt, die selbst keine Energie, sondern Brenn- oder Kraftstoffe aufnehmen:

Oft wird auch die Brennstoffzelle als Energiespeicher bezeichnet. Sie ist jedoch nur in der Lage, elektrische Energie aus chemischen Reaktionen zu gewinnen.

Speichern elektrischer Energie[Bearbeiten]

Elektrische Energie kann man nur schwer direkt speichern (nur in Kondensatoren oder supraleitenden Spulen). Meist ist es wirtschaftlicher, die Energie in eine andere Energieart umzuwandeln und bei Bedarf zurückzuwandeln. Jede Wandlung ist verlustbehaftet, und der Speicher kann im Lauf der Zeit selbst Energie verlieren. Die Summe aller Einzelverluste kann erheblich sein und das Verfahren unwirtschaftlich machen.

Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens steht bei Energiespeicherung meist im Vordergrund, also die Investitions- und Betriebskosten der Anlage und der Gesamtwirkungsgrad.[1] Es geht zumindest bei großen Anlagen meist nicht um eine kurzfristige Leistungserhöhung. Bei sehr kleinen Anlagen wie beim Elektronenblitz steht manchmal die Leistungserhöhung im Vordergrund, weil beispielsweise die ursprüngliche Energiequelle nicht ausreichend Leistung abgeben kann.

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Verfahren[2] max. Leistung
in MW
Lebensdauer
in Zyklen
Wirkungsgrad
in %
Selbstentladung
in %/h
Investition
in €/kWh
Speicherkapazität
Kosten für jede gespeicherte kWh in Eurocent Energiedichte
in Wh/kg
Typ. Zeit der
Entladung bei
üblicher Baugröße
Normaler Kondensator 0,01 100 Mio. 95 0,01 0,03 0,01 s
Superkondensator 0,1 0,5 Mio. 90 0,2 10.000 5 100 s
supraleitende Spule 7 1 Mio 90 ? 30–2000 0,03 0,01 s
Schwungrad
(Stahl, alte Bauart) 3.000 min−1
15 1 Mio 90 3–20 5000 6 100 s
Schwungrad
(aufgewickelter CFK) 80.000 min−1
50 1 Mio 95 0,1–10 1200[3] ab 0,15[4] 50[5] 100 s
Batterie-Speicherkraftwerk
(mit Akkumulatoren)
27[6] <1000 80 0,01 100 30–120 4 h
LiFePO4 Akkumulator ? >5000 bei 70DOD%[7] 90 0,01 120[8] 1,5 - 6[9] 90 10 h
Pumpspeicherkraftwerk >3000[10] >1000 80 0 71 3-5 (Speicherdauer 1 Tag)[11] 0,1–3,3 8 h
Druckluftspeicherkraftwerk 290 ? 42[12]–54[13] ? Pilotanlagen[14] heute:5, ab 2019:3 (Speicherdauer 1 Tag)[11] 9 2 h
Wasserstoff 0,2 30.000 h[15]
(Brennstoffzelle)
34–62[16] 0,1 Versuchsanlagen[17] heute:25, ab 2019:10 (Speicherdauer unabhängig)[11] 33.300[18] 0,5 h
Methansynthese ? 30–54[16] < 0,00001 Versuchsanlagen[19] 14.000 Wochen
Hochtemperatur-Wärmespeicher 40–50 0,01 Versuchsanlagen[20][21] 100–200[22]

Die Angaben beziehen sich auf die größten realisierten Anlagen im Dauerbetrieb.

Anmerkungen:

  • Die Leistungsbeschränkung bezieht sich in allen Fällen darauf, dass die gespeicherte Energie wieder durch eine „Umwandlungselektronik“ (z. B. einen Wechselrichter) in die ursprüngliche Art zurück gewandelt werden muss – das ist im Regelfall das 50-Hz-Netz. Die angegebenen Werte können ohne diese Rückumwandlung weit übertroffen werden, wenn man beispielsweise einen Kondensator oder einen Akkumulator kurzschließt – dann kann die Momentanleistung um den Faktor 10.000 oder mehr höher sein als in der Tabelle angegeben. In der Tabelle geht es aber um Energiespeicher und nicht um Leistungserhöhung.
  • Die angegebenen Lebensdauern sind geschätzte Richtwerte und keine absoluten Grenzwerte. Beispielsweise kann ein Schwungrad lange vor Erreichen der 1-Mio-Grenze ausfallen oder früher verschrottet werden. Bei Akkus ist bekannt, dass sie in Ausnahmefällen 7000 Zyklen aushalten, im Regelfall (Autoakku) aber nach 1000 Zyklen ersetzt werden müssen.
  • Bei Methan und Wasserstoff sind für den Wirkungsgrad jeweils die Verdichtung des Gases mit 80 bar (Erdgasleitung) berücksichtigt worden. Der bessere Wirkungsgrad bezieht sich hierbei auf die Möglichkeit der Erzeugung von Strom und Wärme (KWK).

Speicherprobleme im Kontext der „Energiewende“[Bearbeiten]

Neben dem Zubau großer Trassen für die Langstreckenübertragung verändert sich das Stromsystem der Zukunft insbesondere im Bereich des Verteilnetzes, da Erzeugung, Speicherung und Verbrauch auch hier nahezu gleichzeitig erfolgen müssen. Unterschiedliche Schwankungsmuster von Photovoltaik (PV), Wind und Stromverbrauch erfordern zudem Kapazitäten für verschieden lange Zeiträume. Je nach betrachteter Zeitskala kommen verschiedene Technologien zum Einsatz, wobei sich folgende Zeitfenster ausmachen lassen:[23]

  • Subsekundenbereich bis zu wenigen Minuten (Einspeisefluktuationen);
  • bis zu einem Tag (z. B. Tagesmuster PV);
  • bis zu drei Tagen (Zufallsschwankungen);
  • ein bis zwei Wochen (anhaltende Stark- oder Schwachwindperioden);
  • saisonaler Ausgleich.

