Energiespeicherung

Da bei vielen Kraftwerken mit erneuerbaren Primärenergiequellen die Produktion Schwankungen unterliegt, wird mit der zunehmenden Verbreitung dieser Kraftwerke das Thema Energiespeicherung immer wichtiger.

Man stelle sich vor, dass eine Woche lang der Himmel mit Wolken bedeckt ist, dass es an der Nord- und Ostsee nur schwach windet und dass, zum Beispiel durch einen Wintereibruch, zusätzlich ein grosser Heizenergiebedarf besteht. Entweder bezieht man jetzt die benötigte Energie, aus den durch die widrigen Umständen begrenzten Kraftwerkskapazitäten und aus den vorhandenen Speichern, oder man baut so grosse Überkapazitäten an Kraftwerken auf, dass man sogar in einem solch aussergewöhnlichen Fall noch genügend Energie „produzieren“ könnte. Die meiste Zeit aber müsste bei der zweiten Variante eine grosse Anzahl an Kraftwerken abgeschaltet werden.

 

Es gibt grundsätzlich zwei Arten, wie Energie gespeichert sein kann:

1. In technischen Systemen, den Energiespeichern

2. In Materie, den Energieträgern

 

Abgrenzung zwischen E-Speicher und E-Träger:

Zuerst kläre ich die Begriffe „Energieträger“ und „Energiespeicher“, grenze sie verständlich voneinander ab und liefere jeweils eine Definition dazu.

Energieträger sind Stoffe, die Energie enthalten. z.B. Gas, Öl, Kohle. Die Umwandlung von Energieträgern in Energie ist meistens nicht umkehrbar (irreversibel). So kann man zum Beispiel aus Kohle Wärme erzeugen, aber aus Wärme alleine in einfacher Umkehrung des Prozesses keine Kohle. Energieträger werden beim Prozess der Energiefreisetzung „verbraucht“! (Für weitere Informationen siehe Anmerkungen)

Im Gegensatz dazu sind bei technischen Energiespeichern die Vorgänge umkehrbar (reversibel), aber je nach Wirkungsgrad mit mehr oder weniger „Verlust“ behaftet. Energiespeicher werden beim Prozess der Energiefreisetzung nicht „verbraucht“!

Technische Energiespeicher sind somit Anlagen, die dazu dienen, Energie für eine spätere Nutzung zwischenzuspeichern. Es wird oft eine schwer speicherbare Energie in eine andere umgewandelt, um sie dann am Ende des Prozesses wieder zurück zu verwandlen. z.B. Bei einem Pumpspeicherkraftwerk wird elektrische Energie in Lageenergie (Potentielle Energie) umgewandelt, um sie später wieder zurück in elektrische Energie zu verwandeln.

Leider ist die deutsche Sprache in diesem Bereich sehr unpräzise. So werden auch Behälter zum Lagern von Energieträgern als Speicher bezeichnet. Ich verwende an dieser Stelle deshalb der Verständlichkeit halber das Kunstwort „Energieträgerbehälter“ für diese Art von Energie-Zwischenspeicherung.

Energiespeicher speichern im Gegensatz zu „Energieträgerbehältern“ Energie und keine Stoffe! (In den Energieträgern, die in den „Energieträgerbehältern“ gelagert sind ist aber natürlich auch Energie enthalten.) Bei einem Energiespeicher ist es unerheblich, in welcher Form die Energie zwischengespeichert wird. Bei einem Energieträgerbehälter geht es darum, einen bestimmten Energieträger zwischenzulagern! Die Unterschiede sind in der folgenden Grafik übersichtlich dargestellt:

Abgrenzung der Energiespeicherung durch Energiespeicher und Energieträger

Abgrenzung der Energiespeicherung durch Energiespeicher und Energieträger
(Lizenz: CC-BY-SA 3.0)

 

Technische Energiespeicher:

Es gibt verschiedene Arten von Energiespeichern, die sich alle nach sechs Hauptenergieformen gliedern lassen. Als Übersicht dient die folgende Tabelle:

Einteilung der Energiespeicher nach den Hauptenergieformen

Einteilung der Energiespeicher nach den Hauptenergieformen

Es ist wichtig zu erwähnen, dass es nicht „den Energiespeicher“ gibt, so wie es auch nicht „das erneuerbare Kraftwerk“ gibt! Für gewisse Anwendungen braucht man zum Beispiel Energiespeicher die sehr viel Energie aufnehmen können, in anderen Fällen wiederum ist es wichtig, die Energie möglichst schnell abzugeben und/ oder aufnehmen zu können.

 

Grundsätzlich gibt es neben dem Preis-Leistungs-Verhältnis (Wirtschaftlichkeit) und der Sicherheit und Umweltverträglichkeit vier Parameter, die bei stationären Energiespeichern von besonderer Bedeutung sind:

1. Die Speicherkapazität (Wie viel Energie kann aufgenommen werden?)

2. Die Speicherzeit (Wie lange kann ich Energie speichern?)

3. Der Wirkungsgrad (Wie viel Energie geht beim Zwischenspeichern „verloren“?)

4. Die Reaktionszeit (Wie lange dauert es, um den Speicher zu füllen oder die Energie abzugeben?)

 

In der folgenden Tabelle sind einige Energiespeicher nach diesen Kriterien eingeteilt.

