Moderne Energiespeicher gelten als Schlüsseltechnologie für die erfolgreiche Energiewende – vor allem in der energieintensiven Industrie, die bislang zu einem großen Teil noch von fossilen Brennstoffen abhängig ist. Doch welche Arten von Energiespeichern gibt es? Für welche Einsatzgebiete sind sie geeignet? Und welche Vor- und Nachteile haben die verschiedenen Technologien?
Speichertechnologien der Zukunft: Warum Energiespeicherung wichtig ist
Die Notwendigkeit, CO2 einzusparen und die Dekarbonisierung voranzutreiben, ist unumstritten. Dafür müssen fossile Brennstoffe wie Gas, Kohle und Erdöl durch Energie aus erneuerbaren Quellen ersetzt werden. Angesichts der wetter-, tages- und jahreszeitlich bedingten Schwankungen regenerativer Energien sowie des steigenden Strombedarfs durch die voranschreitende Elektrifizierung muss das Stromsystem flexibler werden, um System- und Versorgungssicherheit auch in Zukunft gewährleisten zu können. Energiespeicher sind dabei unverzichtbar für eine moderne Energieversorgung, indem sie Stromerzeugung – und verbrauch zeitlich entkoppeln und so eine flexible Nutzung ermöglichen. Davon profitieren nicht nur Verbraucher – auch die Stabilität der Netze wird verbessert.
Welche Arten von Energiespeichern gibt es?
Zur Energiespeicherung gibt es dabei verschiedene Technologien, die sich sowohl im Wirkprinzip als auch in der Form der gespeicherten Energie unterscheiden. Während einige Energiespeicher bereits seit vielen Jahren erfolgreich eingesetzt werden, sind andere noch neu auf dem Markt.
1. Mechanische Energiespeicher
Mechanische Energiespeicher basieren auf der klassischen Newtonschen Mechanik. Die Energie wird dabei in kinetischer oder potenzieller Form sowie als Druckenergie gespeichert. Zu den bekanntesten mechanischen Energiespeichern zählen Pumpspeicherkraftwerke, Druckluftspeicher und Schwungräder.
1.1 Pumpspeicherkraftwerke: Die Kraft des Wassers
Pumpspeicherkraftwerke sind besonders geeignet dafür, elektrische Energie im großen Maßstab zu speichern. Dabei wird Wasser mithilfe überschüssiger Energie aus einem sogenannten Unterbecken in ein höher gelegenes Becken (Oberbecken) gepumpt. Die elektrische Energie wird bei diesem Prinzip in der potenziellen Energie (Lageenergie) des Wassers gespeichert. Wird diese benötigt, wird das Wasser über eine Turbine in das untere Becken abgelassen und mithilfe eines Generators wieder in elektrische Energie umgewandelt. Der Wirkungsgrad von Pumpspeicherkraftwerken liegt bei ungefähr 75 bis 80 Prozent. In Deutschland ist diese Form der Energiespeicherung aufgrund geografischer Voraussetzungen allerdings nur bedingt für den Einsatz im großen Maßstab geeignet.
1.2 Energiespeicher durch Luftkomprimierung in Druckluftspeichern
Bei Druckluftspeichern wird Energie mittels der Komprimierung von Luft gespeichert. Diese wird unter hohem Druck in dafür geeigneten Behältern oder unterirdischen Holräumen eingeschlossen. Die gespeicherte mechanische Energie kann bei Bedarf abgerufen werden, indem die Druckluft über Turbinen abgeleitet wird, womit Generatoren angetrieben werden. Druckluftspeicher eignen sich beispielsweise, um regenerativ erzeugten Strom aus etwa Windkraft zu speichern, allerdings ist ihr Wirkungsgrad vergleichsweise gering.
1.3 Schwungräder als Energiespeicher
Im Rahmen des Einsatzes von Schwungrad- oder auch Schwungmassespeichern wird überschüssige elektrische Energie in Form von kinetischer Energie gespeichert. Dazu wird ein Schwungrad mithilfe eines elektrisch betriebenen Motors in Bewegung gesetzt. Wenn die gespeicherte Energie entnommen werden soll, wird die rotierende Masse gebremst und die Rotationsenergie durch einen Generator zurückgewonnen. Diese Art Speicher wird aufgrund des hohen Reibungsverlustes in der Regel als Kurzzeitspeicher eingesetzt, etwa zum Abfedern von Lastspitzen.
2. Elektrochemische Energiespeicher
Elektrochemische Energiespeicher speichern die Energie in Form von chemischer Energie. Während des Entladens wird diese wieder in elektrische Energie umgewandelt. Zu den elektrochemischen Energiespeichern gehören sowohl Batterien als auch Akkumulatoren. Insbesondere im Bereich kleiner Speicherkapazitäten – etwa in Autobatterien – ist die elektrochemische Speicherung seit langem verbreitet.
2.1 Batterien
Batterien sind aus Industrie und Privathaushalten nicht wegzudenken. Je nach Einsatzzweck kommen bei ihrer Konstruktion verschiedene Materialien zum Einsatz. Einwegbatterien etwa sind in der Regel kompakter und verfügen über eine höhere Energiedichte als zum Beispiel Akkumulatoren – wiederaufladbare Batterien. Erstere kommen dementsprechend zum Beispiel in medizinischen Implantaten oder Armbanduhren zum Einsatz. Im industriellen Bereich werden Akkumulatoren eingesetzt.
