Moderne Energiespeicher sind die gebräuchlichsten Arten der Energiespeicherung
Energiespeichergeräte sind Systeme, die Energie in verschiedenen Formen speichern, beispielsweise elektrochemisch, kinetisch, potentiell, elektromagnetisch, chemisch und thermisch, beispielsweise unter Verwendung von Brennstoffzellen, Batterien, Kondensatoren, Schwungrädern, Druckluft, Hydrospeichern, Supermagneten, Wasserstoff usw. .
Energiespeicher sind eine wichtige Ressource und werden häufig zur unterbrechungsfreien Stromversorgung oder zur Unterstützung des Stromnetzes in Zeiten sehr kurzfristiger Instabilität eingesetzt. Sie spielen auch eine wichtige Rolle in Inselsystemen für erneuerbare Energien.
Die Hauptkriterien für Energiespeicher, die für eine bestimmte Anwendung benötigt werden, sind:
- die Energiemenge in Form der spezifischen Energie (in Wh · kg -1) und der Energiedichte (in Wh · kg -1 oder Wh · l -1);
- elektrische Leistung, d.h. erforderliche elektrische Last;
- Volumen und Masse;
- Zuverlässigkeit;
- Haltbarkeit;
- Sicherheit;
- Preis;
- recycelbar;
- Auswirkung auf die Umwelt.
Bei der Auswahl von Energiespeichern sollten folgende Eigenschaften berücksichtigt werden:
- spezifische Kraft;
- Speicherkapazität;
- spezifische Energie;
- Reaktionszeit;
- Effizienz;
- Selbstentladungsrate / Ladezyklen;
- Hitzeempfindlichkeit;
- Lade-Entlade-Lebensdauer;
- Auswirkung auf die Umwelt;
- Kapital-/Betriebskosten;
- Service.
Elektrische Energiespeicher sind in Form von Speicherkomponenten (Batterien, Superkondensatoren und Brennstoffzellen) integraler Bestandteil von Telekommunikationsgeräten (Mobiltelefonen, Telefonen, Walkie-Talkies usw.), Notstromsystemen und Hybrid-Elektrofahrzeugen.
Energiespeichergeräte, ob elektrisch oder thermisch, gelten als zentrale Technologien für saubere Energie.
Die langfristige Energiespeicherung hat ein großes Potenzial für eine Welt, in der Wind- und Solarenergie den Zubau neuer Kraftwerke dominieren und nach und nach andere Stromquellen ersetzen.
Wind- und Solarenergie produzieren nur zu bestimmten Zeiten und benötigen daher zusätzliche Technologie, um die Lücken zu schließen.
In einer Welt, in der der Anteil der intermittierenden, saisonalen und unvorhersehbaren Stromerzeugung zunimmt und das Risiko einer Desynchronisation mit dem Verbrauch zunimmt, macht die Speicherung das System flexibler, indem sie alle Phasenunterschiede zwischen Energieerzeugung und -verbrauch absorbiert.
Akkumulatoren dienen hauptsächlich als Puffer und ermöglichen eine einfachere Verwaltung und Integration erneuerbarer Energiequellen sowohl im Netz als auch in Gebäuden und bieten eine gewisse Autonomie bei Abwesenheit von Wind und Sonne.
In Generatorsystemen können sie Kraftstoff sparen und dazu beitragen, Ineffizienzen des Generators zu vermeiden, indem sie die Last in Zeiten geringer Leistungsnachfrage versorgen, in denen der Generator am wenigsten effizient ist.
Durch die Pufferung von Schwankungen in der erneuerbaren Energieerzeugung kann die Energiespeicherung auch die Häufigkeit von Generatorstarts reduzieren.
Bei Wind- und Dieselanlagen mit hoher Durchschlagsleistung (bei denen die installierte Windleistung die durchschnittliche Last übersteigt) reduziert bereits eine sehr geringe Speichermenge die Häufigkeit von Dieselstarts drastisch.
Die gängigsten Arten industrieller Energiespeicher:
Industrielle Energiespeichergeräte
Elektrochemische Energiespeicher
Batterien, insbesondere Blei-Säure-Batterien, bleiben der vorherrschende Energiespeicher.
Viele konkurrierende Batterietypen (Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid-, Lithium-Ionen-, Natrium-Schwefel-, Metall-Luft-, Durchflussbatterien) übertreffen Blei-Säure-Batterien in einem oder mehreren Leistungsaspekten wie Lebensdauer, Effizienz und Energiedichte , Lade- und Entladerate, Leistung bei kaltem Wetter oder erforderliche Wartung.
In den meisten Fällen sind Blei-Säure-Batterien jedoch aufgrund ihrer geringen Kosten pro Kilowattstunde Kapazität die beste Wahl.
Alternativen wie Schwungräder, Ultrakondensatoren oder Wasserstoffspeicher könnten in Zukunft kommerziell erfolgreich sein, sind heute jedoch selten.
Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion) sind heute eine moderne Energiequelle für alle modernen Unterhaltungselektronikgeräte. Die volumetrische Energiedichte prismatischer Lithium-Ionen-Batterien für tragbare Elektronik hat sich in den letzten 15 Jahren verdoppelt bis verdreifacht.