Einteilung der Energiespeicher nach Kapazität, Speicherzeit und Wirkungsgrad

Einteilung der Energiespeicher nach Kapazität, Speicherzeit und Wirkungsgrad

Bei mobilen Energiespeichern, zum Beispiel für Autos, sind ausserdem die Masse und das Volumen der Energiespeicher sehr wichtig.

Es gibt ein grossartiges Diagramm zum Verhältnis zwischen Speicherzeit und Speicherapazität von der TH Regensburg, auf das ich hier gerne verweise: http://www.energieallianz-bayern.de/cms/Energiespeicher/Energiespeicher1/Speichertechnologien-in-D.JPG

 

Energieträger:

Folgend eine nicht abschliessende Auflistung von Energieträgern: Kohle, Öl, Gas, Kernbrennstoffe (für Atomkraftwerke), Abfälle, Druckluft, Treibstoffe, Säure, usw.

Der grösste Teil der heute verbrauchten Energieträger ist fossiler Herkunft und nicht erneuerbar. Gewisse Energieträger wie z.B. Holz werden aber von der Natur ständig erzeugt. Andere Energieträger wiederum lassen sich auch durch Energie aus erneuerbaren Energiequellen erzeugen.

So kann z.B. Erdgas (Methan) durch Wasser, CO2 und Strom im sogenannten Power-To-Gas-Verfahren erzeugt werden. Power-To-Gas heisst auf Deutsch „Gas aus Energie“. Das dadurch erzeugte Erdgas lässt sich in weiteren Schritten auch zu flüssigem Treibstoff weiterverarbeiten. Weil sich gewisse Energieträger auch durch Energie erzeugen lassen und die Vorgänge somit umkehrbar (reversibel) sind, können sie auch Bestandteil von technischen Energiespeichern sein. (Chemische Speicherung von Energie)

 

Zukunft – Weiteres Vorgehen:

Ich glaube, dass wir in Zukunft eine Mischung aus:
1. Erneuerbaren Energieträgern, wie Holz, Biomasse und Biotreibstoffe
2. Durch Energie „erzeugbare“ Energieträgern, wie Wasserstoff, Methan und Synthesetreibstoffe
3.Technische Energiespeichern, wie Pumpspeicherkraftwerke, Schwungräder und Batterien
für das Speichern und Transportieren unserer Energie verwenden werden.

Wie bereits erwähnt, gibt es nicht „den Energiespeicher“ oder „den Energieträger“. Es kommt immer auf das Aufgabengebiet und die Anwendung an. Wir werden in den nächsten Jahren mitverfolgen können, welche Energiespeicher und Energieträger sich für welche Anwendungen durchsetzen können.

So macht es zum Beispiel selten Sinn grosse Akkus zum stationären Speichern von grossen Mengen an Energie zu verwenden. Wenn man aber für diesen Zweck gebrauchte Akkus von Elektrofahrzeugen verwenden kann, die inzwischen ein schlechteres Gewichts-Leistungs-Verhältnis haben, ist das sehr sinnvoll. Denn für die stationäre Speicherung von Energie ist das Gewicht und das Volumen der Speicher viel weniger wichtig, als dies zum Beispiel im Auto der Fall ist.

Das weiterverwenden von Komponenten und Systemen, die für ihren ursprünglichen Zweck nicht mehr geeignet sind, ist häufig eine sehr gute Vorgehensweise um die Umwelt zu schonen.

 

Weiterführende Infos zum Thema „Energiespeicherung“ unter:

http://www.bine.info/themen/publikation/was-ist-energie/energie-speichern-und-transportieren/

http://www.srf.ch/wissen/technik/sonnenenergie-als-gas-speichern

http://www.srf.ch/wissen/technik/kerosin-aus-sonnenlicht

http://de.wikipedia.org/wiki/Power-to-Gas

http://de.wikipedia.org/wiki/XtL-Kraftstoff

-> Weitere Links folgen.

 

Anmerkung für Speziell interessierte:

Wenn Energieträger „verbraucht“/ entwertet werden, heisst das, dass sie chemisch und/ oder physikalisch so gewandelt werden, dass sich aus Gründen der Entropie (Ordnung/ Unordung der Atome und Moleküle) die vorherige Ordnung nicht wieder spontan einstellen kann.

 

– Letzte Änderung 26.02.2015 –

 

Schlagwörter: Energiespeicherung, Energiespeicher, Energieträger, technische Systeme, Stoffe die Energie enthalten, Speicherkapazität, Speicherzeit, Wirkungsgrad, Reaktionszeit, Akku, Erdgasspeicher, Batterie, Pumpspeicherkraftwerk, Druckluftspeicher, Tank, Wärmespeicher, Schwungrad, Power-to-Gas, Energieträgerbehälter, Hydraulikspeicher, Speicheranlagen mit Wasserstoff, Spulen, Kondensatoren, Latentwärmespeicher, Kältespeicher

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