Wissenswertes zur Energiespeicherung | Welche verschiedenen Arten von Energiespeichertechnologien gibt es?

Mit dem zunehmenden Anteil von erneuerbare Energie Durch alternative Energiequellen wie Wind- und Solarenergie ist die Stromversorgung nicht mehr so stabil und steuerbar wie die traditionelle thermische Energieerzeugung. Während der Spitzenzeiten der Solarstromerzeugung am Tag kann das Angebot die Nachfrage übersteigen, während nachts, wenn die Windstromerzeugung stark abfällt, die Versorgung unzureichend sein kann.

Energiespeicher fungieren in diesem Kontext als „Energiemanager“. Diese Speichersysteme sind wie eine Gruppe von „Energiespeichern“ mit unterschiedlichen Funktionen: Einige eignen sich hervorragend zur Speicherung von Elektrizität, andere sind auf Wärmespeicherung spezialisiert, einige können lange Standby-Zeiten überstehen und einige können sofort Energieimpulse abgeben.

Derzeit hat sich die globale Energiespeichertechnologie zu einem diversifizierten Entwicklungsmuster entwickelt, das hauptsächlich physikalische Energiespeicherung, elektrochemische Energiespeicherung, elektromagnetische Energiespeicherung, thermische Energiespeicherung, Wasserstoff-Energiespeicherung und neue Technologien umfasst, die jeweils in unterschiedlichen Szenarien mit ihren einzigartigen Vorteilen eine Rolle spielen.

Physikalische Energiespeicherung: Der „Veteran“ setzt auf „räumliche Transformation“ zur Energiespeicherung

Physikalische Energiespeicherung war die erste Energiespeichermethode, die in großem Maßstab angewendet wurde. Ihr Kern besteht darin, … Energiespeichersystem durch mechanische Bewegung oder Standortveränderungen.

Unter den Pumpspeicherkraftwerken gilt das Pumpspeicherkraftwerk als das älteste und macht über 90 % der weltweit installierten Kapazität aus. Sein Prinzip ist einfach: In Zeiten geringen Strombedarfs wird überschüssiger Strom genutzt, um Wasser von einem tiefer gelegenen in ein höher gelegenes Becken zu pumpen. Dabei wird elektrische Energie in die potenzielle Energie des Wassers umgewandelt. In Zeiten hohen Strombedarfs wird das Wasser freigegeben, um Turbinen anzutreiben und Strom zu erzeugen. Die potenzielle Energie wird dabei wieder in elektrische Energie umgewandelt.

Diese Technologie ist derzeit die wirtschaftlichste. großflächige Energiespeicherlösung Zu den Nachteilen zählen jedoch die Abhängigkeit von den geographischen Gegebenheiten (es wird Gelände mit Höhenunterschieden benötigt) und eine relativ lange Bauzeit (in der Regel 5-10 Jahre).

Eine weitere Form der physikalischen Energiespeicherung ist die Druckluftspeicherung. Dabei wird Luft mithilfe eines Elektromotors komprimiert und in unterirdischen Kavernen oder großen Tanks gespeichert. Bei Bedarfsspitzen wird die Druckluft freigesetzt, um Turbinen zur Stromerzeugung anzutreiben.

Frühere Technologien hatten einen geringeren Wirkungsgrad, weil sie die bei der Kompression entstehende Wärme nicht zurückgewinnen konnten. Die kürzlich entwickelte Technologie „Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage“ (A-CAES) nutzt jedoch die Kompressionswärme und steigert so den Wirkungsgrad auf über 70 %.

Darüber hinaus verfolgt die Schwungrad-Energiespeicherung einen energieeffizienten Ansatz, indem sie elektrische Energie in die kinetische Energie eines schnell rotierenden Schwungrads umwandelt. Ihre Reaktionszeit liegt im Millisekundenbereich, und ihre Lebensdauer kann Millionen von Zyklen erreichen. Sie wird häufig in Anwendungen mit hohem Bedarf an kurzzeitiger Leistung eingesetzt, beispielsweise in unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) in Rechenzentren und bei der Bremsenergierückgewinnung im Schienenverkehr.

Elektrochemische Energiespeicherung: Ein tragbarer und effizienter aufstrebender Stern

Die elektrochemische Energiespeicherung wandelt elektrische Energie durch chemische Reaktionen in chemische Energie um. In den letzten Jahren hat sie sich aufgrund von Kostensenkungen und technologischen Durchbrüchen zum am schnellsten wachsenden Bereich entwickelt.

