Speichertechnologien

• EE stellen nicht uneingeschränkt Energie zur Verfügung

• Kurzfristige und langfristige Schwankungen

  • Planbar: Tag/ Nacht, Sommer/ Winter, Klima

  • nicht/ nur bedingt planbar: Wolken, Wetter

-> Bisher ausgleich durch bereithalten konventioneller Kraftwerke

-> Speicher müssen diese Schwankungen für zuverlässige Energieversorgung in Zukunft ausgleichen (Lastausgleich)

• Lastausgleich:

  • in Zeiten von Energieüberschuss: speichern

  • in Zeiten von Energienachfrage: einspeisen

  • Aktuell: Erhaltung des Grundlastbetriebs in Kraftwerken (Pumpspeicher)

  • in Zukunft: Ausgleich Dunkelflaute

Speicher müssen Systemdienstleistungen übernehmen die bisher durch schnell verfügbare fossile Energie übernommen wurde

• Frequenzregelung (Netzfrequenz von 50 Hz in engen Grenzen aufrecht erhalten)

• Spannungsregelung

• Reserve

  • rotierende Reserve (am Netz, keine Leistung)

  • stehende Reserve (muss kurzstartfähig sein)

  • Schwarzstartfähigkeit (Start nach Black-out -> stellt Energie zur Verfügung um Kraftwerke kaltzustarten)

• Länger-oder langfristige Energiespeicherung, d.h. über Wochen oder sogar Monate

• Beispielsweise zum Ausgleich stabiler Wetterperioden mit reduzierter Windenergie, im Winter evtl. mit Nebel oder Schneebedeckung

  • Dunkelflaute (Zeitraum bis zu 3-4 Woche)

• Langzeitspeicher mit größerer Kapazität

  • Saisonalspeicher

  • Möglichkeit EE zu importieren (Bedarf und Erzeugung entkoppelt)

Speicherkapazität C:

• Menge an Energie, die gespeichert werden kann, in kWh

Energie-zu-Leistungs-Verhältnis (E2P):

• Verhältnis der installierten Speicherkapazität zur installierten Leistung -> hoher Wert bedeutet längerer Zeit in der Energie geliefert werden kann

Energiedichte e bzw. spez. Energiedichte:

• Verhältnis von verfügbarer Energie und Speichervolumen / -masse

Leistungsdichte p bzw. spez. Leistung:

• Verhältnis von verfügbarer Leistung und Speichervolumen / -masse

Entladetiefe (DOD für depth of discharge):

• Menge an entladener Energie im Vergleich zur gesamten Speicherkapazität

Anlaufzeit (start-up time):

• Zeit von der Anforderung bis zur Lieferung des ersten Stroms

Anstiegszeit (ramp-up time):

• Zeit, die ein System benötigt, um von null auf volle Leistung hochzufahren

Einsatz- oder Reaktionszeit:

• Zeit von der Anforderung bis zum Erreichen der vollen Leistung benötigt

  • Summe aus Anlauf- und Anstiegszeit

  • Bei Batterien im Bereich von ms, bei Gasturbinen ~10 min

Klassifizierung nach Aufgabe (Aufnahme/ Einspeisung):

• Strom zu Strom: positive und negative Regelenergie

  • Bereitstellen von Regelenergie durch Ladung und Entladung des Systems

• Irgendwas zu Strom: positive Regelenergie

  • Einspeisen von Strom aus anderen Energieformen

• Strom zu irgendwas: negative Regelenergie:

  • Aufnahme von überschüssiger elektrischer Energie aus dem Netz und Wandlung in andere Energieform

Klassifizierung nach Technologie: (E2P nach unten aufsteigend)

• elektrisch

• mechanisch

• thermisch

• chemisch

Pumpspeicherkraftwerke:

• Weltweit bedeutendste Speichertechnologie (127 GW installierte Leistung)

• Potential für höhere Kapazitäten in mitteleuropa begrenzt

• hohes Potential in Skandinavien

• hohe Wirkungsgrade (75-82%)

• E2P bei typischerweise 2-8h + geringe Reaktionszeit (~3 min)

• Selbstentladung durch Verdunstung 0,02%/ Tag

• Entladetiefe 80-100% !!

