Von Steven Shackell
Batterietechnologie gibt es möglicherweise bereits seit 2000 Jahren. In den 1930er Jahren wurde im modernen Irak die Bagdad- oder Parther-Batterie entdeckt, die aus einem Tongefäß, einem Kupferzylinder und einem Eisenstab besteht, die in Kombination mit einer Elektrolytlösung wie Essig wahrscheinlich als Elektroden fungierten. Obwohl der Zweck der Vorrichtung unter Forschern umstritten ist, könnte sie doch eines der ersten Beispiele für ein Energiespeichersystem sein.
Wir arbeiten noch daran, diese Technologie zu perfektionieren und einen effizienten Langzeit-Energiespeicher zu schaffen. Dabei reichen die potenziellen Einsatzbereiche von Batterien für Platinen bis hin zu Pumpspeicherwerken für Versorgernetze. Dieser Artikel befasst sich mit den Durchbrüchen bei Energiespeichern sowie mit modernen Batteriesystemen in unterschiedlichen Anwendungsbereichen.
Energiespeicher für Platinen
Kleine Batterie-Energiespeichersysteme
Batterien werden als Energiequelle für die meisten modernen tragbaren Elektrogeräte verwendet. Auch als Knopfzellen bezeichnete Lithiumbatterien wie die CR2032 von BeStar Technologies dienen beispielsweise in Uhren, kleinen Leuchten, Taschenrechnern, Garagentoröffnern, Funkschlüsseln für Automobile, Schrittzählern und vielen anderen elektronischen Kleingeräten als Energiequelle. Diese kleinen Batterien weisen große Unterschiede auf und sind in verschiedensten Formfaktoren erhältlich. Batterien wie die CR2032 mit ihrer gebräuchlichen Größe speichern ungefähr 230 mAh.
Lithium-Ionen-Batterien zählen zu den wichtigsten Energiespeichern für elektronische Kleingeräte und haben einen Marktanteil von über 34 %. Ihre Vorteile bestehen im Vergleich zu Bleisäure-, Alkaline- und Nickel-Metallhydrid-Batterien in höherer Energiedichte, geringerem Gewicht, längerer Lebensdauer und relativer Temperaturunempfindlichkeit.
Kondensatoren als Energiespeicher
Superkondensatoren sind eine neuere Entwicklung im Bereich der Energiespeichervorrichtungen und kommen heute in Anwendungen zum Einsatz, für die eine schnelle Energiespeicherung und -freisetzung erforderlich ist. Da Superkondensatoren viel Energie bei relativ niedrigen Spannungen und hoher Kapazität aufnehmen können, haben sie im Vergleich zu Batterien etliche Vorteile.
Superkondensatoren haben eine deutlich längere Lebensdauer als Batterien. Eine typische Lithium-Ionen-Batterie bietet etwa 500 bis 10 000 Ladezyklen, während Superkondensatoren für 100 000 bis 1 000 000 Million Ladezyklen geeignet sind. Superkondensatoren wie die der Baureihe NEDL können fast 1000-mal schneller als Batteriesysteme vergleichbarer Kapazität geladen werden. Andererseits verlieren Superkondensatoren pro Tag aufgrund der Selbstentladung bis zu 20 % ihrer Ladung, sind also keine ideale Lösung für langfristig ausgelegte Energiespeichersysteme.
Energiespeichersysteme auf Netzebene
Für die Speicherung großer Energiemengen (über 1 kWh) werden spezielle Systeme mit deutlich variierender Größe und Kapazität benötigt. Es folgen verschiedene Beispiele für Energiespeichersysteme auf Netzebene für die lang- oder kurzfristige Speicherung.
Batteriespeicher für Haushalte
Als wohl bekannteste Form von Energiespeichersystemen auf Netzebene werden Batteriespeicher als Notstromquelle für Haushalte eingesetzt. Geräte wie Tesla Powerwall und LG Chem RESU werden typischerweise mit Sonnenkollektoren gekoppelt, um überschüssige Energie für die spätere Nutzung zu speichern.
Während in 34 % der elektronischen Kleingeräte Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden, haben laut EESI Batteriespeicher für Haushalte einen Anteil von über 90 % an den großen Energiespeichersystemen. Die Lithium-Ionen-Technologie ist so weit verbreitet und so wichtig, dass 2019 der Nobelpreis für Chemie John B. Goodenough, Stanley Whittingham und Akira Yoshino für ihren Beiträge zur Lithium-Ionen-Technologie verliehen wurde. Speichersysteme mit Lithium-Ionen-Batterien können bis zu 100 MW Strom speichern und weisen eine Energiedichte von 200 – 400 Wh/l sowie einen Wirkungsgrad von bis zu 95 % auf.
