Von Steven Shackell
Trotz neuer Effizienzsteigerungen nimmt der weltweite Stromverbrauch weiter zu. Auch die Infrastruktur für Energieerzeugung und -speicherung muss ausgebaut werden. Energiespeichermethoden wie Pumpspeicherkraftwerke, Batterien, Kondensatorbänke und Schwungräder werden zurzeit auf Stromnetzebene zur Energiespeicherung eingesetzt. Jede Technologie weist unterschiedliche Vorteile und Einschränkungen hinsichtlich Kapazität, Geschwindigkeit, Effizienz und Kosten auf.
Eine weitere neue Technologie, der supraleitende magnetische Energiespeicher (SMES), ist ein vielversprechender Schritt in Richtung Energiespeicherung. Der SMES könnte die Übertragung und Speicherung elektrischer Energie revolutionieren. Im Mittelpunkt dieses Artikels steht die SMES-Technologie: was darunter zu verstehen ist, wie sie funktioniert, wie sie eingesetzt werden kann und wie sie im Vergleich zu anderen Energiespeichertechnologien abschneidet.
Was ist ein supraleitender magnetischer Energiespeicher?
Ein SMES ist eine moderne Energiespeichertechnologie, die auf höchstem Niveau Energie ähnlich wie eine Batterie speichert. Externer Strom lädt das SMES-System am Speicherort auf; bei Bedarf kann derselbe Strom entladen und extern genutzt werden. SMES-Systeme speichern allerdings elektrische Energie in Form eines Magnetfelds durch den Gleichstromfluss in einer Spule. Diese Spule besteht aus einem supraleitenden Material ohne jeglichen elektrischen Widerstand, wodurch die Erzeugung des Magnetfelds äußerst effizient wird. Sobald die supraleitende Spule aufgeladen ist, bleibt der Gleichstrom in der Spule ohne Energieverlust erhalten, sodass die Energie perfekt und unbegrenzt gespeichert werden kann, bis das SMES-System absichtlich entladen wird. Dank dieser hohen Effizienz weisen SMES-Systeme einen durchgängigen Wirkungsgrad von über 95 % auf.
Wie funktioniert ein supraleitendes magnetisches Energiespeichersystem?
Die SMES-Technologie beruht auf den Prinzipien von Supraleitung und elektromagnetischer Induktion und stellt eine hochmoderne Lösung zur Speicherung elektrischer Energie dar. Für die Speicherung von Wechselstrom aus einer externen Stromquelle muss ein SMES-System zunächst den gesamten Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln. Interessanterweise ist die Stromumwandlung der einzige Teil der SMES, der nicht vollkommen effizient ist und den gesamten Systemverlust ausmacht.
Der Gleichstrom wird dann durch den supraleitenden Draht geleitet, um ein großes elektromagnetisches Feld zu erzeugen, das schließlich zur Speicherung dieser Energie verwendet wird. Supraleitende Materialien besitzen keinen elektrischen Widerstand, wenn sie unter ihre kritische Temperatur gekühlt werden. Aus diesem Grund weisen SMES-Systeme im Gegensatz zu anderen Speichermethoden keinen Energieabfall oder Speicherverlust auf.
Demonstration einer Solenoidgeometrie zur Erzeugung eines elektromagnetischen Felds
Der supraleitende Draht wird, wie auch bei anderen Induktionsgeräten üblich, präzise in einer Ring- oder Solenoidgeometrie gewickelt, um das Speichermagnetfeld zu erzeugen. Größe und Menge des supraleitenden Drahts richten sich nach der Energiemenge, die von einem SMES-System gespeichert werden muss. So wurde beispielsweise ein großes nordamerikanisches SMES-Projekt mit einer Speicherkapazität von 2.400 MW und einem Speicherring mit einem Durchmesser von mehreren Kilometern, der unter der Erde vergraben ist, vorgestellt.
