Energiespeicher: Technologien und Anwendungsgebiete

STROM-ZU-STROM

Strom-zu-Strom-Speicher werden in elektrische, elektro-chemische sowie mechanische Speicher unterteilt. Zu ersteren zählen die sogenannten SMES (Supraleitende Magnetische Energiespeicher) und Kondensatoren. Elektro-chemische Speicher sind z.B. Galvanische Zellen sowie Akkumulatoren und die Redox-Flow-Batterie. Kennzeichnend für letztere ist, dass die Aktivmaterialien in flüssiger Form vorliegen und durch eine Reaktionseinheit, den sogenannten Zellstack, gepumpt werden. Dabei lassen sich Energieinhalt (Tankgröße) und Leistung (Größe des Zellstacks) unabhängig voneinander dimensionieren. Die bekanntesten mechanischen Speicher sind die Schwungrad- und Pumpspeicher. Pumpspeicherkraftwerke nutzen die Höhendifferenz zwischen einem oberen und einem unteren Speicherbecken. Zur Speicherung wird das Wasser vom unteren in das obere Speicherbecken gepumpt und dort als Lageenergie gespeichert. Zur Stromerzeugung strömt das gespeicherte Wasser zurück in das untere Becken und treibt Generatoren an. Beim Schwungradspeicher wird ein Kohlefaser-Rotor stark beschleunigt, wobei elektrische Energie als kinetische Energie gespeichert wird. Zum Entladen arbeitet der Motor als Generator und bremst den Rotor, indem er elektrischen Strom erzeugt, ab.

STROM-ZU-GAS/FLÜSSIGKEIT

Für diese Speicher wird in einem Elektrolyseur Wasser mittels überschüssigen Stroms aus erneuerbaren Energien in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Bei den reinen Wasserstoff- Speichern wird der Wasserstoff nach diesem Prozess in Druckbehältern zwischengespeichert, von wo er ins Gasnetz eingespeist oder als chemischer Energieträger verwendet wird. Bei der Methan-Speicherung wird der Wasserstoff in einen Reaktor geleitet und zusammen mit Kohlendioxid zu Methan umgewandelt. Typischerweise wird das Methan direkt – ohne Zwischenspeicherung – in das vorhandene Erdgasnetz eingespeist, sodass eine zeit- und ortsungebundene Nutzung des Methans möglich ist.

 

STROM-ZU-WÄRME/KÄLTE

Es gibt drei Haupttypen von thermischen Speichern: Sensible Wärmespeicher verändern beim Lade- und Entladevorgang ihre fühlbare Temperatur. Beim Ladevorgang wird dem Speichermedium Wärme zugeführt, das daraufhin seine Temperatur erhöht. Beim Entladen verringert sich die Temperatur des Mediums wieder. Das Speichermedium ist in vielen Fällen Wasser, das je nach Einsatzzweck auch mit anderen Materialien kombiniert wird. Bei Latentwärmespeichern ändert sich nicht die gefühlte Temperatur sondern der Aggregatzustand des Speichermediums. Beim Phasenübergang von fest zu flüssig oder flüssig zu fest wird das Speichermedium mit Wärmeenergie aufgeladen und gibt beim Entladen diese Energie wieder ab. Thermochemische Wärmespeicher nutzen den Wärmeumsatz umkehrbarer chemischer Reaktionen: Durch Wärmezufuhr wechselt das verwendete Wärmeträgermedium seine chemische Zusammensetzung; bei der von außen angestoßenen Rückumwandlung wird der größte Teil der zugeführten Wärme wieder freigesetzt.

 

KURZZEIT-/SAISONSPEICHERUNG

Der grundsätzliche und wichtigste Anwendungsbereich für Energiespeicher ist die zeitliche und räumliche Entkopplung von Erzeugung und Verbrauch durch bedarfsgerechte Speicherung und Abgabe von Energie.

