VDI-Statusreport 04.05.2018, 12:30 Uhr

Technologien des Energiespeicherns– ein Überblick

Energiespeicher dürften über den Erfolg und Misserfolg der Energiewende entscheiden. Doch welche Technologien kommen wofür infrage und welche Vor- und Nachteile bieten die einzelnen Entwicklungen?

Solarpaneele, Windräder und Container mit der Aufschrift Energy Storage

Energiequellen wie Wind und Sonne verlangen nach einer konsequenten Speichertechnologie.

Foto: panthermedia,net/malpetr

Energiespeicher werden als Schlüsseltechnologie für die Umsetzung des Pariser Klimaschutzabkommens angesehen. Verschiedene Speichertechnologien wie Pumpspeicherwerke oder Blei-Säure-Batterien haben sich seit Jahrzehnten bewährt. Die Entwicklung, der Bau und die Integration neuer Energiespeichersysteme in die Energieversorgung gelten jedoch als anspruchsvolle Ingenieurleistung und sind in den Augen des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI) eine große Chance für den Industriestandort Deutschland.

1. Energiespeicher – physikalische und technische Definition

Physikalisch gesehen ist ein Energiespeicher eine Anlage, die der Speicherung von Energie in Form von kinetischer, potenzieller und innerer Energie dient. Technisch ist ein Energiespeicher ein Behälter, in dem der jeweilige Energieträger gespeichert wird. Bei jedem Energiespeicher besteht ein Speicherzyklus aus drei Teilprozessen, die jeweils einmal durchlaufen werden:

  • Einspeichern der Energie durch Laden oder Wandlung
  • Speichern oder Halten der eingespeicherten Energie
  • Ausspeichern durch Entladen oder Wandlung

Je nach Art und Ausführung eines Energiespeichers können für den Prozess der Ein- und Ausspeicherung Hilfssysteme erforderlich sein. Zusammen mit dem Energiespeicher bilden sie ein Energiespeichersystem.

2. Physikalische Klassifizierung von Energiespeichern

Die physikalische und energetische Klassifizierung von Energiespeichern erfolgt anhand einer Unterscheidung der Art der Energiespeicherung. Unterschieden werden: mechanische und thermomechanische Energiespeicher, elektrische Energiespeicher, elektrochemische Energiespeicher, chemische Energiespeicher sowie thermische Energiespeicher. Zusätzlich erfolgt noch eine Differenzierung in Kurzzeitspeicher mit einer Ausspeicherdauer von weniger als 24 Stunden und Langzeitspeichern mit einer Ausspeicherdauer von mehr als 24 Stunden.

2.1. Mechanische und thermomechanische Energiespeicher

Mechanische und thermomechanische Energiespeicher werden für die Langzeitspeicherung von elektrischer Energie durch die Umwandlung in eine andere Energieform genutzt. Zu dieser Form der Energiespeicher zählen etwa Pumpspeicherkraftwerke, Schwungradmassenspeicher, Druckluftspeicher, Flüssigluft-Energiespeicher sowie Thermopotenzialspeicher.

2.1.1. Pumpspeicherkraftwerke

Bei Pumpspeicherkraftwerken wird für die Energiespeicherung die Differenz der potenziellen Energie des Wassers zwischen einem tief gelegenen und einem höher gelegenen Reservoir genutzt. Zum Speichern der Energie wird das Wasser aus dem tiefer gelegenen Becken über Druckleitungen in das höher gelegene Becken gepumpt. Der Wirkungsgrad großer Pumpspeicherkraftwerke beträgt rund 80 Prozent. In Deutschland sind aktuell 31 Pumpspeicherkraftwerke in Betrieb.

