Energiespeicherung

Übergreifend

Energiespeicherung

  • Warum versucht man Energie zu speichern?
  • Kann man jede Energieform speichern?
  • Wie speichert man Energie aus regenerativen Quellen?

Energieträger wie Kohle, Erdöl, Gas und Uran liegen alle in speicherfähiger Form vor. Sie lassen sie leicht auch über große Strecken transportieren (Pipelines usw.), so dass die Entfernungen zwischen der Lagerstätte und dem entsprechenden Kraftwerk durchaus beträchtlich sein können.

Mit der zunehmenden Nutzung regenerativer Energien treten zwei Probleme auf, die bei den herkömmlichen Energieträgern keine große Rolle spielten:

  • Die Menge an elektrischer Energie, welche z.B. bei einem Windgenerator oder einer Solarvoltaikanlage gewonnen wird, unterliegt starken zeitlichen Schwankungen (denke an Windstille oder Dunkelheit bzw. schlechtes Wetter). Wenn der Anteil dieser Energiebeiträge in den nächsten Jahren größer wird, muss man für Speichermöglichkeiten der elektrische Energie sorgen.

  • Auch der Transport elektrischer Energie über sehr große Entfernungen ist problematisch, da in den Fernleitungen Verluste entstehen. Es wäre günstig, wenn die Anlagen, in denen elektrische Energie gewonnen wird, möglichst nahe bei den Verbrauchern liegen würden.

Näheres über die einzelnen Speichermöglichkeiten von Energie erfährst du in den folgenden Abschnitten.

Laden und Entladen eines Kondensators

Mit sogenannten Kondensatoren (Bauteil aus zwei Elektroden zwischen denen sich ein geeignetes Isolationsmaterial befindet) kann elektrische Energie gespeichert werden. Gegenüber Akkumulatoren haben Kondensatoren den Vorteil, dass sie nahezu beliebig oft geladen und entladen werden können. Ihr Nachteil war jedoch bis vor kurzer Zeit, dass sie nur relativ wenig elektrische Ladung aufnehmen konnten (einige As). Inzwischen gelang jedoch die Entwicklung sogenannter Superkondensatoren, die schon bis zu einigen Ah Ladung - bei einem Gewicht von nur 1 kg - speichern können. Allerdings ist der Preis dieser Kondensatoren noch hoch.

Die Anwendung dieser Kondensatoren reicht von der kurzzeitigen Aufrechterhaltung der Funktion elektrischer Geräte bei Stromausfall, bis hin zum Betrieb kleinerer Elektrofahrzeuge.

Für die Speicherung einer Energiemenge, die für eine größere Personengruppe ausreichen würde taugen die Kondensatoren jedoch noch nicht.

Superkondensator
Schwungrad
Schwungräder werden i.a. zur Speicherung kinetischer Energie eingesetzt. Bei einem Vier-Takt-Ottomotor wird nur bei einem Takt Arbeit verrichtet. Damit die Maschine aber auch während der anderen drei Takte in Bewegung bleibt, kann ein Schwungrad zur Speicherung der kinetischen Energie eingesetzt werden.
Bei Experimenten zur Kernverschmelzung am Institut für Plasmaphysik in Garching bei München wird kurzzeitig eine hohe elektrische Leistung von bis zu 200 MW benötigt. Diese große Leistung kann dem Ortsnetz in Garching nicht entnommen werden, das Netz würde zusammenbrechen. Um trotzdem die erforderliche Leistung bereitstellen zu können betreibt man in Garching elektrische Generatoren, die von großen Schwungrädern betrieben werden. Das größte der vier Schwungräder besitzt eine Masse von 230 t. Der damit betriebene Generator kann für 10 Sekunden lang eine elektrische Leistung von 150 MW bereitstellen.

Pumpspeicherwerk
Der größere Teil unser Kraftwerke, die der Versorgung mit elektrischer Energie dienen, ist so ausgelegt, dass sie im Dauerbetrieb laufen müssen. Wenn nachts der Bedarf an elektrischer Energie zurückgeht, wird der Energieüberschuss dafür verwendet, Wasser von einem niedrigen Niveau auf ein höheres Niveau zu heben. Untertags kann die potentielle Energie, die im angehobenen Wasser steckt, abgerufen werden.

Der Wirkungsgrad für die Speicherung elektrischer Energie im Pumpspeicherwerk ist ca. 75% (d.h. von 100 kWh elektrischer Energie stehen nach dem Hochpumpen und der Umwandlung der kinetischen Energie des am nächsten Tag herabstürzenden Wassers in elektrische Energie im Generator noch 75 kWh zur Verfügung).

Wollte man allerdings die nach dem geplanten massiven Ausbau der regenerativen Quellen erforderliche Energiespeicherung nur mit Pumpspeicherwerken lösen, so stünde in den meisten Ländern nicht der hierfür erforderlich Raum zur Verfügung (vgl. Musteraufgabe!).

