Wie funk­tio­niert
Ener­gie­spei­che­rung?

Der Energiespeicher und der Energiemanagement-Controller von Hager.

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.

Solarpanels und Windkraftanlage.


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