2.1.2. Schwungradspeicher

Ein Schwungradspeicher, abgekürzt SRS, speichert elektrische Energie in Form von kinetischer Energie. Um die Energie zu speichern, wird das Schwungrad des SRS von einer elektrischen Maschine in Drehung versetzt. Bei der Ausspeicherung wird die elektrische Maschine als Generator genutzt. Die in der Rotationsbewegung des Schwungrades gespeicherte Energie ist proportional zu dessen Masse. Schwungradmassenspeicher eignen sich für Anwendungen mit hohen Leistungsanforderungen und Ladungszyklen. Die energiespezifischen Kosten sind jedoch vergleichsweise hoch. Ein Beispiel für diese Technologie liefert das Start-up Stornetic aus Jülich, das mit einem Schwungrad Windenergie speichert.

2.1.3. Druckluftspeicher

Bei Druckluftspeichern, abgekürzt CAES für Compressed Air Energy Storage, wird elektrische Energie gespeichert, indem Umgebungsluft komprimiert und beispielsweise in Salzkavernen gelagert wird. Die für die Kompression erforderliche Energie kann bei der Ausspeicherung durch Expansion der gelagerten Luft zum Teil zurückgewonnen werden. In Deutschland ist seit 1978 ein großes Druckluftspeicherkraftwerk mit 321 Megawatt Leistung in Betrieb. Es liegt in Norddeutschland, wo Forscher weiter nach unteridischen Plätzen für Salzkavernen suchen. Auch die Schweiz hatte zu Testzwecken einen Druckluftspeicher im Gotthardbasistunnel angelegt.

2.1.4. Flüssigluft-Energiespeicher

Bei Flüssigluft-Energiespeichern – Liquid Air Energy Storage, abgekürzt LAES – wird die komprimierte Luft durch Wärmeabgabe an ein Speichermedium auf niedrige Temperaturen abgekühlt und verflüssigt. Die verflüssigte Luft kann anschließend bei geringem Druck gespeichertwerden. Mit Flüssigluft-Energiespeichern ist eine hohe Speicherleistung und -kapazität erreichbar. Der Wirkungsgrad ist jedoch geringer als bei Druckluftspeichern und die Investitionskosten sind vergleichsweise hoch.

2.1.5. Thermopotenzialspeicher

In Thermopotenzialspeichern erfolgt die Energiespeicherung bei Temperaturen von ca.
500°C bis 800°C in Form von innerer thermischer Energie. Die hohen Temperaturen sind erforderlich, um die Energieverluste gering zu halten. Thermopotenzialspeicher eignen sich für den Einsatz als mittelfristige Energiespeichersysteme und sind bei der Energiespeicherkapazität mit Druckluft- und Pumpspeicherkraftwerken vergleichbar.

2.2. Elektrische Energiespeicher

Elektrische Energiespeicher speichern elektrische Energie ohne vorherige Umwandlung. Zu den elektrischen Energiespeichern zählen Doppelschichtkondensatoren und supraleitende magnetische Energiespeicher (SMES). Bei einem Doppelschichtkondensator wird die elektrische Energie in einem statischen elektrischen Feld zwischen den Elektroden des Kondensators im Elektrolyt gespeichert. Da die Energiedichte bei Doppelschichtkondensatoren gering und die Leistungsdichte im Vergleich zu Batterien sehr hoch ist, werden die Kondensatoren vorwiegend in Hochleistungs- und Kurzzeit-Speichersystemen eingesetzt.Supraleitende magnetische Energiespeicher, abgekürzt SMES, speichern Energie in den magnetischen Feldern von Spulen. Die erreichbare Energiedichte ist jedoch auch bei sehr hohen Magnetfeldern relativ gering. Hinzu kommen sogenannte Stand-by-Verluste durch die zur Kühlung der Spulen erforderliche Kälteanlage. SMES eignen sich daher nicht für die Speicherung von Energie über einen längeren Zeitraum.