Da mehrere neue Anwendungen für Li-Ionen-Batterien entstehen, wie etwa Elektrofahrzeuge und Energiespeichersysteme, ändern sich die Zelldesign- und Leistungsanforderungen ständig und stellen traditionelle Batteriehersteller vor besondere Herausforderungen.
Daher wird die hohe Nachfrage nach einem sicheren und zuverlässigen Betrieb von Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Energie und hoher Leistungsdichte unumgänglich.
Anwendung elektrochemischer Energiespeicher in der Energiewirtschaft:
Akkumulatorenanlagen, die Verwendung von Batterien zur Speicherung elektrischer Energie
Elektrochemische Superkondensatoren
Superkondensatoren sind elektrochemische Energiespeicher, die in Sekundenschnelle vollständig geladen oder entladen werden können.
Aufgrund ihrer höheren Leistungsdichte, geringeren Wartungskosten, ihres großen Temperaturbereichs und ihrer längeren Einschaltdauer im Vergleich zu Sekundärbatterien haben Superkondensatoren im letzten Jahrzehnt erhebliche Forschungsaufmerksamkeit erhalten.
Sie haben außerdem eine höhere Energiedichte als herkömmliche elektrische dielektrische Kondensatoren.Die Speicherkapazität eines Superkondensators hängt von der elektrostatischen Trennung zwischen den Elektrolytionen und den großflächigen Elektroden ab.
Die geringere spezifische Energie von Superkondensatoren im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien ist ein Hindernis für ihren breiten Einsatz.
Die Verbesserung der Leistung von Superkondensatoren ist notwendig, um den Anforderungen zukünftiger Systeme gerecht zu werden, von tragbaren Elektronikgeräten über Elektrofahrzeuge bis hin zu großen Industrieanlagen.
Superkondensatoren im Detail:
Ionisten (Superkondensatoren) – Gerät, praktische Anwendung, Vor- und Nachteile
Druckluft-Energiespeicher
Bei der Druckluftspeicherung handelt es sich um eine Möglichkeit, die zu einem Zeitpunkt erzeugte Energie für die spätere Nutzung zu speichern. Im Versorgungsmaßstab kann die in Zeiten geringer Energienachfrage (Nebenlast) erzeugte Energie zur Deckung von Zeiten hoher Nachfrage (Spitzenlast) freigegeben werden.
Die isotherme Druckluftspeicherung (CAES) ist eine neue Technologie, die versucht, einige der Einschränkungen traditioneller (diabatischer oder adiabatischer) Systeme zu überwinden.
Kryo-Energiespeicher
Großbritannien plant den Bau eines Flüssigluftspeichers mit einer Kapazität von 250 MWh. Es wird mit einem Park erneuerbarer Energiequellen kombiniert und deren Unterbrechungen ausgleichen.
Die Inbetriebnahme ist für 2022 geplant. Die kryogenen Energiespeicher werden mit dem Trafford Energy Park in der Nähe von Manchester zusammenarbeiten, wo ein Teil der Stromproduktion aus Photovoltaikmodulen und Windturbinen stammt.
Dieser Speicher soll Unterbrechungen bei der Nutzung dieser erneuerbaren Energiequellen ausgleichen.
Das Funktionsprinzip dieser Anlage basiert auf zwei Wechselzyklen der Klimaanlage.
Mit elektrischer Energie wird Luft angesaugt und dann auf sehr niedrige Temperaturen (-196 Grad) abgekühlt, bis sie flüssig wird. Anschließend wird es in großen, isolierten Niederdrucktanks gelagert, die speziell für diesen Zweck angepasst sind.
Der zweite Zyklus findet statt, wenn Bedarf an elektrischer Energie besteht. Die kryogene Flüssigkeit wird durch einen Wärmetauscher erhitzt, um die Verdampfung fortzusetzen und sie wieder in den gasförmigen Zustand zu versetzen.
Durch die Verdampfung der kryogenen Flüssigkeit dehnt sich das Gasvolumen aus, wodurch Turbinen zur Stromerzeugung angetrieben werden.
Kinetische Energiespeicher
Ein Schwungrad ist ein rotierendes mechanisches Gerät, das zur Speicherung von Rotationsenergie verwendet wird. Das Schwungrad kann im Laufe der Zeit Energie aus intermittierenden Energiequellen auffangen und das Netz kontinuierlich mit elektrischer Energie versorgen.
Schwungrad-Energiespeichersysteme nutzen die eingegebene elektrische Energie, die als kinetische Energie gespeichert wird.
Obwohl die Physik mechanischer Systeme oft recht einfach ist (z. B. das Drehen eines Schwungrads oder das Heben von Gewichten), sind die Technologien, die eine effektive und effiziente Nutzung dieser Kräfte ermöglichen, besonders fortschrittlich.
Hightech-Materialien, modernste Computersteuerungssysteme und innovatives Design machen diese Systeme praxistauglich.
USV-Systeme für die gewerbliche kinetische Speicherung bestehen aus drei Subsystemen:
- Energiespeicher, normalerweise ein Schwungrad;
- Verteilungsgeräte;
- ein separater Generator, der gestartet werden kann, um fehlertolerante Leistung über die Energiespeicherkapazität bereitzustellen.
Das Schwungrad kann in einen Backup-Generator integriert werden, was die Zuverlässigkeit durch die direkte Verbindung mechanischer Systeme verbessert.
Mehr zu diesen Geräten:
Kinetische Energiespeicher für die Energiewirtschaft
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