Was können Stromnetze, was können Energiespeicher in der Stromversorgung?
Stromnetze gleichen räumliche Unterschiede zwischen Erzeugung und Verbrauch aus
Energiespeicher gleichen zeitliche Unterschiede zwischen Erzeugung und Verbrauch aus
Nennen Sie Anwendungsbeispiele für Stromspeicher
Vielfältige Einsatzmöglichkeiten von Energiespeichern
• Zeitliche Entkoppelung von Erzeugung und Verbrauch
• Zwischenspeicherung von Stromüberschüssen
• Ausgleich von Erzeugungsschwankungen und Strommangel
• Kauf von Strom bei niedrigen Preisen und Verkauf bei höheren Preisen
• Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)
• Notstromversorgung, z.B. von Krankenhäusern, Beleuchtung, Rechenzentren
• Hilfsenergie bei Blackouts
• Alternative zu Dieselgeneratoren bei Inselsystemen
• Zwischenspeicherung von Sonnen- und Windenergie
• Kompakte „Energie to go“ für Handy, Tabletts, Notebooks
• Etwa 2,5 Mrd. Geräte werden pro Jahr produziert
• Elektromobilität: Antriebsenergie für Pedelecs, E-Fahrzeuge
• Wachsender Markt mit hohen technischen Ansprüchen
Welche Wirkungsgrade sind bei der Energiespeicherung zu berücksichtigen?
WSpeicher, out = WSpeicher, in * η1* η2(t)* η3
Wirkungsgrad der Einspeicherung η1
Laden
Wirkungsgradverluste z.B. durch Reibungsverluste (PHS, CAES), Wärmeverluste (CAES),
chemische Umwandlungsverluste (Batterien)
Speichern
Wirkungsgrad η2 (t) abhängig von der Speicherdauer t !
Zeitabhängige Wirkungsgradverluste z.B. durch Verdunstung (PHS), Leckage (CAES), Selbstentladung (Batterien, Kondensatoren), Wärmeleitung (Wärmespeicher)
Wirkungsgrad η3
Entladen
Wirkungsgradverluste z.B. durch Reibungsverluste (PHS, CAES), Umwandlungsverluste
(Batterien)
Beschreiben Sie Energie und Leistung von Energiespeichern
Energie: Speicherbare Energiemenge, die die Kapazität des Speichers beschreibt
→ Wieviel Energie kann gespeichert werden?
Leistung: Energiestrom in / aus dem Speicher, der die Nenn- oder maximale zu entnehmende Energiemenge pro Zeit beschreibt
→ Wie schnell kann der Speicher geladen / entladen werden?
Was beschreibt das Ragone-Diagramm?
Das Ragone-Diagramm ist die gebräuchlichste Darstellungsweise zum Vergleich von Energiespeichern und benutzt das kartesische Koordinatensystem mit logarithmischen Achsen für die spezifische Energie- und Leistungsdichte.
Welche zeitlichen Kriterien sind für Stromspeicher relevant?
Der Faktor Zeit spielt eine wichtige Rolle bei der Nutzung von Energiespeichern. Schnelles Laden spielt z.B. bei Elektromobilität eine große Rolle, während die lange Speicherdauer die Herausforderung bei der saisonalen Speicherung bildet.
Beschreiben Sie die wesentlichen Komponenten eines Pumpspeichers
Beschreiben Sie die unterschiedlichen Prozessschritte von Laden, Speichern und Entladen
Laden (Pumpbetrieb): Strom wird aus Stromnetz (niedrige Stromnachfrage) entnommen, um Pumpen anzutreiben, die das Wasser vom Unterbecken in das Oberbecken pumpen
Speichern: Wasser wird im Oberbecken gespeichert (potentielle Energie) (keine signifikanten Verdunstungsverluste oder Niederschlagszuwächse)
Entladen (Turbinenbetrieb): Wasser wird aus Oberbecken über Rohrleitung und Turbinen ins Unterbecken geleitet. Wasserturbinen erzeugen Strom (turbinieren), der ins Stromnetz bei höherer Stromnachfragen eingespeist wird
Was bestimmt die Energie eines Pumpspeichers?
Energie hängt im Wesentlichen von Volumen und Höhe (Fallhöhe) ab, da eine Erhöhung der Wasserdichte unrealistisch ist. So lässt sich beispielsweise der Beckenrand um einige Meter erhöhen, um sowohl ein größeres Volumen als auch eine größere Höhendifferenz zu schaffen.
Was beeinflusst den Wirkungsgrad eines Pumpspeichers? Wie lässt er sich erhöhen?
Ein Haldenpumpspeicher soll auf der Halde Scholven gebaut werden. Fallhöhe 137 Meter, Beckenfläche 60 ha, maximale Bodenlast 8.000 kg/m2.
1) Berechnen Sie die speicherbare Energie, die für die Füllung des Speichers erforderliche elektrische Energie und die daraus wieder erzeugbare elektrische Energie.
2) Wie viel elektrische Energie muss für die Ausspeicherung von 1 kWh eingespeichert werden?
3) Um wieviel ändern sich die Energiemengen bei Nutzung von Salzwasser statt Süßwasser?
Beschreiben Sie die wesentlichen Komponenten eines Schwungradspeichers für die unterschiedlichen Bauformen
Strom wird Stromnetz entnommen, um mit Motor das Schwungrad in Rotation zu versetzen bzw. seine Rotationsgeschwindigkeit zu erhöhen
Schwungrad rotiert, verliert dabei Energie durch Reibung
Verluste während der Speicherung dominieren und erlauben nur Anwendung im kurzzeitigen Zeitbereich Wirkungsgrad von 80% bis 95% nur bei kurzfristiger Speicherung
Motor dient als Generator, durch Stromerzeugung wird Schwungrad Energie (=Rotationsgeschwindigkeit) entnommen
Was bestimmt die Energie eines Schwungradspeichers?
