Energiespeicher

Energiespeicher dienen der Speicherung von Energie zum Zwecke der späteren Nutzung. Wenn die Speicherung einer gewünschten Energieform wegen technischer Probleme, ungenügender Kapazität oder Stillstandsverlusten ungünstig ist, wandelt man sie in eine andere Energieform um, speichert diese und zurückverwandelt sie im Bedarfsfalle, z. B. chemische Energie (Brennstoff) in thermische (Wärme). Bei der Speicherung wie 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
• 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): Schwungrad, bzw. Schwungradspeicher
  • Potentielle Energie (Lageenergie): Feder, Pumpspeicherkraftwerk, Druckluftspeicherkraftwerk
• Elektrische Energie: Kondensator, Supraleitender Magnetischer Energiespeicher

Fälschlich wird oft auch die Brennstoffzelle als Energiespeicher bezeichnet. Die Brennstoffzelle ist jedoch nur ein Energiewandler, da sie die in den Brennstoffen gespeicherte Energie nutzt, um elektrischen Strom zu erzeugen.

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

• Kavernenspeicher für Rohöl, Erdgas und Druckluft
• Porenspeicher für Erdgas
• Lagertank und Kraftstofftank
• Adsorptionsspeicher

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^[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.

Verfahren[2]	max. Leistung in MW	Lebensdauer in Zyklen	Wirkungsgrad in %	Selbstentladung in %/h	Investitionskosten in €/kWh	Energiedichte in kWh/t	Typ. Zeit der Entladung bei üblicher Baugröße
Normaler Kondensator	0,01	100 Mio.	95	0,01	200.000	0,03	0,01 s
EDLC	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]	50[4]	100 s
Batterie-Speicherkraftwerk (mit Akkumulatoren)	27[5]	<1000	80	0,01	100	30–120	4 h
Pumpspeicherkraftwerk	1060	?	80	0	71	0,4	8 h
Hubspeicherkraftwerk [6] (es existiert keine Anlage)	?	?	?	?	unbekannt	?	?
Druckluftspeicherkraftwerk	290	?	42[7]–54[8]	?	Pilotanlagen[9]	9	2 h
Wasserstoff	0,2	30.000 h[10] (Brennstoffzelle)	34 - 62[11]	0,1	Versuchsanlagen[12]	33.300[13]	0,5 h
Methansynthese	> 10000 [14]	?	30 - 54 [11]	< 0,00001 [15]	Versuchsanlagen[16]	14.000	Wochen
Hochtemperatur-Wärmespeicher			40-50	0,01	Versuchsanlagen [17],[18]	100-200 [19]

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 10000 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 Investitionskosten 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 80bar (Erdgasleitung) berücksichtigt worden. Der bessere Wirkungsgrad bezieht sich hierbei auf die Möglichkeit der Erzeugung von Strom und Wärme (KWK).

Siehe auch

• Ragone-Diagramm – das Diagramm der spezifischen Leistung zur spezifischen Energie eines Speichermediums
• Dezentrale Stromerzeugung
• Elektroauto#Energiespeicher

Weblinks

• Energiespeichern Energiespeichern und mobile Anwendungsbereiche der Energiespeicherung (Gesamtinhalt)
• Themen - Information Energiespeicher Portal zum Thema Energieeffizienz
• Optionen zur Speicherung elektrischer Energie in Energieversorgungssystemen mit regenerativer Stromerzeugung (Überblick) (PDF-Datei; 1,07 MB)
• Beste Energiespeicherung Energie-Frage der Woche: Welcher Treibstoff ist der beste Energiespeicher?
• Verschiedene Arten der Energiespeicherung auf energie-strom.com (Energieinformationsseite)
• Speicher für sicheren Strom allein aus Wind und Sonne zum Ringwallspeicher

Einzelnachweise

1. ↑ 100 Prozent minus Verluste bei Umwandlung und Speicherung gleich Gesamtwirkungsgrad
2. ↑ Stromspeicher-Technologien im Vergleich, auf energieverbraucher.de
3. ↑ flywheels Zugriff am 2. Oktober 2010
4. ↑ 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).
5. ↑ Batteries for Large-Scale Stationary Electrical Energy Storage, The Electrochemical Society Interface, 2010, (engl.)
6. ↑ http://www.hubspeicher.de/hubspeicherkraftwerke.htm
7. ↑ siehe Kraftwerk Huntorf (Niedersachsen)
8. ↑ siehe Kraftwerk McIntosh (Alabama/USA)
9. ↑ Es gibt weltweit zwei Anlagen (Stand 2011). Eine dritte ist in Planung, siehe Druckluftspeicherkraftwerk Staßfurt, geplante Fertigstellung 2013.
10. ↑ U.Bünger, W.Weindorf: Brennstoffzellen - Einsatzmöglichkeiten für die dezentrale Energieversorgung. Ludwig-Bölkow-Systemtechnik, Ottobrunn 1997.
11. ↑ ^{a b} Gutachten des Fraunhofer IWES zum Thema: Windgas
12. ↑ Versuchsanlagen zur Speicherung von Wasserstoff
13. ↑ Technische Eigenschaften von Wasserstoff
14. ↑ Kann aus der hier angegegebenen Entnahmerate bestimmt werden.
15. ↑ Methan kann in Untergrundspeichern über Jahrtausende gespeichert werden.
16. ↑ Energiepark Morbach
17. ↑ DLR Wärmspeicher HOTREG
18. ↑ RWE Power entwickelt Hochtemperatur-Wärmespeicher für GuD-Kraftwerke
19. ↑ Wärmspeicher