Weitere Stromspeicher

Über die öffentlich deutlich mehr diskutierten

  • Kurzzeitspeicher: Batteriespeicher
  • Langzeitspeicher: Pumpspeicher, Power-to-Gas

hinaus geben wir hier einen kurzen Einblick zu

  • Kurzzeitspeicher: supraleitende Magnetische-Energiespeicher, Superkondensatoren, Schwungmassespeicher
  • Langzeitspeicher: Druckluftspeicher

 

SMES (supraleitende Magnetische-Energiespeicher:)

Überschüssiger Strom wird hier gleichgerichtet, fließt durch eine supraleitende Spule, in deren Magnetfeld die Energie fast verlustfrei gespeichert und wieder abgerufen werden kann. Die Investitionskosten einer solchen Anlage sind hoch, denn die Spule muss bei den heute fast ausschließlich eingesetzten Niedertemperatur-Supraleitern mit Hilfe von flüssigem Helium auf Temperaturen unter -269 °Celsius gekühlt werden. Das senkt den ansonsten hohen Wirkungsgrad von über 90%. Außerdem muss die Anlage über einen Gleichrichter und zwecks Wiedereinspeisung ins Netz über einen Wechselrichter verfügen. Mit SMES-Speichern lassen sich bei Schaltzeiten im Millisekundenbereich Leistungen von einigen Megawatt für Sekundenzeiträume erzielen. Die Speicherkapazität liegt in der Größenordnung von einigen Kilowattstunden.[1]

 

Kondensatoren

Diese Bauteile waren lange Zeit nur als Speicher winziger Energiemengen in der Elektronik oder z.B. in Blitzlichtgeräten verwendbar. Die Bandbreite der Anwendungen wurde wesentlich erweitert durch die im Verlauf der letzten 20 Jahre entwickelten sogenannten Supercaps. Das sind Kondensatoren einer Kapazität von mehreren Tausend Farad (Ladung pro Spannung, nicht Energie), das Millionenfache „großer“ Kondensatoren in elektronischen Schaltungen oder bei Fotoblitzen.

Sie erreichen heute schon etwa ein Zehntel der Energiedichte eines Akkumulators. (Energiedichte = Energie/Kilogramm). Ihr Wirkungsgrad ist hoch und sie können bei minimaler Ladedauer bis zu eine Million Mal aufgeladen und wieder entladen werden. Herkömmliche Akkumulatoren schaffen höchstens 1500 solche Zyklen.

Hauptnachteile der Superkondensatoren sind die hohe Selbstentladungsrate von ca. 15% pro Monat und die momentan noch hohen Produktionskosten. Ein Ende der rasanten Entwicklung ist im Moment aber nicht abzusehen, das Kostensenkungspotential scheint hoch zu sein.

Der Einsatz von Supercaps kommt immer dann in Frage, wenn relativ schnell und kurzfristig eine mittlere bis hohe Energie benötigt wird oder gespeichert werden soll. Die Speicherkapazität der in Schienenfahrzeugen eingesetzten Anlage Sitras liegt beispielsweise in der Größenordnung von einer kWh bei einer Leistung von 288 kW.

Einsatzgebiete der Supercaps sind z.B.:

  • Straßenverkehr: Bremsenergie wird in Hybrid-Fahrzeugen zum Aufladen der Kondensatoren genutzt, die dann beim Anfahren wieder freigesetzt wird.
  • PKW-Sicherheit : Bereitstellung der elektrischen Energie für wichtige Schaltfunktionen bei Ausfall des Bordnetzes
  • Verlängerung der Lebensdauer von Batterien durch kurzzeitige Aufnahme oder Abgabe hoher Energiemengen beim Bremsen oder Beschleunigen von Fahrzeugen
  • In Windkraftanlagen werden etwa bei Böen anfallende Energiemengen in Supercaps gespeichert. Die gespeicherte
    Energie wird bei der Steuerung der Rotorblätter ausgenutzt.

Gelänge es, die Energiedichte nochmal um den Faktor 10 bis 20 zu steigern, so könnten Supercaps vielleicht sogar Akkumulatoren in Elektrofahrzeugen ersetzen. Bei gleicher oder größerer Reichweite wären die Ladezeit auf ein Minimum herabgesetzt.[2, S. 101][3][4][5][6][7][8]

 

Schwungmassespeicher

Überschüssige Energie kann in Form von kinetischer Rotationsenergie eines Schwungrades gespeichert werden. Die gespeicherte Energie ist proportional zum Trägheitsmoment des Schwungrads und steigt mit dem Quadrat der Drehzahl. In der Regel wird das Schwungrad bei Energieaufnahme mit Hilfe eines Elektromotors beschleunigt und bei Energieabgabe mit Hilfe eines Generators abgebremst. Wegen der sich ändernden Drehzahl ist der Einsatz eines Frequenzumrichters notwendig.