Thermische Energiespeicherung
Es gibt verschiedene Typen thermischer Energiespeicher – geschmolzenes Salz, Eisspeicher, Heißwassertanks und ATES(Aquifer Thermal Energy Storage)-Systeme. Sie alle nutzen Temperatureffekte (Entropie), um Energie zu speichern. In vielen Fällen wird überschüssige Wärme in wärmeleitfähigen Materialien gespeichert und später genutzt, um Strom zu erzeugen.
Auf geschmolzenem Salz basierende Vorrichtungen (Molten Salt Energy Storage, MSES) kommen für die kurzfristige Energiespeicherung in kommerziellen Anwendungen zum Einsatz. In MSES-Systemen werden geschmolzene Salze auf über 540 °C erhitzt und in isolierten Behältern gelagert. Sobald Energiebedarf besteht, wird kaltes Wasser durch die Salzschmelze gepumpt, um Dampf zu erzeugen, der dann durch Turbinen geleitet wird, um Strom zu erzeugen. Diese Systeme können bis zu 150 MW speichern und weisen eine Energiedichte von 70 – 210 Wh/l sowie einen Wirkungsgrad von bis zu 95 % auf.
Druckluft-Energiespeichersysteme
Auch Druck kann zum Speichern potenzieller Energie verwendet werden. Druckluftspeichersysteme (Compressed Air Storage System, CAES) nutzen Elektrizität, um Luft in versiegelte Kavernen im Untergrund zu pumpen, die hohem Druck standhalten. Diese mit hohem Druck beaufschlagte Luft kann dann erhitzt und durch eine Luftturbine geleitet werden, um Strom zu erzeugen.
Ein Vorteil der CAES-Systeme besteht in der Möglichkeit, Energie mittel- bis langfristig zu speichern. Weltweit gibt es nur wenige CAES-Systeme, die aber große Kapazitäten von 110 MW bis 315 MW und Wirkungsgrade um 70 % bieten. Etliche weitere CAES-Systeme sind in den USA, Kanada, China, Australien, Deutschland und anderen Teilen Europas geplant. Theoretisch können kleinere CAES-Systeme für Haushalte genutzt werden. Diese Systeme sind aber noch nicht marktreif.
Pumpspeicherwerke
Derzeit stellen Pumpspeicherwerke (PSW) die Energiespeicher mit der höchsten Kapazität dar. Diese großen Energiespeicheranlagen nutzen die Schwerkraft, um Strom zu speichern. Bei PSW-Systemen wird Wasser elektrisch auf eine höhere Ebene gepumpt und gelagert. Wenn Strom benötigt wird, wird das Wasser durch Strom produzierende Turbinen wieder in das untere Becken geleitet. Die Funktionsweise entspricht weitgehend der von Staudammkraftwerken.
Legende: Pumpspeicherkraftwerk Kruonis in Litauen
Pumpspeicherwerk-Energiespeichersysteme können sehr unterschiedliche Größen aufweisen. Ein neues PSW in Walpole, Westaustralien, kann beispielsweise 1,5 MW Strom speichern. Das reicht aus, um 500 Haushalte zwei Tage mit Strom zu versorgen. Das größte PSW-Energiespeichersystem der Welt befindet sich in Bath County, Virginia, und kann über 3000 MW erzeugen. Die Gesamtspeicherkapazität beträgt 24 000 MWh. Die gespeicherte Energie entspricht der von 34,7 Milliarden Lithium-Ionen-Batterien des Typs CR2032.
PSW-Systeme sind die größten Energiespeichersysteme, die derzeit genutzt werden. Allerdings ist ihre Energiedichte eine der niedrigsten aller Speicherlösungen und liegt zwischen 0,2 und 2 Wh pro Liter (1/200 einer Lithiumbatterie). Um die in einer herkömmlichen Lithiumbatterie verfügbare Energiemenge zu speichern, ist ein PSW-System mit 200-facher Gesamtfläche erforderlich. Ungeachtet des Flächenbedarfs erreichen PSW-Systeme Wirkungsgrade von 85 %.
Moderne Energiespeichersysteme
Heute gibt es eine Vielzahl sehr unterschiedlicher Technologien für Energiespeichersysteme. All diese Systeme – ob auf Druck, Schwerkraft, chemischem Potenzial, thermischem Potenzial oder Kapazität basierend – dienen demselben Zweck: Stabilisierung und Deckung des Strombedarfs in unterschiedlichen Größenordnungen. Von kleinen Anwendungen auf Platinenebene bei tragbaren Elektronikgeräten bis hin zu großen Systemen in netzgeeigneter Größenordnung, die der Integration von Energien aus erneuerbaren Quellen dienen, repräsentiert jede dieser Technologien eine moderne Lösung für das Problem der Energiespeicherung. Während Energiespeichersysteme auf Basis von Lithium-Ionen-Batterien wohl den verbreitetsten Typ repräsentieren, werden kontinuierlich Lösungen entwickelt oder weiterentwickelt, um effizientere, kostengünstige und umweltbewusste Lösungen zu schaffen.
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