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • Peter Birke, Michael Schiemann: Akkumulatoren: Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft elektrochemischer Energiespeicher. Utz, München 2013, ISBN 978-3-83160-958-1.
  • Michael Sterner, Ingo Stadler: Energiespeicher - Bedarf, Technologien, Integration. Springer, Berlin 2014, ISBN 978-3-642-37379-4.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. 100 Prozent minus Verluste bei Umwandlung und Speicherung gleich Gesamtwirkungsgrad
  2. Stromspeicher-Technologien im Vergleich, auf energieverbraucher.de
  3. flywheels (PDF; 1,1 MB) Zugriff am 2. Oktober 2010.
  4. solarenergystorage.org, Berechnung nach solarenergystorage.org mit Zahlen für Schwungrad: Annahme: Preis: 1200 Euro/kWh, Ladezyklen: 1 Mio., Speichermenge (Beispiel, sonst analog): 1 kWh, Wirkungsgrad des Schwungrads: 95 Prozent * 90 Prozent (Selbstentladung), Rechnung: 1000000 Zyklen * 1 kWh = 1 000 000 kWh . 1 000 000 kWh * 0,95 (Wirkungsgrad) * 0,9 (Selbstentladung) = 855 000 kWh . 855 000 kWh ist die Energiemenge, die das angenommene Schwungrad in seiner Lebenszeit aufnehmen und wieder abgeben kann. Kosten für das Schwungrad: 1200 Euro/kWh * 1 kWh = 1200 Euro . Preis pro kWh: 1200 Euro / 855 000 kWh = 0,15 Cent/kWh . Anmerkung: dies ist jedoch nur gültig, wenn die 1 Mio. Ladezyklen auch ausgenutzt werden. Sonst verschlechtert sich der Preis entsprechend. Auch wurde angenommen, dass die Selbstentladung nur 10 Prozent beträgt. Für Speicherung länger als einen Tag ist das Schwungrad eher ungeeignet wegen der Selbstentladung.
  5.  Florian Strößreuther, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Fakultät für Maschinenwesen, Institut für Dampf- und Gasturbinen der RWTH Aachen (Hrsg.): Machbarkeitsstudie und Konzept einer stationären Schwungradanlage zur dezentralen, verbraucherorientierten Energiespeicherung. Aachen 14. Mai 1996, Schwungradentwicklung in den letzten vierzig Jahren (http://www.oocities.com/infotaxi/schwung-entwcklg.htm, abgerufen am 22. Mai 2010).
  6. Batteries for Large-Scale Stationary Electrical Energy Storage (PDF; 826 kB), The Electrochemical Society Interface, 2010, (engl.)
  7. Techn. Datenblatt zu Winston Battery WB-LYP100AHA. Abgerufen am 3. Juni 2014.
  8. cleanthinking.de: "Tesla kauft seine Zellen von Panasonic/Sanyo für vermutlich 150 Dollar/Kilowattstunde", schätzt Prof. Dirk Uwe Sauer von der RWTH, aufgerufen 28. Januar 2014
  9. solarenergystorage.org, Berechnung nach solarenergystorage.org mit aktuellen Zahlen: Annahme: LiFePo Akku, Preis: 120 Euro/kWh (s.a. Akkupreise) , Ladezyklen: 10000 bei 90 Prozent Entladetiefe, notwendige Speichermenge für einen Haushalt (Beispiel, sonst analog): 5 kWh, Wirkungsgrad des Akkus: 90 Prozent, Entladungstiefe: 90 Prozent, Rechnung: 10000 Zyklen * 5 kWh = 50 000 kWh . 50 000 kWh * 0,9 (Wirkungsgrad) * 0,9 (Entladetiefe) = 40 500 kWh . 40 500 kWh ist die Energiemenge, die der angenommene Akku in seiner Lebenszeit aufnehmen und wieder abgeben kann. Kosten für den Akku: 120 Euro/kWh * 5 kWh = 600 Euro (eventuell zzgl. Einbaukosten, Steuerungskosten usw.). Preis pro kWh: 600 Euro / 40 500 kWh = 1,5 Cent/kWh .
  10. Dominion: Bath County Pumped Storage Station, abgerufen am 21. November 2013.
  11. a b c vde.com siehe Bild 4, Tagesspeicherung, eingefügt 13. Mai 2014
  12. siehe Kraftwerk Huntorf (Niedersachsen)
  13. siehe Kraftwerk McIntosh (Alabama/USA)
  14. Es gibt weltweit zwei Anlagen (Stand 2011). Eine dritte ist in Planung, siehe Druckluftspeicherkraftwerk Staßfurt, geplante Fertigstellung 2013.
  15. U.Bünger, W.Weindorf: Brennstoffzellen - Einsatzmöglichkeiten für die dezentrale Energieversorgung. Ludwig-Bölkow-Systemtechnik, Ottobrunn 1997.
  16. a b Gutachten des Fraunhofer IWES zum Thema: Windgas (PDF; 2,1 MB)
  17. Versuchsanlagen zur Speicherung von Wasserstoff
  18. Technische Eigenschaften von Wasserstoff
  19. IDW-Online 29. November 2011
  20. DLR Wärmspeicher HOTREG
  21. RWE Power entwickelt Hochtemperatur-Wärmespeicher für GuD-Kraftwerke
  22. Wärmespeicher
  23. Fachartikel zu Energiespeichern im Kontext der Energiewende(PDF; 4,73 MB), S. 34. Zugriff am 30. Oktober 2013.