Fazit:
Pumpspeicherwerke haben einen relativ hohen Wirkungsgrad. Sie sind gut geeignet um auftretende Spitzenlasten abzudecken. Aufgrund ihrer vergleichsweise geringen Speicherkapazität eignen sie sich aber nicht zur langfristigen Abdeckung eines großen Energiebedarfs.

Druckluftspeicher
Pressluftspeicher eignen sich sehr gut zum Speichern von Energie, ähnlich wie bei Pumpspeicherkraftwerken wird in Zeiten von "Stromüberschuss" (z.B. in der Nacht) Energie gespeichert, hier in Form von komprimierter Luft, die in unterirdische Kavernen (z.B. Salzstöcke) gepresst wird, und in Zeiten von "Strommangel" kann man die Energie wieder nutzen, indem man die Turbine mit der komprimierten Luft antreibt.

Schema eines Luftspeicher-Gasturbinen-Kraftwerks

  • In Zeiten hohen Bedarfs wird die elektrische Energie der Windanlage direkt in das Netz eingespeist.
  • In Zeiten geringen Bedarfs wird mit der elektrischen Energie der Windanlage der Kompressor betrieben, der die angesaugte Luft verdichtet und in die Kavernen pumpt.
  • Bei Windstille und hohem Bedarf treibt die Pressluft der Kavernen den Generator an.

Druckluftspeicherwerk (nach Uni Hannover)
Ein Druckluftspeicherkraftwerk ist prinzipiell ein Gasturbinenkraftwerk, das zu Zeiten des Spitzenbedarfs eingesetzt werden kann. Im Gegensatz zum Pumpspeicherwerk nutzt es die Energie komprimierter Luft.
In Zeiten geringen Bedarfs wird die elektrische Energie (z.B. einer Windkraftanlage) durch den elektrisch betriebenen Kompressor (Leistung 60 MW) mit einem Druck von 50 - 70 bar in Kavernen gepresst. Die Füllung typischer Luftdruckspeicher dauert ca. 8 Stunden.
In Zeiten hohen Bedarfs strömt die komprimierte Luft in die Turbinen des Gasturbinenkraftwerks, wo gleichzeitig Erdgas zugeführt und verbrannt wird. Die Druckluft übernimmt die Funktion des Verdichters im konventionellen Gasturbinenkraftwerk, der etwa zwei Drittel der Energie benötigen würde. Ein typisches Druckluftspeicherkraftwerk gibt über zwei Stunden eine Leistung von ca. 200 MW ab, dann sind die Druckluftspeicher leer.
Ein Druckluftkraftwerk kann sehr schnell gestartet werden (volle Leistung nach ca. 10 Minuten). Im Gegensatz zum Pumpspeicherwerk hat es einen deutlich kleineren "Flächenverbrauch".

Fazit:
Druckluftspeicher stellen in geeigneten Gesteinsformationen einen möglichen Langzeitspeicher für Energie dar.

Ausführlichere Informationen über Pumpspeicherwerke incl. einer Aufstellung aller Pumpspeicherwerke in der BRD findest du unter http://de.wikipedia.org/wiki/Pumpspeicherkraftwerk

Wärmespeicher sind im Haushaltsbereich schon seit längerer Zeit bekannt, so kann man z.B. mit dem billigeren Nachtstrom einen Wärmespeicher aufheizen und damit untertags die Wohnung erwärmen. Als Speichermedium dient Schamott (feuerfestes Gestein mit hohem Aluminiumoxid-Anteil) oder Wasser. Inzwischen sind aber die Preise für Nachtstrom auch gestiegen, sodass diese Heizungsart sowohl aus wirtschaftlicher, aber besonders auch aus ökologischer Sicht fraglich geworden ist.

Bei der Nutzung solarer Energie werden auch in unseren Breiten Solarkollektoren eingesetzt, bei denen die Strahlungsenergie der Sonne in innere Energie des Wassers umgewandelt wird.

Auch hier werden Warmwasserspeicher verwendet. In der nebenstehenden Abbildung kann dem Speicher sowohl vom Kollektor als auch vom Heizkessel Energie zugeführt werden. Man spricht in diesem Fall von einem Hybrid-Speicher.

Neben Wärmespeichern für ein einzelnes Zimmer oder ein Einfamilienhaus gibt es inzwischen auch schon größere Wärmespeicher, welche die Energie auch über längere Zeit mit nur geringen Verlusten speichern können. Der nebenstehend abgebildete Heißwasser-Wärmespeicher in Friedrichshafen (12.000 m3 Speichervolumen) dient im Endausbau der Versorgung von bis zu 570 Wohneinheiten eines Neubaugebiets.

Neben den oben besprochenen Speichermedien (Wasser, Schamott) gibt noch weitere Speichermöglichkeiten, die hier nur erwähnt werden sollen. Genaueres kannst du bei BINE (vgl. Link) erfahren.