Wie lässt sie sich erhöhen?
Frequenz und Radius gehen im Quadrat ein, Masse (Massenträgheitsmoment) nur einfach.
Entsprechend ist es sinnvoller, die Drehfrequenz und den Durchmesser des Schwungrads zu erhöhen, als die Masse.
→ Hochleistungsschwungräder verwenden GFK und Frequenzen von bis zu 100.000 U/min
Was bestimmt die Leistung eines Schwungradspeichers?
Maximale Leistung des Motors / Generators sowie des Wechselrichters
Was beeinflusst den Wirkungsgrad eines
Schwungradspeichers? Wie lässt er sich erhöhen?
Laden η1
Umwandlungsverluste in Leistungselektronik und Wechselrichter Motorwirkungsgrad
Speichern η2(t)
Reibungsverluste in Lagern und durch Luftreibung (bis zu 20%/h)
Energieverluste durch Eigenverbrauch (z.B. Ölkreislauf)
→ Optimierung: Vakuum, Magnetlager, supraleitende Lager
Entladen η3
Umwandlungsverluste in Leistungselektronik und Wechselrichter Generatorwirkungsgrad
Rabe - Fragenkatalog
Was versteht man unter den Begriffen Reduktion und Oxidation?
Reduktion: Aufnahme von Elektronen (Oxidationszahl nimmt ab)
Oxidation: Abgabe von Elektronen (Oxidationszahl nimmt zu)
Was versteht man unter einer Oxidationszahl? Wofür ist sie sinnvoll?
Oxidationszahl: Positive oder negative Ladung eines Atoms in einer Verbindung unter der fiktiven Annahme, dass alle an der Verbindung beteiligten Elemente in Form von Ionen vorliegen.
➔ Sie ist wichtig, für die Aufstellung von Redox-Reaktionsgleichungen
Benennen Sie die Oxidationszahlen für folgende Verbindungen: CH4, CO2, CH3OH, H2SO4, H3PO4, V2O5
Wasserstoff (H) immer +1
Sauerstoff (O) immer -2
Summe meist 0
Sonnenlicht wird in der Natur als chemische Energie gespeichert (Photosynthese). Dabei werden aus Wasser und Kohlendioxid Zuckermoleküle wie z.B. Glucose (C6H12O6) gebildet. Als weiteres Reaktionsprodukt entsteht Sauerstoff.
a) Stellen Sie die Reaktionsgleichung für die Reaktion zu Glucose auf.
b) Welche Substanz wird oxidiert, welche reduziert?
c) Wie viele Elektronen sind an der Reaktion beteiligt? (Nutzen Sie dabei die Oxidationszahlen)
a)
b)
c)
Z = 24 (Siehe 1b unterstrichen)
Was verstehen Sie unter einer Intercalationsverbindung? Nennen Sie ein Beispiel.
Eine Intercalationsverbindung ist eine Verbindung, bei der Atome, Ionen oder Moleküle in die Zwischenschichten eines Schichtmaterials eingelagert werden, ohne dessen Struktur wesentlich zu verändern. Bsp. (Graphit) C6 -> LiC6
(Verwendung bei Lithium-Ionen-Batterien)
Berechnen Sie die theoretische spezifische Kapazität eines LiC6 – Anodenmaterials (in Ah/g).
Berechnen Sie die theoretischen Energiedichten (Wh/kg) eines Bleiakkus und einer Lithium-Ionen-Sekundärbatterie. Vergleichen Sie die Werte mit den tatsächlichen Energiedichten und diskutieren Sie das Ergebnis.
ULithium = 3,6 V
Tatsächliche Energiedichte Lithium Sekundärbatterie: 0,65MJ/kg = 180 Wh/kg
➔ Grund für die Großen Abweichungen ist, dass nicht die Komplette Energie genutzt
wird um eine längere Lebensdauer der Akkus zu garantieren.
➔ Gewicht von Gehäuse und Elektrolyt
Diesel und Batterien sind chemische Energiespeicher. Warum ist die Energiedichte von Diesel so viel höher als bei Batteriesystemen?
Bei Batterien handelt es sich um ein geschlossenes System. Bei Diesel bzw. Benzin wird für die Reaktion zusätzlich Sauerstoff aus der Umgebung benötigt. Dadurch wird Energie in Form von O2 Atomen aus der Umgebung aufgenommen und umgewandelt.
Eine typische Lithium-Batterie in Elektrofahrrädern hat eine Spannung von 36 V. Die Batteriekapazität beträgt 8 Ah. Wie lange kann damit das Fahrrad unter voller Last betrieben werden, wenn die Leistung des Elektromotors 250 Watt beträgt? Wie viel Lithium enthält die Batterie?
Eine Wasserelektrolyse wird bei einem Strom von 10 A für 90 min betrieben. Welche Mengen an Wasserstoff bzw. Sauerstoff werden dabei gebildet? (der Wirkungsgrad des Elektrolyseurs liege bei traumhaften 100 %)
Stellen Sie anhand der Reaktionsgleichung einer Bleibatterie die daraus folgende Nernst-Gleichung auf. Wodurch wird die Spannung der Batterie wesentlich beeinflusst?
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