Man unterscheidet Low-Speed-Flywheels aus metallischen Werkstoffen, mit denen wegen der begrenzten Zugfestigkeit maximal Drehzahlen von etwa 10000 pro Minute erreicht werden und High-Speed-Flywheels, in denen faserverstärkte Kunststoffe eingesetzt werden und die es auf die zehnfache Drehzahl bringen.

Die Zugriffszeiten bei Schwungrädern liegen im Millisekundenbereich. Die gespeicherte Energie kann innerhalb von Sekunden komplett abgegeben werden. Dabei werden Wirkungsgrade von bis zu 95% erreicht. Wegen der unvermeidbaren Reibungsverluste von bis zu 20% pro Stunde werden sie vor allem als Kurzzeitspeicher zur Vermeidung von Stromschwankungen und zur Abdeckung von Leistungsspitzen eingesetzt. Um die Reibungsverluste zu vermeiden, lässt man die Schwungräder in Vakuumkammern laufen. An Stelle von Wälz-oder Gleitlagern werden auch Magnetlager mit Supraleitern verwendet, was aber wieder einen hohen Kühlungsaufwand voraussetzt.[9][10][11]

 


Druckluftspeicher

In Druckluftspeichern wird Luft auf hohen Druck im Bereich von mehr als 50 bar komprimiert, in geeigneten unterirdischen Hohlräumen gespeichert und kann im Bedarfsfall beim Entspannungsprozess mit Hilfe von Turbinen und Generatoren wieder zur Stromerzeugung genutzt werden. Mögliche gasdichte Hohlräume sind zur Genüge vorhanden, beispielsweise in Salzstöcken oder in porösen Gesteinsformationen. Allerdings sind die geeigneten Formationen auch Kandidaten für die Speicherung von Wasserstoff oder Erdgas. Das Potential wird auf mehrere hundert GWh geschätzt und übertrifft das von Pumpspeicherwerken bei weitem[2, Seite 66]. Technische Probleme bei diesem Speicherverfahren bestehen in der Nutzung der bei der Kompression entstehenden Abwärme und der Notwendigkeit der Wärmezufuhr bei der Dekompression, um ein Vereisen der Turbinen zu vermeiden. Weltweit sind bisher nur zwei Großanlagen in Betrieb, eine davon in Huntdorf in Niedersachsen. Die dort als Speicher verwendeten bis zu 800m tiefen Salzkavernen haben ein Volumen von 300.000 m³. Die enthaltene Druckluft ist auf 46 bar bis 72 bar komprimiert. Der Speicher kann innerhalb von 8 Stunden geladen und binnen zwei Stunden wieder entladen werden. Die Anlage bringt eine Leistung von 321MW, der Wirkungsgrad liegt allerdings bei nur 42 %. Das liegt unter anderem daran, dass die Kompressionsabwärme in dieser Anlage verloren geht. Bei einer jüngeren Anlage in Alabama wird diese Abwärme bei der Dekompression wieder genutzt, was den Wirkungsgrad auf etwa 54% steigert. Wirkungsgrade von 70% erscheinen für die Zukunft realistisch [2, Seite 92]. In jüngerer Zeit ist die Entwicklung von effizienteren Druckluftspeicherwerken aber ins Stocken geraten: Die Planung einer Demonstrationsanlage unter dem Namen ADELE („Adiabater Druckluftspeicher für die Elektrizitätsversorgung“) in Staßfurt (Sachsen-Anhalt) wurde Anfang 2015 von RWE „wegen fehlender Marktperspektive“ eingestellt[13][14].

Hoffnung macht indes ein Schweizer Projekt der ETH Zürich zum Bau eines Druckluftspeichers am Gotthardbasistunnel. Als Speicher soll hier ein beim Tunnelbau verwendeter Abraumtunnel benutzt werden. Die bei der Kompression entstehende Wärme wird in Gestein gespeichert und zum Erwärmen der Luft bei der Dekompression wieder verwendet.[15]