Der Vorteil von supraleitenden magnetischen Energiespeichersystemen
SMES-Systeme zeichnen sich durch ihre unschlagbare Effizienz aus. Bei der Speicherung von Energie wird kaum Energie verschwendet. SMES-Systeme besitzen einen durchgängigen Wirkungsgrad von nahezu 100 %, während der Wirkungsgrad von Lithium-Ionen-Batterien 80 % bis 90 % und von Pumpspeicherkraftwerken 70 % bis 85 % beträgt. Bei Anwendungen mit unregelmäßiger oder spärlicher Energieversorgung, z. B. bei einem ländlichen Mikronetz oder einem großen Satelliten, kann die Energieeinsparung von größter Bedeutung und eine Maximierung der Speichereffizienz erforderlich sein, auch wenn sich dadurch die Kosten im Vorfeld erhöhen.
Darüber hinaus glänzen SMES-Systeme durch schnelle Reaktionszeiten sowohl beim Laden als auch beim Entladen. Sie sind also ideale Kandidaten für Anwendungen, die eine schnelle und präzise Energieversorgung und -stabilisierung erfordern. So profitieren zum Beispiel die Halbleiterfertigung oder medizinische Einrichtungen in hohem Maße von SMES-Systemen, da ihre Anlagen große Stromspitzen erzeugen können, die von einem SMES-System problemlos bewältigt werden, selbst im Vergleich zu Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batteriesystemen.
Die Nachteile von supraleitenden magnetischen Energiespeichersystemen
Die Anschaffungskosten von SMES-Systemen sind im Vergleich zu anderen Energiespeicherlösungen sehr hoch. Supraleitende Materialien sind teuer in der Herstellung und erfordern ein kryogenes Kühlsystem, um den supraleitenden Zustand des Spulenmaterials zu erreichen und aufrechtzuerhalten.
Supraleiter wie Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid (YBCO) und Bismut-Strontium-Calcium-Kupfer-Oxid (BSCCO) werden mithilfe komplizierter Syntheseverfahren aus hochreinen Rohstoffen hergestellt, was ihre Herstellung weitaus kostspieliger macht als die von gewöhnlichem Draht. Darüber hinaus erreichen YBCO und BSCCO unter Atmosphärendruck bei 93 K (-292,3 F) bzw. 110 K (-261 F) kritische Punkte. Das bedeutet, dass sie nur bei extrem niedrigen Temperaturen supraleitend sind und komplexe kryogene Systeme erfordern, die eine solche Umgebung schaffen.
Außerdem sind SMES-Systeme in ihrer Skalierbarkeit begrenzt. Abgesehen von den nicht skalierbaren Anfangskosten haben SMES-Systeme einen hohen Wartungsbedarf und die Speicherkapazität kann nicht ohne Weiteres erhöht werden. Im Gegensatz dazu können Lithium-Ionen-Batterie-Speichersysteme leicht verbunden werden, während die Kombination von SMES-Vorrichtungen eine entsprechende Skalierung der kryogenen Kühlinfrastruktur erfordert.
Ist der supraleitende magnetische Energiespeicher die Zukunft der Energieinfrastruktur?
Auch wenn der SMES einen einzigartigen Vorteil gegenüber anderen Energiespeicheranwendungen bietet und eine echte Spitzentechnologie darstellt, ist es unwahrscheinlich, dass er sich in naher Zukunft in den meisten Energiespeicheranwendungen durchsetzen wird. Derzeit sind die Möglichkeiten und das Angebot an supraleitenden Materialien begrenzt. Aktuelle Technologien erfordern kryogene Temperaturen für Supraleitfähigkeit und die Herstellung von stromnetzfähigen Massensupraleitern ist noch nicht realisiert worden.
Physiker arbeiten jedoch an der Entdeckung neuer Hochtemperatur-Supraleitermaterialien, die eines Tages die Supraleitung bei Raumtemperatur ermöglichen könnten. Wenn dies gelingt und das Material in Massenproduktion hergestellt werden kann, werden die Effizienz und die Leistung von SMES die Marktakzeptanz wahrscheinlich vor anderen Technologien vorantreiben. Fortschritte bei supraleitenden Materialien, kryogenen Technologien und Kostensenkungsstrategien könnten die Wettbewerbsfähigkeit von SMES-Systemen drastisch verbessern, sind aber gegenwärtig noch auf Forschung und Nischenenergieinfrastrukturen beschränkt.
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