Auf Verteilnetzebene sind dies meist Heimspeicher, die den Eigenverbrauch einer privaten PV-Anlage erhöhen können, sowie netzdienliche Großspeicher. Auch in Inselnetzen kommen sie zum Einsatz. Die gebräuchlichsten Technologien sind zur Zeit Lithium-Ionen-Akkus. Bleisäure-Batterien werden hauptsächlich in Heimspeichern verbaut. Die Redox-Flow-Technologie erprobt man in mehreren Anwendungsbereichen.

GRADIENTENSTEUERUNG

Mit weiter zunehmendem Anteil dargebotsabhängiger erneuerbarer Energien im Stromversorgungssystem erhöhen sich die Gradienten der Residuallast. Energiespeicher können zukünftig dazu beitragen, allzu steile Residuallastgradienten in positiver wie in negativer Richtung auszuregeln. Diese Gradientensteuerung wird auch „ramping” genannt.

Für die Gradientensteuerung sind prinzipiell alle Energiespeichertechnologien mit Ausnahme der thermischen geeignet. Sie müssen allerdings über eine ausreichend hohe Kapazität verfügen und größere Energiemengen schnell aufnehmen und abgeben können.

KLASSISCHE AUKTIONIERTE SYSTEMDIENSTLEISTUNGEN

Schon heute werden größere Energiespeicher zur Lieferung von Primärregelleistung (PRL), Sekundärregelleistung (SRL) und Minutenreserven eingesetzt. Großspeicher können die PRL wesentlich schneller liefern, als konventionelle Kraftwerke.

Grundsätzlich können alle elektrochemischen Speicher sowie Schwungradspeicher für PRL, SRL und Minutenreserve eingesetzt werden. Auch Power2Gas und Pumpspeicherkraftwerke finden hier Anwendung. Aufgrund der hohen Investitionskosten gelten sie allerdings noch nicht als konkurrenzfähig zu Batteriespeichern.

WEITERE SYSTEMDIENLICHE LEISTUNGEN

Großspeicher finden etwa bei der Lieferung von Momentanreserve, der Spannungshaltung, sowie bei Blindleistung, Netzengpass- Management („Redispatch”), Kurzschlussleistung und dem Versorgungswiederaufbau („Schwarzstartfähigkeit“) Anwendung.

Für die genannten Systemleistungen eignen sich aus ökonomischer Sicht hauptsächlich die Strom-zu-Strom-Speicher.

PEAK SHAVING

Lastspitzenvermeidung oder „Peak- Shaving” bezeichnet das Glätten von Lastspitzen bei industriellen und gewerblichen Stromverbrauchern. Dies ist insbesondere für die Strombezugskosten relevant. Vor diesem Hintergrund setzen immer mehr produzierende Unternehmen große Speicher ein und auch einige Stromversorger bieten ihren Geschäftskunden entsprechende Produkte an.

Vorteilhafte beziehungsweise wirtschaftliche Technologien für diese Anwendung sind alle Strom-zu- Strom-Speicher mit Ausnahme der Kondensatoren.

SEKTORENKOPPLUNG

Eine Möglichkeit, erneuerbare Energie zu integrieren ohne das Stromnetz zu belasten und gleichzeitig den Schadstoffaustoß zu verringern, ist die Sektor(en)kopplung. Dabei werden üblicherweise die Sektoren Strom, Wärme und Mobilität miteinander verzahnt. Ein prominentes Beispiel für Sektorkopplung ist die Nutzung von Windenergie für Elektrolyse (Power2Gas). Der dabei erzeugte Wasserstoff kann z.B. als Treibstoff dienen oder in der Produktion genutzt werden.

Kraft-Wärme-Kopplung oder Wärme-Kraft-Kopplung ist ebenfalls eine Art Sektorkopplung (Power2Heat). KWK-Anlagen werden üblicherweise in Heizkraftwerken eingesetzt, die die erzeugte Wärme für öffentliche und private Gebäude bereitstellen. Für die Versorgung von Wohngebieten oder energieautarken Quartieren gibt es mittlerweile auch kleinere Anlagen wie die Blockheizkraftwerke (BKHW). Diese sind insbesondere für Mieterstrom-Modelle relevant.

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