Lithium-Ionen-Batterien sind derzeit der absolute Standard und machen mehr als 90 % aus. neue Energiespeicheranlagen Je nach Kathodenmaterial werden sie weiter unterteilt in Lithium-Eisenphosphat (LFP)-Batterien und ternären Lithiumbatterien (NCM). Erstere zeichnen sich durch hohe Sicherheit und niedrige Kosten aus und zielen hauptsächlich auf die Märkte für Energiespeicherung und Nutzfahrzeuge ab; letztere bieten eine höhere Energiedichte und werden vorwiegend in High-End-Elektrofahrzeugen eingesetzt. Lithiumbatterien stehen jedoch weiterhin vor Herausforderungen wie Ressourcenknappheit (Lithium, Kobalt usw.) und Sicherheitsrisiken (z. B. thermisches Durchgehen).

Flussbatterien hingegen stellen einen potenziellen Energiespeicher für die Langzeitspeicherung dar. Durch die Speicherung des Elektrolyten in einem externen Tank wird eine Entkopplung von Kapazität und Leistung erreicht – zusätzliche Tanks verlängern die Speicherdauer und machen die Technologie besonders geeignet für Anwendungen, die eine kontinuierliche Stromversorgung über mehrere Stunden erfordern.

Vanadium-Redox-Flow-Batterien (VRFBs) zeichnen sich durch eine Lebensdauer von über 25 Jahren, mehr als 10.000 Ladezyklen und wiederverwendbaren Elektrolyten aus. Das 200-MW/1-GWh-VRFB-Energiespeicherkraftwerk Jimsar von Three Gorges Energy ist das weltweit größte VRFB-Energiespeicherkraftwerk und treibt die Kommerzialisierung der Langzeitspeicherung von Energie voran.

Natrium-Ionen-Batterien gewinnen aufgrund ihrer reichlich vorhandenen Natriumressourcen (420-mal so viele wie Lithium) und ihrer geringen Kosten zunehmend an Bedeutung. Unternehmen wie CATL und EVE Energy haben sich für diesen Markt entschieden und werden voraussichtlich in Zukunft einige Lithium-Batterien in Elektrofahrzeugen mit niedriger Geschwindigkeit und in Notstromversorgungen für Privathaushalte ersetzen.

Elektromagnetische Energiespeicherung: Der „Flash“ mit Millisekunden-Reaktionszeit

Elektromagnetische Energiespeicher nutzen elektrische oder magnetische Felder zur Energiespeicherung. Zu ihren Merkmalen gehören extrem schnelle Lade- und Entladezeiten (im Millisekundenbereich) und eine extrem hohe Leistungsdichte, jedoch eine relativ geringe Energiedichte.

Superkondensatoren speichern Energie durch die elektrische Doppelschicht an der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche und zeichnen sich durch eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer aus. Sie werden häufig zur Bremsenergierückgewinnung bei Hochgeschwindigkeitszügen und zur kurzzeitigen Spannungsstützung in intelligenten Stromnetzen eingesetzt. Supraleitende magnetische Energiespeicher (SMES) hingegen speichern Magnetfeldenergie mithilfe supraleitender Spulen und erreichen Wirkungsgrade von über 95 %. Allerdings ist der Betrieb bei extrem niedrigen Temperaturen bis zu -269 °C erforderlich, was zu höheren Kosten führt. Derzeit wird SMES hauptsächlich in der Laborforschung und in hochpräzisen Industrieanlagen eingesetzt.

Thermische Energiespeicherung: Die unsichtbare „Energiebank“

Bei der thermischen Energiespeicherung wird thermische Energie durch Temperaturänderungen oder Phasenübergänge in einem Medium gespeichert, oft in Kombination mit solarer thermischer Stromerzeugung und industrieller Abwärmenutzung.

Die gängigste Form der Wärmespeicherung ist die Speicherung von fühlbarer Wärme. Dabei wird Wärme durch Medien wie Wasser, Salzschmelzen oder Gestein aufgenommen, nach einem Temperaturanstieg gespeichert und bei sinkender Temperatur wieder abgegeben. Die latente Wärmespeicherung nutzt Phasenwechselmaterialien (wie Paraffin und Salzschmelzen), um während Fest-Flüssig-Phasenübergängen große Wärmemengen aufzunehmen oder abzugeben und so eine relativ konstante Temperatur zu gewährleisten. Sie kann zur Regulierung der Raumtemperatur in Gebäudewänden und zur Wärmeableitung elektronischer Geräte eingesetzt werden. Die thermochemische Speicherung nutzt reversible chemische Reaktionen (wie die Reaktion von Calciumoxid mit Wasser) mit einem theoretischen Wirkungsgrad von über 80 %. Sie befindet sich jedoch noch im Forschungs- und Pilotstadium und hat noch keine großtechnische kommerzielle Anwendung gefunden.