2.3. Elektrochemische Energiespeicher

Elektrochemische Speichersysteme sind wiederaufladbare elektrochemische Zellen, in denen mit einer Redoxreaktion elektrische Energie gespeichert wird. Die Speicherung erfolgt durch eine Änderung des Ladungszustandes des Speichermediums. Durch eine Reihenschaltung der Zellen kann die elektrische Spannung gesteigert und durch eine Parallelschaltung die Stromstärke erhöht werden. Elektrochemische Energiespeicher liefern grundsätzlich Gleichspannung. Zusätzlich sind Batterie-Management-Systeme erforderlich, mit denen die Zellen angesteuert und geregelt werden. Zu den elektrochemischen Energiespeichern gehören:

2.3.1. Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien

Bei Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien besteht die positive Elektrode aus einem lithiumdotierten Metalloxid, die negative Elektrode aus geschichtetem Graphit. Lithiumsalze dienen als Elektrolyt. Einsatzgebiete sind mobile Anwendungen wie Mobiltelefone und Energiespeicher für Elektrofahrzeuge. In Lithium-Ionen-Batterien können eine Vielzahl Elektrolyte und unterschiedliche Kombinationen von Elektrodenmaterialien eingesetzt werden. Dadurch ist die Entwicklung noch lange nicht abgeschlossen und es ist noch nicht ersichtlich, welches Konzept sich für die Anwendung in großen Speichersystemen durchsetzen wird.

Eine kurze Einführung in die Lithium-Ionen-Batterietechnologie liefert Batterieexperte Egbert Figgemeier im Faktencheck.

2.3.2. Nickel-Kadmium und Nickel-Metallhydrid Batterien

Batterien aus Nickel-Kadmium (NiCd) und Nickel-Metallhydrid (NiMH) ermöglichen eine hohe Kapazitätsausnutzung bei hohen Stromraten sowie hohe Ladeleistungen. Diese Batterietypen spielen für stationäre Anwendungen praktisch keine Rolle. Einsatzgebiete der NiCd- und NiMH-Batterien sind tragbare Geräte und Hybridfahrzeugbatterien.

2.3.3. Blei-Säure-Batterien

Blei-Säure-Batterien sind die am weitesten entwickelten Batterietypen. Sie werden als kurz- und mittelfristige Energiespeichersysteme, zum Beispiel als Starterbatterien und Traktionsbatterien für Fahrzeuge, sowie für die unterbrechungsfrei Stromversorgung (USV) eingesetzt. Blei-Säure-Batterien stehen vor allem in Konkurrenz zu Lithium-Batterien und sind diesen hinsichtlich der Investitionskosten und der Anlagenrendite noch überlegen.

2.3.4. Natrium-Schwefel-Batterien

Bei den Natrium-Schwefel-Zellen (Na-S) besteht die Anode aus geschmolzenem Natrium. Die Kathode ist ein mit flüssigem Schwefel getränktes Graphitgewebe. Als Elektrolyt wird β-Aluminiumoxid eingesetzt, das oberhalb einer Temperatur von ca. 300°C für Natrium+-Ionen leitend wird. Natrium-Hochtemperaturbatterien erreichen eine hohe Zyklenfestigkeit und vergleichsweise lange Lebensdauer. Aus Sicht der VDI-Gesellschaft Energie und Umwelt sind Natrium-Hochtemperaturbatterien vorteilhaft bei Anwendungen mit höherer Ausspeicherdauer und in Mittelspannungsnetzen.

2.3.5. Redox-Flow-Batterie – Vanadium, Polysulfid-Bromid, Zink-Brom und andere
Redox-Flow-Batterien, abgekürzt RFB, speichern elektrische Energie durch die Reduktion oder Oxdation chemischer Verbindungen (RedOx). Der wesentliche Unterschied zu anderen Batterietypen besteht darin, dass bei Redox-Flow-Batterien die Lade-/Entlade-Einheit von der Speichereinheit des Systems getrennt ist. RFB sind tiefentladungsfähig, bieten eine lange Lebensdauer und hohe Zyklenfestigkeit. Die Kosten sind noch hoch und die Energiedichte ist gering. Für den mobilen und den Einsatz in Elektrofahrzeugen sind diese Batterien nicht geeignet.

