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Letzte Änderung / Last update: 2022-Sep-18

Speichern von Elektrizität

Themenfeld Energieversorgung
Das Speichern von Elektrizität stellt heutzutage immer noch ein riesiges Problem dar. Das schmerzt vor allem immer dann, wenn man es mit Energiequellen zu tun hat, die nicht im selben Rhythmus elektrische Energie liefern, wie sie nachgefragt wird. Das passiert vor allem bei Wind- oder Solarenergie. Die Sonne scheint eben gerade nicht in der Nacht, wenn man die Beleuchtung speisen will, und der Wind weht komplett unberechenbar.

Bisher hatte man die Aufteilung in Kraftwerke in Dauerbetrieb, die die sogenannte Grundlast bereitstellten. Das waren Kern- und Kohlekraftwerke, die normalerweise permanent liefen und nur in geringem Maße und seltener heruntergefahren wurden. Den zusätzlichen Teil, der die Spitzen des stündlich wechselnden Bedarfs abdeckte, lieferten z. B. Gasturbinenkraftwerke, die sich besonders schnell hoch- und wieder herunterfahren ließen. Das sind also alles atomare oder fossile Energiequellen, die man baldmöglichst durch regenerative ersetzen möchte.


Direkte Speicherung, Akkumulatoren

Direkt kann man elektrische Energie in [WP Akkumulator]en, kurz Akkus, speichern. Das funktioniert sogar mit einem vergleichsweise hohen Wirkungsgrad. Das Problem dabei ist aber die Kapazität: Wenn man das beispielsweise individuell für einen einzelnen Haushalt realisieren möchte, müsste man Energie für ca. einen kompletten Tag zwischenspeichern können. Bei einem Single-Haushalt mag das noch angehen, man käme da mit ungefähr 10 üblichen Autobatterien hin, die man in einer Art Speisekammer unterbringen könnte. Aber schon bei einem Mehrpersonenhaushalt mit Kindern, wo Waschmaschine und Geschirrspüler gerne jeden Tag aktiv werden, ist das nicht mehr realistisch.

Ok, man könnte an modernere Batterietypen denken als an die Bleiakkus, wie sie bei Verbrenner-Autos üblich sind. Heute hat man Lithium-Ionen-Akkus, die eine wesentlich höhere Speicherdichte aufweisen und auch in E-Autos verwendet werden. Dafür gibt es heutzutage angeblich auch schon einen Markt für gebrauchte Exemplare. Aber das wird auch schnell unbezahlbar.

Bleiakkus wie im Auto sind relativ preiswert und pflegeleicht. Sie sind relativ schwer, was bei stationärer Verwendung nicht so ins Gewicht fällt. Lithium-Ionen-Akkus und ähnliche moderne Varianten sind vergleichsweise leichter, aber auch kostspieliger.

Schon eher wird das bezahlbar, wenn man nicht einen zentralen Riesenspeicher ins Auge fasst, sondern viele kleine, lokale Speicher in einzelnen Häusern, aber vor allem in vielen geparkten E-Autos vernetzt und sie per intelligenter Steuerung alle zusammenfasst. Auch das wird schon konkret geplant.

Bei großtechnischer Anwendung, beispielsweise der Speicherung der Energie, die von mehreren Windrädern geliefert wird, kommt man schnell an die Grenze, welche Kapazitäten auf diesem Wege realistisch und zu vertretbaren Kosten bereitgestellt werden können. Es gibt schon versuchsweise Installationen mit Containern voll Lithium-Ionen-Akkus, aber das ist noch kein Kandidat für die allgemeine Einführung.

Stattdessen gibt es speziell für solche großformatigen Anwendungen die neue Technologie der [WP Redox-Flow-Batterie], wobei mit einem flüssigen Elektrolyten gearbeitet wird, der in großen Tanks gespeichert und mit entsprechenden Pumpen in der Anlage bewegt werden kann. Der Aufwand an Installationen und das benötigte Volumen ist sehr viel größer als herkömmliche Akkumulatoren, aber die riesigen möglichen Kapazitäten machen das beim Einsatz für ortsfeste Windräder oder Solarfarmen wieder wett, die ja ihrerseits auch schon einigen Platzbedarf aufweisen.


Mechanische Speicherung, Flüssigkeit

Hier geht es vor allem um Pumpspeicherkraftwerke, also Wasserspeicher. Im Parallelartikel über Bergwerke ist das Prinzip erklärt. Weiteres kann man auch in [WP Pumpspeicherkraftwerk] nachlesen. Dort werden auch verschiedene Varianten vorgestellt.

Ein ähnliches Verfahren wie mit einem Bergwerk ist denkbar, indem man eine unterirdische [WP Kaverne] als Unterwasser verwendet. Was man dann als Oberwasser verwenden kann, muss die jeweilige Umgebung hergeben. Das ist meines Wissens noch nirgends praktisch umgesetzt worden. Vielleicht wäre das ja mal ein Ansatz.

