Wie funktioniert
Energiespeicherung?
Die effiziente Energiespeicherung stellt die Forscher ständig vor neue technische Herausforderungen. Zahlreiche Möglichkeiten der Stromspeicherung kennen wir aus dem Alltag: So gibt es Batterien für den Heimbedarf oder größere Pumpkraftwerke zur Stabilisierung des Stromnetzes. Für ein unabhängiges Energiemanagement wird je nach Energieform ein passendes Speichersystem mit dem höchsten Wirkungsgrad gewählt. Doch wie funktionieren sie im Einzelnen?
Welche Energie wird
wie gespeichert?
Zur Energiespeicherung müssen zunächst geeignete Energieträger gefunden werden. Die derzeit Gängigsten mit den besten Voraussetzungen sind:
- Brenn- oder Treibstoffe
- gehobene, bewegte oder verformte Körper
- sowie Batterien und Akkumulatoren.
Neben der Frage nach den passenden Energieträgern muss auch klar sein, welche Energieform gespeichert werden soll. Es besteht ein Unterschied, ob solare, elektrische oder kinetische Energie bereitsteht. Um diese dann endgültig in Form von Strom oder Wärme zu verbrauchen, müssen wir sie über chemische oder mechanische Reaktionen erst umwandeln.
Doch Energiespeicherung ist nicht gleich Stromspeicherung: Für die technische Exaktheit sei gesagt, dass nicht der Strom, sondern das Energiepotential der jeweiligen Energiequelle gespeichert wird. Je nach Funktionsweise der verschiedenen Speicher unterscheidet man daher in mechanische, kinetische, chemische oder elektrische Speicher.
Welche Energieformen für das Auf- und Entladen verwendet werden, ist nicht wesentlich. Bei einem Akkumulator beispielsweise erfolgt die Füllung durch elektrische Energie, die Speicherung jedoch in Form von chemischer Energie. Gasspeicher oder flüssige Brennstoffe hingegen nehmen chemische Energie auf und geben sie verlustfrei wieder ab. Dennoch entscheidet die Energieform über die Art des verwendeten Speichers. Mit dem wachsenden Ausbau von Photovoltaik und Windenergie ist das Interesse an elektrischen Energiespeichern deutlich gestiegen. In unserem Elektrokosten-Guide erfahren Sie alles, was Sie über eine Elektro-Neuinstallation wissen müssen.
Wie wird elektrische Energie
gespeichert?
Das aktuell leistungsstärkste elektrische Speichersystem ist das Pumpspeicherkraftwerk. Es pumpt mit Hilfe von überschüssig erzeugten Strom Wasser in ein höherliegendes Wasserbecken bergauf. Wird später erneut Strom benötigt, wird das Wasser über Fallrohre zu Turbinen herabgelassen, wodurch die zum Hochpumpen benötigte Energieaufwendung fast vollständig wieder zurückgewonnen wird. Ein Generator kann dann die mechanische Energie umwandeln – also Strom erzeugen. Diese Anlagen reagieren schnell und bieten langzeitige Leistungsreserven von mehreren Megawattstunden. Das effektivste Pumpspeicherkraftwerk der Welt befindet sich in den USA und hat eine Leistung von rund 3000 MW – ein wahrer Super-Energiespeicher.
Für Windenergie bieten sich beispielsweise Druckluftspeicher in unterirdischen Kavernen an. Hier pumpt man kein Wasser, sondern speichert komprimierte Luft in großen Tanks. In Deutschland befinden sich diese Energiespeicher in Küstennähe, unweit der Offshore-Windparks. Weltweit werden diese CAES-Kraftwerke – englisch für „compressed air energy storage“ – bislang nur wenig eingesetzt, denn sie haben mit etwa 50 Prozent an zurückgewonnenem Energiepotential einen deutlich geringeren Wirkungsgrad.
Was ist
chemische Energiespeicherung?
Eine weitere Form für die Speicherung von Elektrizität sind die chemischen Energiespeicher Batterien und Akkumulatoren. Derzeit werden sie mit großem Interesse für die Speicherung von Wind- und Solarenergie studiert. Das weltweit größte Batterie-Speicherkraftwerk ist in Australien in Betrieb und kann eine Leistung von 150 MW erzeugen.
Ihr Nachteil: Beim Laden erwärmen sie sich, wobei bereits ein Teil des Energiepotentials verloren geht. Außerdem entladen sie sich selbst. Um dieses Problem zu lösen, wurden Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren mit geringer Selbstendladung (LSD-NiMH) entwickelt, welche einsatzfähig bleiben, selbst wenn sie monatelang nicht ge- oder entladen wurden. Ihre Entladungsrate beträgt maximal 15 Prozent pro Jahr.
Des Weiteren testen Forscher aus den USA eine Super-Batterie, die dank eines Ultraschall-Emissionsgeräts extrem schnell und viel häufiger lädt, als herkömmliche Lithium-Batterien. Es ist eine Frage der Zeit, bis sich diese leistungsfähigeren und langlebigeren Super-Batterien im Alltag durchsetzen.
Wie funktioniert die
thermische Energiespeicherung?
Als umweltfreundlich gelten die in der Solarthermie verbreiteten Wasserspeicher, die über Kollektoren solare Wärme aufnehmen. Sie wird über einen Wärmetausche an das Trinkwasser weitergegeben und kann tage- oder monatelang gespeichert werden. Einige Kraftwerke verfügen über ein sogenanntes TES-System – englisch für Thermal Energy Storage – um auch nach Sonnenuntergang weiterhin Energie zu erzeugen.
Weitere Funktionen von Energiespeichern
Die aktuell gebräuchlichen, verschiedenen Stromspeicher haben über die reine Speicherfunktion noch eine deutlich umfassendere Bedeutung für den Energieverbrauch: Zum einen ermöglichen sie die Speicherung von Strom aus erneuerbaren Energien wie die Photovoltaik, der somit trotz Wetterabhängigkeit oder auch nachts verfügbar ist. Dies ist besonders im Rahmen der Energiewende und der für 2050 angestrebten Klimaneutralität fundamental.
Zum anderen tragen sie dazu bei, Schwankungen bei Angebot und Nachfrage von Strom und Wärme im öffentlichen Netz abzufedern. Um die Zuverlässigkeit des Stromnetzes zu erhöhen und vor Stromausfällen zu schützen, sind technisch ausgereifte Systeme wie Pumpspeicherkraftwerke unentbehrlich. Im Heimbereich hingegen eignen sich intelligente Energiemanagement-Systeme zur Steuerung und Überwachung des Stromangebots.
Ganz gleich, ob Energiespeicher für Elektroautos oder für den Strom- und Wärmeverbrauch benötigt werden, Forscher der ganzen Welt arbeiten mit großem Eifer an der Speicherverbesserung – sowohl im elektrischen Bereich bei den Super-Batterien als auch im Wärmebereich bei den Wärmekraftwerken mit Thermal Energy Storage Systemen.
In der hauseigenen Technikzentrale werden alle wichtigen Aufgaben zusammengeführt. So können wir trotz der Wetterabhängigkeit der erneuerbaren Energien zu jeder Zeit „sauberen Strom“ verbrauchen.
Quellen:
Schneller und häufiger: Super-Batterien durch Ultraschall-Technologie, MDR
Elektroautos: Das Rennen um die Super-Batterie, IAA Mobility
Sonnenenergie auch nachts nutzen, Prozesstechnik Online