2.3.6. Luftsauerstoff-Batterie – Metall-Luft-Batterien

Metall-Luft-Batterien nutzen aus der Umgebungsluft entnommenen Sauerstoff als Reaktand. Theoretisch kann so eine höhere volumetrische und massenspezifische Leistungsdichte als bei anderen Batterietypen erreicht werden. Zurzeit werden Metall-Luft-Batterien primär in Form von Zink-Luft-Knopfzellen für kleine elektronische Geräte zum Beispiel für Hörgeräte genutzt. Der VDI sieht bei diesen Batterien noch ein hohes Entwicklungspotenzial und, bei einer deutlichen Kostensenkung, eine Konkurrenz zu Lithium-Ionen-Batterien.

2.3.7. ZEBRA-Batterien – Natrium-Nickelchlorid-Batterien

Bei ZEBRA-Batterien, die Abküzung steht für Zero Emission Battery Research Activities – besteht die positive Elektrode aus gesintertem Nickel, das mit einer flüssigen Salzlösung aus Nickelchlorid und Natriumchlorid durchtränkt ist. Die negative Elektrode ist flüssiges Natrium. Als Elektrolyt wird Natrium-?-aluminat verwendet. Die Betriebstemperatur beträgt etwa 270 °C bis 350 °C. Der VDI sieht bei ZEBRA-Batterien weitere Entwicklungsmöglichkeiten und bei einer Senkung der Herstellungskosten eine Konkurrenzsituation zu Lithium-Ionen-Batterien.

Für die Stabilisierung der Frequenz in elektrischen Netzen werden weltweit zunehmend Batteriespeicher eingesetzt. Insbesondere bei Systemen mit hoher Leistung im Megawatt-Bereich zeichnet sich ein deutlich erkennbarer Trend hin zu Lithium-Ionen-Batterien ab.

2.4. Chemische Energiespeicher

2.4.1.Wasserelektrolyse

Bei der Wasserelektrolyse dient Wasserstoff als Energieträger. Die Wasserstoffgewinnung ist umweltfreundlich, wenn Sie mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen erfolgt. Der Wasserstoff wird in geeigneten Behältern oder Salzkavernen gespeichert.

2.4.2. Power-to-Gas

Bei der Power-to-Gas Energiespeicherung werden das Strom- und Gasnetz miteinander verbunden. Erzeugt werden Wasserstoff und optional zusätzlich Methan aus Strom. Zur Speicherung und den Transport können das Gasnetz, Kavernenspeicher und Drucktanks verwendet werden. Das erzeugte Gas kann auf vielfältige Weise genutzt werden. In Deutschland sind derzeit ca. 30 Power-to-Gas-Anlagen zu Demonstrations- und Entwicklungszwecken im Einsatz. Der VDI sieht diese Technologie langfristig als festen Bestandteil des Energiesystems.

2.4.3. Metallhydridspeicher

Metallhydride können Energie in Form von Wärme oder den Energieträger Wasserstoff speichern. Die Entwicklung von Speichermaterialien mit höheren Speicherdichten und geringeren Arbeitstemperaturen sollte mach Ansicht des VDI in Zukunft zu vereinfachten und kostengünstigen Systemen führen. Noch ist die Entwicklung allerdings nicht über das Laborstadium hinausgekommen.

2.4.4. Flüssige organische Wasserstoffträger

Bei dieser Speichertechnologie wird Wasserstoff auf einem flüssigen organischen Trägermolekül gebunden und bei Bedarf wieder freigesetzt. Die Trägermoleküle sind aromatische Verbindungen, die bei der Wasserstoffaufnahme bei einem Druck von 30 bar und 50 bar und bei Temperaturen von 200 bis 250 °C. hydriert werden. Zur Freisetzung wird die gesättigte Verbindung auf Temperaturen zwischen 260 °C und 310 °C erwärmt kann katalytisch dehydriert werden. Diese Speichertechnologie ist technisch aufwendig und steckt noch in der Entwicklung.

