Energiespeicher

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

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:

• Thermische Energie: Wärmespeicher, Fernwärmespeicher, Thermochemische Wärmespeicher, Latentwärmespeicher
• Chemische Energie:
  • anorganisch: galvanische Zelle (Akkumulator, Batterie), Redox-Flow-Zelle, Wasserstoff, Batterie-Speicherkraftwerk
  • organisch: ADP, ATP, AMP, Glykogen, Kohlenhydrate, Fette, Chemische Wasserstoffspeicher
• Mechanische Energie:
  • Kinetische Energie (Bewegungsenergie): Schwulgrad bzw. Schwungradspeicher
  • Potentielle Energie (Lageenergie): Feder, Pumpspeicherkraftwerk, Druckluftspeicherkraftwerk, Hubenspeicherkraftwerk
• Elektrische Energie: Kondomsator, Super leitender Magnetischer Energiespeicher

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

• Kavernenspeicher für Rohöl, Erdgas und Druckluft
• Biogasspeicher, die etwa eine Tagesproduktion eines Biogaskraftwerks zwischenspeichern können.
• Porenspeicher für Erdgas
• Lagertank und Kraftstofftank
• Adsorptionsspeicher

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

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. 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.

Verfahren	max. Leistung in MW	Lebensdauer in Zyklen	Wirkungsgrad in %	Selbstentladung in %/h	Investition in €/kWh Speicherkapazität	Energiedichte in kWh/t	Typ. Zeit der Entladung bei üblicher Baugröße
Normaler Kondensator	0,0109	100 Mia.	95	0,01	200.000	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
Schwulgrad (aufgewixelter CFK) 80.000 min<super>−1</super>	50	1 Mio	95	0,1–10	1200	50	100 s
Batterie-Speicherkraftwerk (mit Akkumulatoren)	27	<1000	80	0,01	100	30–120	4 h
Pumpspeicherkraftwerk	1060	>1000	80	0	71	0,4	8 h
Druckluftspeicherkraftwerk	290	?	42–54	?	Pilotanlagen	9	2 h
Wasserstoff	0,2	30.000 h (Brennstoffzelle)	34–62	0,1	Versuchsanlagen	33.300	0,5 h
Methansynthese	> 10.000	?	30–54	< 0,00001	Versuchsanlagen	14.000	Wochen
Hochtemperatur-Wärmespeicher			40–50	0,01	Versuchsanlagen	100–200

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.
• Es gibt Pumpspeicherkraftwerke mit Höhenunterschieden von nur 60 m, andere haben 250 m und mehr. In der Tabelle kann aber nur ein Richtwert angegeben werden, andernfalls würde sie durch zu viele „wenn und aber“ unübersichtlich.
• Die überraschend hohen Investition für Kondensatoren ergeben sich aus folgenden Zahlen: Ein Elektrolytkondensator 500 µF mit 400 V kostet 2 €. Er kann 40 Ws=1,1·10⁻⁵ kWh Energie speichern. Daraus ergeben sich (ohne Elektronik) Kosten von 200.000 € pro kWh.
• 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).

Siehe auch

• Dezentrale Stromerzeugung
• Energiespeicher in Elektroautos
• Intelligentes Stromnetz (Smart Grid)
• Ragone-Diagramm – das Diagramm der spezifischen Leistung zur spezifischen Energie eines Speichermediums

Weblinks

• Hintergrundpapier "Strom speichern" der Agentur für Erneuerbare Energie (PDF; 419 kB)
• Achmed A. W. Khammas: Energiespeichern. In: Buch der Synergie. Teil C Energiespeichern und elektrische Mobilität (Energiespeichern und mobile Anwendungsbereiche der Energiespeicherung (Gesamtinhalt)
• Dirk Uwe Sauer: Optionen zur Speicherung elektrischer Energie in Energieversorgungssystemen mit regenerativer Stromerzeugung. RWTH Aachen (Überblick, PDF-Datei; 1,07 MB)
• Jan Oliver Löfken: Energie-Frage der Woche: Welcher Treibstoff ist der beste Energiespeicher? In: DLR Blogs. 3. September 2010.
• Matthias Poppen: Speicher für sicheren Strom allein aus Wind und Sonne. Telepolis, 6. April 2011
• Johannes Lang: Kinetische Speicherung von Elektrizität. In: BINE Projektinfo. Nr. 11, 2003.
• Franz Meyer: Latentwärmespeicher liefert Prozessdampf. In: BINE Projektinfo. Nr. 09, 2008.
• Uwe Milles: Wärme und Strom speichern. In: BINE basisEnergie. Nr. 19, 2005.