2.2 Akkumulatoren
Akkumulatoren sind eine weit verbreitete Form elektrochemischer Energiespeicher und in diversen Größenordnungen verfügbar. Der Vorteil: Die beim Aufladen der Batterie stattfindenden Prozesse sind größtenteils umkehrbar. So ist der auftretende Energieverlust sehr gering und beträgt in der Regel nur wenige Prozent. Je nach Batterietyp variiert die Stärke der Selbstentladung. Sie gilt aber grundsätzlich als vergleichsweise moderat. Die Energiedichte einer Batterie ist deutlich höher als bei anderen Kondensatoren. Im Vergleich zur Energiedichte von Brennstoffen ist sie jedoch sehr gering – das macht es zum Beispiel vergleichsweise schwierig, Elektroautos mit großer Reichweite zu konstruieren.
3. Thermische Energiespeicher
Gerade mit Blick auf die notwendige Wärmewende sind sogenannte thermische Energiespeicherlösungen verstärkt in der öffentlichen Diskussion vertreten. Auf ihnen ruht viel Hoffnung – und insbesondere im industriellen Bereich großes Potenzial. Zu den am weitesten verbreiteten thermischen Wärmespeichersystemen gehören sensible Wärmespeicher, Latentwärmespeicher und thermochemische Wärmespeicher. Die unterschiedlichen Wirkprinzipien unterscheiden sich nach je Speicherdauer, Temperatur und dem Prinzip der Speicherung.
3.1 Sensible Wärmespeicher
In sensiblen Energiespeichern wird thermische Energie gespeichert, in dem die Temperatur eines Materials erhöht wird. Zu den genutzten Speichermaterialien zählen etwa Wasser, Thermalöl, Beton, Sandstein, Ziegel oder geschmolzene Salze. Je nachdem, welches Material zur Speicherung genutzt wird, verändert sich die Speicherdauer. Die sensible Wärmespeicherung, wie sie zum Beispiel auch in der ThermalBattery™ von ENERGYNEST zum Einsatz kommt, gilt als etablierteste und kostengünstigste Methode zur thermischen Energiespeicherung.
3.2 Latentwärmespeicher
Bei Latentwärmespeichern, die im industriellen Kontext noch eher selten eingesetzt werden, wird thermische Energie mithilfe eines Phasenwechselmaterials – darunter Salz oder Paraffin – gespeichert. Während des Wechsels der Phasen, etwa von fest nach flüssig, nimmt das Material Energie auf, die dann als sogenannte latente Energie im Stoff gebunden bleibt. Latentwärmespeicher können Energie ohne größere Verluste über einen längeren Zeitraum hinweg speichern.
3.3 Thermochemische Speicher
Auch bei thermochemischen Wärmespeichern werden umkehrbare Gas-Feststoff-Reaktionen genutzt. Hierbei wird die Energie im Rahmen einer endothermen Reaktion anstelle eines Temperaturanstiegs gespeichert. Der Vorteil: So entsteht ein relativ geringer Speicherverlust.
4. Elektrische Energiespeicher
Elektrischer Energie aus erneuerbaren Energiequellen kommt im Rahmen der Energie- und Wärmewende eine fundamentale Bedeutung zu. Durch verschiedene Technologien ist es möglich – allerdings in der Praxis nicht immer wirtschaftlich sinnvoll – diese auch direkt und damit ohne Umwandlung, in elektrischen Energiespeichern zu speichern. Im Kontext von elektrischen Energiespeichern wird insbesondere zwischen Kondensatoren und supraleitenden elektrischen Energiespeichern unterschieden.
4.1 Kondensatoren: Energiespeicherung in einem elektrischen Feld
Kondensatoren machen sich in der Regel elektrostatische Kräfte zunutze. Die Energiespeicherung in einem Kondensator beruht auf der Aufrechterhaltung eines elektrischen Feldes, in dem die Energie gespeichert ist. „Dem Vorteil, dass bei diesen Speicherarten, elektrische Energie nicht in andere Energieformen gewandelt werden muss und auf diesem Wege hohe Wandlungsverluste vermieden werden können, steht der Nachteil extrem geringer Energiedichten – sowohl auf das Volumen als auch auf das Gewicht bezogen – und hoher Kosten gegenüber. Aus diesem Grund findet sich ihre Anwendung derzeit eher in Nischenbereichen wieder”, schreibt die Forschungsstelle für Energienetze und Energiespeicher (FENES).
4.2 Supraleitende magnetische Energiespeicher
Bei einer anderen Art der elektrischen Energiespeicherung, den supraleitenden magnetischen Energiespeichern, durchfließt ein Gleichstrom aus einem Gleichrichter eine Spule, die aus supraleitendem Material wie zum Beispiel Verbindungen aus Eisen, Phosphor, Lanthan oder Sauerstoff besteht. Dadurch wird ein Magnetfeld erzeugt, in dem die Energie gespeichert wird.
Nachdem der Speicher beladen ist, wird die Stromzufuhr unterbrochen und ein Schalter aus ebenfalls supraleitendem Material betätigt. Dieser Schalter ist dafür zuständig, die Spule vom Wechselrichter trennt. Um die gespeicherte Energie zu entladen, wird der Stromkreis anschließend erneut an den Wechselrichter gekoppelt. So wird aus dem Gleichstrom Wechselstrom erzeugt.
Der Wirkungsgrad dieser Art von Energiespeichern liegt für das Erzeugen von Gleichstrom bei etwa 97 Prozent. Dabei ist jedoch ein erheblicher Kühlungsaufwand zu bedenken, was seinem wirtschaftlichen industriellen Einsatz häufig entgegentritt.
An ENERGYNEST interessiert oder Fragen zu unseren thermischen Energiespeicherlösungen oder zu unseren Anwendungen für Ihre Branche?
Wir freuen uns über jede Nachricht!