Wie LOHC die Zukunft von Verbrennungsmotoren sichern könnte, lesen Sie hier.

2.5. Thermische Energiespeicher

Thermische Energie kann durch die Temperaturänderung eines festen, flüssigen oder dampfförmigen Speichermediums, durch den Wechsel des Aggregatzustandes eines chemischen Stoffes oder durch reversible chemische Bindungen und Sorptionsprozesse gespeichert werden. Thermische Energiespeicher werden unterschieden in:

2.5.1. Sensible NT- und HT-Wärmespeicherung in Flüssigkeiten

Für die NT-Wärmespeicherung in Flüssigkeiten in einem Temperaturbereich bis etwa 100 °C wird am häufigsten Wasser eingesetzt. Im Hochtemperaturbereich werden je nach Temperatur- und Druck entweder Druckwasser, druckloses Mineralöl oder Flüssigsalz, ebenfalls drucklos, verwendet. Diese Speichertechnologie wird für die Brauchwassererwärmung und Gebäudeheizung sowie in Kraftwerken eingesetzt.

2.5.2. Sensible HT-Wärmespeicherung in Feststoffen

Durch das Aufheizen und Abkühlen von anorganischen Materialien wie Feuerfestkeramiken oder Schüttungen aus keramischen Füllkörpern kann Wärme in Festkörpern bei Temperaturen vom mehr als 1.000 °C gespeichert werden. Die Temperatur beim Ausspeichern entspricht nahezu der Temperatur beim Einspeichern. Diese Technologie bietet eine lange Lebensdauer und unbegrenzte Zyklenfestigkeit. Die Einsatzfähigkeit ist bislang jedoch nur für gasförmige Medien nachgewiesen.

2.5.3. Sensible Niedertemperatur-Wärmespeicher im Untergrund

Für diese Form der Energiespeicherung sind große Speicherkapazitäten erforderlich. Wirtschaftlich tragfähig sind hauptsächlich Erdwärmesondenspeicher oder Aquiferspeicher, die in einem natürlich gewachsenen Untergrund angelegt werden. Die geologischen und hydrogeologischen Standortbedingungen sind bei der Auswahl des Speichertyps entscheidend.

2.5.4. Niedertemperatur- und Hochtemperatur-Latentwärmespeicher

Latentwärmespeicher nutzen die bei einem Phasenwechsel fest-flüssig, fest-fest, flüssig-gasförmig oder fest-gasförmig auftretenden Energieänderungen zur Ein- und Ausspeicherung von Wärme. Als Phasenwechselmaterialien werden organische und anorganische Materialien eingesetzt. Das Ein- und Ausspeichern der Wärmeenergie erfolgt innerhalb eines schmalen Temperaturintervalls, sodass Latentwärmespeicher auch bei isothermen Prozessen eine hohe exergetische Effizienz erreichen. Anwendung findet diese Speichertechnologie in Systemen, die Dampf als Arbeitsmedium verwenden.

2.5.5.Thermochemischer Speicher / Sorptionsspeicher

Thermochemische Speicher nutzen physikalische Bindungen, die Aufnahme beziehungsweise Lösung eines Stoffs sowie reversible chemische Reaktionen für die Energiespeicherung. Thermische Energiespeicher werden vor allem in der Industrie und in Gewerbebetrieben eingesetzt, um Abwärme einer weiteren Nutzung zuführen und zum Beispiel in ein Fernwärmenetz einzuspeisen.

Dekarbonisierung ist das zentrale Thema der Energiewende und eine wesentliche Voraussetzung für das Erreichen der Ziele des Pariser Klimaschutzabkommens. Die Dekarbonisierung wird aus Sicht des VDI ausschließlich mit Energiespeichern funktionieren. Daraus ergeben sich große Marktpotenziale für bereits genutzte und noch in der Entwicklung befindliche Speichertechnologien.

 

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