• Funktion: (siehe Wasserkraft, müsstest du mitlerweile wissen…)

Druckluftenergie-Speichersysteme (CAES)

• Speichervorgang: Verdichtung von Luft, Speicherung der Druckluft in Kavernen nach Wärmeabfuhr (Erhöht Dichte -> speicherbare Luftmenge)

• Entladevorgang: Einspeisen durch expansion der verdichteten Luft in einer Turbine, zuvor Wärmezufuhr mittels Brennkammer

  • Variation: Wärme nicht abführen sondern ebenfalls Speichern -> nicht realisiert

• alternative zu Pumpspeicherkraftwerken

• nicht sehr populär -> Zwei Kraftwerke in DEU und USA

• Lohnen sich nur dort wo große Kavernen bereits verfügbar sind

• Wirkungsgrade ~55%

• kurze Reaktionszeit (~3 min)

• Selbstentladung ~1%/Tag

• Entladetiefe 35-50% -> darunter ist der Druckabfall zu groß

• thermo-elektrisches Speichersystem mit internem Speicher

• Ladevorgang: elektrische Heizung erwärmt Gestein oder flüssiges Salz auf Temperaturen bis 500°C

• Entladevorgang: Wärme wird zur Erzeugung von Dampf genutzt

• Im Einsatz bei Solarthermischen Kraftwerken zur Verlängerung der Betriebszeit (siehe Solarenergie)

• Wasserstoff-Speichersysteme (Elektrolyse)

• Batterien

• Wasserstoff ist ein sehr flüchtiges Element/ diffundiert durch sehr viele Materialien

  • sehr geringe Dichte (0,09 kg/m^3)

• Gefahr der Wasserstoffversprödung von metallischen Werkstoffen (Tanks)

• Volumenspezifischer Brennwert aufgrund der Dichte sehr gering, aber enormer Massenspezifischer Brennwert (H_u=120 MJ/kg)

Ladevorgang:

• Erzeugung von Wasserstoff (und Sauerstoff) durch Elektrolyse bei Energieüberschuss (Wirkungsgrad Elektrolyse ~70%)

Entladevorgang:

• Rückverstromung durch Verbrennung in Turbinen oder Nutzung in Brennstoffzellen (eta ~35-40%)

Speichermethoden:

• Druckspeicher: bis zu 700bar, Materialbeanspruchung, Energieaufwand für Verdichtung (12% des Energiegehalts)

• Flüssigwasserstoffspeicher: bei ca. -240°C, hoher Energieaufwand (30% des Energiegehalts), Transportverluste

• Kombination aus Druck und Temp.

• Metallhydridspeicher: Einlagerung in Metallgitter, abgabe bei erhöhter Temp.

• Adsorptive Speicherung: benötigt ebenfalls niedrige Temp. (ca. -200 °C)

• chemische Bindung: Syn Fuels, LOHC, komplexe Lade-/ Entadevorgänge,

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• Weiterverabeitung des Wasserstoff zu Methan unter Verbrauch von CO2 (CO2 als Rohstoff, kann aus CCS von konventionellen Kraftwerken verwendet werden)

• Bessere Speicherbarkeit + verfügbare Infrastruktur -> Erdgasnetz

• Zusätzlicher Energieaufwand für Methanisierung erfoderlich

• Zirkulation von zwei Elektrolyten in getrennten Kreisläufen

• Berührung entlang einer Membran: Ionentausch findet statt

  • Ladung und Entladung

• Elektrolytmaterialien: Titan, Chrom, Vanadium

• Energiekapazität wird durch Tankgröße bestimmt

• Hohen Wirkungsgrad, kaum Selbstentladung, lange Lebensdauer und hohe Entladetiefe

• Nachteile: Hoher Platzbedarf, verhältnismäßig geringe Energiedichte, hohe Kosten, umweltschädlich und unter Umständen giftig für Mensch

• Derzeit bedeutendste Speichertechnologie für elektrischen Strom

• Hohe Energiedichte

• Teilweise Probleme mit Betriebssicherheit, da Erhitzung und Entzündung

• Relativ teure Technologie

• Aufwendiges Recycling

• Beschränkte Lebensdauer und Zyklenzahl im Vergleich zu Redox-flow