3.1 Speichertechnologien für Strom
Um eine 100%ig erneuerbare Energieversorgung sicher zu stellen, bedarf es an Stromspeichern, die es in der heutigen Zeit in der nötigen Menge noch nicht gibt, oder technisch noch nicht ausgereift sind.
Die Speicherung von Energien ist z.B. in Wintermonaten sehr wichtig, da durch die mangelnde Sonnenenergie die Solarfelder keine Leistung erbringen.
Ein kleiner Teil dieser Energiespeicher könnte durch die Akkus der Elektro-Autos / -Busse zustande kommen, wobei dies jedoch bei ca. 45 Millionen PKW und einer Speicherleistung von 10kWh nur eine Leistung von 0,45TWh ergäbe.
3.1 Erdgasspeicher
- Vorhandene Erdgasspeicher in Deutschland
Momentan vorhandene Energiespeicher mit größerer Leistung sind die Erdgasspeicher, welche die Energie thermisch in Untertage-, oder in Kugelspeichern lagern. Untergrundspeicher werden in natürlichen und künstlichen Hohlräumen in 1-3 km Tiefe verwendet und mit Überdruck gefüllt. In Deutschland sind 43 unterirdische Speicher mit einer Gesamtkapazität von 19-20 Mrd. m³ vorhanden.
Oberirdisch werden kugelförmige Speicher mit Durchmessern von 20 bis 45 Meter benutzt.
Die aktuelle Kapazität dieser Großspeicher beträgt momentan 217TWh, somit wesentlich mehr, als die 0,45TWh der PKW und soll in den nächsten Jahren auf 296TWh erhöht werden.
Diese Speicherart der Energie ist über einen langen Zeitraum geprüft und als sicher anerkannt worden. Es werden zwei verschiedene Gase benutzt:
- Methan (Geringer Brennwert, aber hohe Flammengeschwindigkeit
- Hythan (Höherer Brennwert und hohe Flammengeschwindigkeit; Bestehend aus Wasserstoff und Methan)
- Denkmalgeschützter genieteter Kugel-Gasbehälter; Foto: Bob Ionescu
- Kugelgasbehälter in der Erdölraffinerie MiRO in Karlsruhe; Urheber: Ikar.us
3.1.2 Elektrochemische Energiespeicher
Elektrochemische Energiespeicher wie beispielsweise die Redox-Flow-Batterie werden in der Zukunft als elektrische Puffer für zeitabhängige Kraftwerke (Beispiele: Windkraft, Photovoltaik), da sie einen hohen Energiewirkungsgrad haben. Diese Speicher können gefahrlos Spannungsschwankungen auffangen, ebenso können sie in kleineren Volumen portabel verpackt werden, um Mobil als Akku zu dienen.
3.1.2.1 Redox-Flow-Zelle
Eine Flussbatterie (Redox-Flow-Zelle) bei der die elektrische Energie in flüssigen Lösungsmitteln vorliegt, besteht aus zwei Reaktionspartnern (Red Reduktion; Ox Oxidation), die voneinander durch ein Ionendurchlässiges Membran getrennt sind. Diese sind Elektrolyte und lassen eine Spannung von 1,0 Volt bis 2,2 Volt zu.
Die Besonderheit ist dabei, dass die flüssigen Elektrolyte in zwei getrennten Behältnissen gelagert wird, sodass die Batterie durch einfaches Auffüllen geladen werden kann. Ebenso können die Energiespeichertanks auch einzeln geladen werden.
Vorteile hierbei sind die Vermeidung von Selbstentladung durch die Tanktrennung, ebenso wie eine erhöhte Lebenserwartung, da die Elektroden durch die Trennung nicht reagieren können.
Jedoch ist die geringe Energiedichte (bis zu 70Wh pro Liter) ein Nachteil.
Die Flussbatterie ist somit ein verwandter Energiespeicher der Brennstoffzelle, bei der ebenso zwei getrennte Materien vorliegen.
3.1.2.2 Lithium-Speichertechnik
- Prinzip des Li-Ion-Systems
Die Lithium-Ionen-Akkumulatoren (Li-Ion) gehören zu den Energiespeichern mit der höchsten Energiedichte, da Lithium das höchste negative Potenzial aller Metalle besitzt. Lithium-Ionen-Akkumulatoren können pro Gewicht aber auch in Volumen Einheit sehr viel Energie speicher und wieder abgeben. Sie werden daher meist für transportable Geräte eingesetzt beispielsweise: Handy, MP3 Player, Handheld und Notebooks.