  • Latentwärmespeicher:
    Die Speicherung geschieht in erster Linie nicht durch eine Temperaturerhöhung des Mediums, sondern durch eine Änderung des Aggregatszustande (meist von fest nach flüssig).
  • Chemische Wärmespeicher:
    Hier wird die Wärme zunächst dazu verwendet eine chemische Reaktion auszulösen, die nur stattfindet, wenn Wärme zur Verfügung steht:

A + B + Energie → C + D

Dabei wandeln sich bei Zugabe der Wärme die Stoffe A und B (meist mit Hilfe eines Katalysators), in die Atome/Moleküle C und D um. Dies ist die Speicherreaktion, die zugeführte Energie ist in der chemischen Energie der Stoffe C und D gespeichert.
Ein Teil der gespeicherten Energie kann durch die Umkehrreaktion zurückgewonnen werden:

   

 

C + D  →  A + B + Energie'

Eine sehr ausführliche Darstellung der Wärmespeicherung bei bine: http://www.bine.info

Thermische Energie kann mittels chemischer Reaktionen gespeichert werden. Dem Laien wesentlich geläufiger ist jedoch die Speicherung elektrischer Energie über chemische Reaktionen, wie sie z.B. beim Auto-Akku stattfindet. Während eine galvanische Zelle oder eine Batterie (dies ist die Hintereinanderschaltung mehrerer galvanischer Zellen) ihre chemische Energie nur einmal in elektrische Energie wandeln können und dann entsorgt werden müssen, sind Akkumulatoren wieder aufladbar. Zur Zeit noch am weitesten verbreitet sind die Bleiakkumulatoren, bei denen im Prinzip zwei Bleiplatten in verdünnte Schwefelsäure getaucht werden. Ein Nachteil der Bleiakkus ist ihre hohes Gewicht und damit verbunden ihre relativ niedrige Energiedichte bezüglich der Masse. Für spezielle Anwendungen (z.B. Akku für Laptop oder MP3-Player) hat man daher Akkus mit anderen Elektroden und Elektrolyten entwickelt, die sich durch eine höhere Energiedichte bezüglich der Masse bzw. bezüglich des Volumens auszeichnen. Wenn dich der Aufbau dieser neueren Akkus interessiert, so kannst du dich in der Schrift der Firma Varta (Adresse: http://static.varta-consumer.de/uploads/grs_welt_der_batterien.pdf) schlau machen.

Die folgende Abbildung stellt die Energiedichte verschiedener Akkumulatoren bezüglich des Gewichts und des Volumens dar. Man sieht, dass der preislich günstige Blei-Akku für anspruchsvollere Einsatzmöglichkeiten wie z.B. beim Elektroauto nicht gut abschneidet.

Energiespeicher Wasserstoff
Wasser (H2O) ist auf der Erde in Hülle und Fülle vorhanden, es ist ungiftig und die Bindung zwischen den zwei Wasserstoffatomen (H) und dem Sauerstoffatom (O) sehr stabil. Wasser kann nur unter Energieaufwand in Wasserstoff und Sauerstoff getrennt werden. Man ist heute der Meinung, dass der Wasserstoff in der Zukunft einen sehr wichtigen Energiespeicher darstellen wird.

Die folgende Abbildung zeigt die vielfältigen Möglichkeiten, bei denen der Energieträger Wasserstoff eingesetzt werden kann.

Wasserstoffelektrolyse
Zur Erzeugung von Wasserstoff gibt es mehrere Verfahren. Im Folgenden wird die Wasserstoffelektrolyse, bei der elektrische Energie für den Trennvorgang eingesetzt wird, näher behandelt.

Wasserelektrolyse - klassisches Verfahren
In dem nebenstehend dargestellten Behälter befindet sich Wasser, welches durch Salz leitend gemacht wurde. Legt man wie skizziert eine Gleichspannung an die Elektroden, so entsteht im linken Teil der Anordnung Sauerstoff und im rechten Teil Wasserstoff.

Wasserelektrolyse - PEM-Verfahren

  • Kernstück dieses Elektrolyseverfahrens ist eine Kunststoffmembran, welche für H+-Ionen (Protonen) durchlässig ist (proton exchange membran).
  • Die Membran ist beidseitig mit einem Katalysator (Platin bzw. Iridium) beschichtet.
  • Auf der Anodenseite zerlegt der Katalysator das Wasser in Sauerstoff, Protonen und Elektronen.
  • Nur die Protonen können durch die Membran gelangen (diffundieren).
  • Die Elektronen, die den Weg über die elektrische Energiequelle nehmen vereinigen sich an der Kathode mit den Protonen zu Wasserstoff.

Das PEM-Verfahren wird z.Z. in kleineren Apparaturen eingesetzt, während für große Wasserstoffmengen die schon sehr ausgereifte klassische Elektrolyse ihre Anwendung findet.

Eine wirtschaftliche Wasserelektrolyse setzt eine billige elektrische Energie voraus, die nur an manchen Orten der Erde (z.B. Norwegen) zur Verfügung steht. Wenn du an weiteren Verfahren (die noch z.T. in der Erprobung sind) interessiert bist, dann kannst du dich auf den folgenden Seite informieren:

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