(Die reine Speicherung von elektrochemisch gewonnenen Flüssigkeiten wird weiter unten erörtert.)


Mechanische Speicherung, Gas

Eben wurden Kavernen erwähnt, die man ansonsten erstellt hat als Langzeitspeicher für Erdölreserven oder auch kurzfristiger zur Zwischenspeicherung für Erdgas. Wenn man elektrische Energie speichern möchte, kann man ebenfalls Kavernen nutzen, indem man normale Luft komprimiert in so ein [WP Druckluftspeicherkraftwerk] presst. Bei Bedarf lässt man die Luft wieder ab, wobei der Luftstrom über eine Turbine einen Generator antreibt und so die elektrische Energie wieder liefert. Der Wirkungsgrad dabei ist allerdings relativ bescheiden.

Ebenfalls Gas erhält man, wenn man den Strom zur Elektrolyse von Wasser verwendet und dann den Wasserstoff speichert. Dazu kann man ihn durch Kühlung verflüssigen oder ebenfalls in Kavernen speichern. Oder man benutzt das landesweite Gasversorgungsnetzt als Riesenspeicher und speist dieses Gas dort ein.


Mechanische Speicherung, Schwungrad u. a. m.

Rein mechanisch arbeiten Schwungräder, die durch einen Elektromotor in Rotation versetzt werden, welcher im Ausgabebetrieb als Generator arbeitet, siehe auch [WP Schwungrad-Speicherkraftwerk].

Ein aktuelles Beispiel (heise) [Zitat heise:] ist einem Windrad zugeordnet, um dessen Strom zu speichern. Das Schwungrad ist 42 Tonnen schwer, ist acht Meter hoch und sechs Meter im Durchmesser. Es rotiert mit bis zu 3.000 Umdrehungen pro Minute, die Speicherkapazität beträgt dabei 500 Kilowattstunden. Binnen Sekunden oder sogar schneller können so Schwankungen in der Stromerzeugung ausgeglichen werden. Der Wirkungsgrad soll bis zu 90 % betragen. Das rein mechanische Funktionsprinzip erlaubt im Gegensatz zu chemischen Akkus eine fast unbegrenzte Zahl von Ladezyklen. [Ende Zitat].

Die speicherbare Energiemenge ist doch relativ begrenzt, das ist nichts, was sich jeder Haushalt in den Garten stellen kann. Und noch viel größere Ausführungen sind aufgrund der Fliehkräfte bei der Rotation und der erreichbaren Materialfestigkeiten kaum realisierbar.

Diese Einschränkungen der begrenzten Kapazität gelten auch für andere mechanische Ansätze. Einer basiert auf dem Prinzip des Freifallturms, wie man ihn von Jahrmärkten oder Freizeitparks kennt: Eine Last wird mit Überschuss-Strom hochgezogen, und wenn wieder Strom benötigt wird, wird sie abgelassen und damit ein Generator angetrieben. Eine weitere Idee baut dieses Prinzip aus und erinnert etwas an ein Containerterminal: Hier hat man viele schwere Klötze, die von einem oder mehreren Kranarmen umgestapelt werden. Bei Strom-Überfluss werden unten stehende Klötze auf die höheren daraufgestapelt und dann bei Strom-Bedarf wieder herabgelassen, um dabei Strom zu erzeugen. Der Vorteil liegt hier in der großen Anzahl der Klötze, wodurch die Gesamtspeicherkapazität dieser Anlage vervielfacht wird. Davon gibt es in der Schweiz eine Prototyp-Installation, die anscheinend funktioniert und irgendwann in größerem Maßstab zum realen Einsatz gebracht werden soll.


Chemische Speicherung

Im Parallelartikel und dort im letzten Abschnitt sind die Verfahren dargestellt, die elektrische Energie verwenden, um chemische Umsetzungen anzutreiben, mit denen man am Ende beispielsweise Methanol oder andere als Brennstoff verwendbare Flüssigkeiten herstellt, die sich auch gut speichern lassen. Das geht mit herkömmlichen Tankfeldern, aber auch mit [WP Kaverne]n. Damit kann man leicht sehr hohe Kapazitäten erreichen. Die Speicherung ist dabei sehr effizient, aber vorher ist der Umsetzungs-Wirkungsgrad doch sehr niedrig. Man kann sich aber Situationen vorstellen, wo man das hintanstellen kann.

Flüssigkeiten lassen sich viel leichter speichern als Gase!


Fazit

Das Problem der Speicherung besteht also weiterhin. Welcher der genannten Wege in Zukunft breite Anwendung findet, oder ob man noch ganz andere Methoden entwickelt, muss sich noch herausstellen.






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