Beim Entladen und Laden werden zwischen den Elektronengittern ausschließlich Lithium-Ionen ausgetauscht, die zwischen den Elektroden schwingen. Dieses System wird daher auch Swing-System genannt. Die Lithium Ionen werden in den Elektroden eingelagert, die dort Elektronen für den Entladen und Ladestrom abgeben.
Eine Potentielle Gefahr geht nur bei unsachgemäßer Aufladung oder bei Beschädigung aus, durch die hohen Energiedichten könnten sie anfangen zu brennen oder explodieren.
Li-Ionen-Akkus können auch für Speicherung elektrischer Energien im Haushalt genutzt werden um kurzfristige Netzausfälle oder Leistungsschwankungen zu kompensieren die von regenerativer Stromerzeugern ausgehen. Durch den hohen Wirkungsgrad, bleiben Umwandlungsverluste aus.
3.1.3 Pumpspeicherkraftwerke
- Allgemeiner Aufbau eines Pumpspeicherkraftwerks
Wind- und Wasserkraftwerke, die Nachts Energien produzieren, die nicht benötigt werden, können in Pumpspeicherkraftwerken gelagert werden.
Dabei wird Wasser aus einem unterem Becken mit der überschüssigen elektrischen Energie durch eine Pumpe in ein höher gelegenes Becken gepumpt. In diesem Becken bleibt das Wasser, bis die Energie zu Spitzenverbrauchszeiten wieder benötigt wird.
Dann öffnet sich am oberen Becken eine Schleuse, die das Wasser durch die Rohre zum unteren Becken fließen lässt. Hierbei muss die Wassermenge jedoch durch einen Generator, der die Wasserbewegung / Wasserdruck in elektr. Energie umsetzt, die auf Hochspannung transformiert wird und in das Energienetz eingeschleust wird. Nach ca. 8 Stunden der Dauerbelastung ist der Stausee leer und die Kapazität auf dem Nullpunkt. Der Vorgang beginnt von neuem.
Spitzenzeiten des Verbrauchs liegen zwischen 7.30 Uhr bis 8.30 Uhr, 9.30 Uhr bis 16.00Uhr und 19.00Uhr bis 21.30Uhr. Zu den restlichen Zeiten wird das Wasser wieder nach oben gepumpt.
Der Wirkungsgrad solcher Speicher beträgt heutzutage η~ 60% - 80%. In Deutschland sind Pumpspeicherkraftwerke mit einer Gesamtleistung von etwa 7 Gigawatt vorhanden.
3.1.4 Druckluftspeicherkraftwerk
- Quelle: Wirtschaftswoche vom 14.09.09; www.wiwo.de; Verwendung bis 18. Nov 2011 legitimiert.
Im Gegensatz zu Pumpspeicherkraftwerken wird bei Druckluftspeichern, von denen nur eins in den USA und eins in Deutschland seit 1978 existieren, Gas in tiefe Höhlen / ehemalige Salzbergwerke gepresst. Durch die hohe Kompression der Luft (bis zu 70 bar) entsteht Wärme. Diese wird über einen Wärmespeicher aufgenommen.
Wird die Energie wieder freigesetzt, kühlt die nach oben durch einen Generator strömende Luft wieder ab. Damit der Generator bei den niedrigen Temperaturen nicht zerstört wird, benutzt man die gespeicherte Wärme um ihn auf Betriebstemperatur zu halten.
Nach der maximalen Benutztungsdauer von 3 Stunden wurden etwa 290 Megawatt Strom freigesetzt.
Diese Energiespeicherart hat einen Wirkungsgrad von η~55%.
In den USA wird das größte Druckspeicherkraftwerk geplant, welches in Norton (Ohio) in einer Kalkmine mit ca. 10Millionen m³ Volumen in 700 m Tiefe liegt. Würde man es mit 110 bar Druck füllen, ergäbe das eine Leistung von 2500 Megawatt, welches ausreichen würde, um 3700 Haushalte ein ganzes Jahr mit Strom zu versorgen.
3.1.5 Müllenergie
Der gebräuchliche Restmüll aus der Tonne und der Industriemüll werden ebenfalls als Energiespeicher benutzt. Bei der Verbrennung werden nahe zu 100% der frei werdenden Energie in Form von Strom / Wärme wiederverwendet. Somit dient auch Abfall als Energiespeicher.
Energiekonzept 2050 (1.2.3.1 Speichertechnologien)
Forschungsverbund Erneuerbare Energien
BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V.
Wasserkraft zur Ökostromerzeugung
AT-Fachverlag GmbH - Nanotechnik (Feb. 2007 No.1)