Wasserstoffspeicherung: Die „ultimative Lösung“ für die saisonübergreifende Energiespeicherung?

Die Speicherung von Wasserstoff gilt als die ultimative Lösung, um die saisonalen Schwankungen erneuerbarer Energien auszugleichen. Dabei wird überschüssiger Strom außerhalb der Spitzenzeiten genutzt, um durch Elektrolyse von Wasser „grünen Wasserstoff“ zu erzeugen. Dieser wird in Hochdrucktanks oder unterirdischen Salzkavernen gespeichert. Bei Bedarf kann er zur Stromerzeugung mittels Brennstoffzellen oder direkt in Industrie und Verkehr eingesetzt werden.

Die größten Vorteile der Wasserstoffspeicherung sind die Emissionsfreiheit (Null-Kohlenstoff-Emissionen), die Langzeitspeicherung (Monate oder sogar Jahre) und die Möglichkeit, mehrere Energienetze wie Strom, Wärme und Kraftstoff zu koppeln.

Allerdings sind derzeit technologische Engpässe offensichtlich: Die Effizienz der Wasserstoffproduktion aus Wasserelektrolyse liegt bei etwa 70 %, die Effizienz der Brennstoffzellenstromerzeugung bei rund 50 % und die Gesamteffizienz bei nur 30-40 %; auch die Bedingungen für die Speicherung von flüssigem Wasserstoff und die Transportkosten sind hoch.

Neue Technologien: Schwerkraft, Luft und weitere Möglichkeiten

Neben den bereits erwähnten ausgereiften Technologien gewinnen neue Richtungen wie die Energiespeicherung mittels Schwerkraft und die Energiespeicherung mittels flüssiger Luft rasch an Bedeutung.

Die Schwerkraftspeicherung nutzt einen Elektromotor, um schwere Objekte (wie Betonblöcke oder Kies) anzuheben und deren Gewicht bei Bedarf zur Stromerzeugung freizusetzen. Die Flüssigluftspeicherung kühlt Luft auf etwa -196 Grad Celsius ab und verflüssigt sie. Die entstehende Verflüssigung treibt eine Turbine an, die beim Ausdehnen Strom erzeugt. Das Flüssigluftspeicher-Demonstrationsprojekt der Provinz Qinghai mit einer Kapazität von 60.000 kW/600.000 kWh befindet sich in Golmud, Präfektur Haixi, Provinz Qinghai und ist derzeit in der finalen Inbetriebnahmephase. Es ist das weltweit größte Demonstrationsprojekt dieser Art.

Die Zukunft: Zusammenarbeit verschiedener Technologien zum Aufbau eines Energieinternets

Unterschiedliche Energiespeichertechnologien haben ihre jeweiligen Vor- und Nachteile, und in Zukunft könnte sich ein Muster der „Arbeitsteilung und Zusammenarbeit“ herausbilden: Pumpspeicherkraftwerke und Lithiumbatterien eignen sich für die Spitzenlastabdeckung im Stromnetz (4-8 Stunden); Flussbatterien, Druckluftspeicher und Wasserstoffspeicher konzentrieren sich auf die Langzeitspeicherung von Energie (>8 Stunden); Superkondensatoren und Schwungräder sind für die sofortige Leistungsunterstützung zuständig; und die thermische Energiespeicherung ist eng mit der Erzeugung erneuerbarer Energien verknüpft.

Nach Angaben der Internationalen Agentur für Erneuerbare Energien wird die globale Energiespeicherkapazität bis 2030 230 Gigawatt erreichen, wobei die Langzeitspeicherung das schnellste Wachstum aufweisen wird.

Durch technologische Weiterentwicklung und Kostensenkung könnten zukünftige Energiespeichernetze wie ein neuronales Netzwerk effizient zusammenarbeiten und so letztendlich die Vision einer klimaneutralen, integrierten „Erzeugung, Netz, Last und Speicherung“ verwirklichen.