1. Überblick
Energiespeichertechnologien lassen sich grob in physikalische und chemische Speicher unterteilen. Zu den physikalischen Speichern zählen Technologien wie Pumpspeicherkraftwerke, Druckluftspeicher, Schwungradspeicher, Schwerkraftspeicher und Phasenwechselspeicher. Chemische Speicher umfassen Lithium-Ionen-Batterien, Redox-Flow-Batterien, Natrium-Ionen-Batterien und Wasserstoffspeicher (Ammoniak).
Neue Energiespeichertechnologien bezeichnen Speichertechnologien, die primär elektrische Energie abgeben, mit Ausnahme von Pumpspeicherkraftwerken. Im Vergleich zu Pumpspeicherkraftwerken bieten neue Energiespeichertechnologien flexible Standortwahl, kurze Bauzeiten, schnelle Reaktionszeiten und vielfältige Funktionsmerkmale.
Neue Energiespeichertechnologien finden in verschiedenen Bereichen der Energieversorgung breite Anwendung und verändern die Betriebseigenschaften traditioneller Energiesysteme grundlegend. Sie sind zu unverzichtbaren Komponenten für den sicheren, stabilen und wirtschaftlichen Betrieb von Energiesystemen geworden.
2. Mechanische Energiespeicherung
Die mechanische Energiespeicherung umfasst im Wesentlichen Druckluftspeicher und Schwungradspeicher.
Druckluftspeicher (CAES): CAES nutzt überschüssigen Strom in Zeiten geringer Nachfrage, um Druckluft zu komprimieren. Diese wird gespeichert und später in Zeiten hoher Nachfrage wieder freigesetzt, um durch den Antrieb einer Gasturbine Strom zu erzeugen. Aufgrund seiner Fähigkeit zur Lastspitzenkappung eignet sich CAES für Großanlagen wie Windparks, erfordert jedoch bestimmte geografische Bedingungen.
Schwungrad-Energiespeicher: Bei diesem Verfahren wird elektrische Energie genutzt, um einen im Vakuum befindlichen Rotor zu beschleunigen und so elektrische Energie in kinetische Energie umzuwandeln, die anschließend gespeichert wird. Schwungrad-Energiespeicher zeichnen sich durch kurze Entladezeiten und geringe Speicherkapazitäten aus und eignen sich daher ideal für Anwendungen wie unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) und Frequenzregelung. Allerdings ist ihre Energiedichte relativ gering, sodass die Stromversorgung nur für wenige Sekunden bis Minuten aufrechterhalten werden kann.
3. Elektrochemische Energiespeicherung
Die elektrochemische Energiespeicherung ist ein bedeutendes Forschungsgebiet, das verschiedene Batterietypen umfasst:
Lithium-Ionen-Batterien: Die ausgereifteste und am weitesten verbreitete elektrochemische Speichertechnologie, die sich derzeit in der Massenproduktion befindet und das schnellste Wachstum sowie den höchsten Marktanteil aufweist.
Blei-Säure-Batterien: Diese Batterien besitzen Elektroden, die hauptsächlich aus Blei und seinen Oxiden bestehen, sowie einen Schwefelsäure-Elektrolyten. Sie stellen eine ausgereifte Technologie mit stabiler Leistung dar, weisen jedoch lange Ladezeiten, hohe Umweltbelastung und eine kurze Lebensdauer auf.
Flussbatterien: Flussbatterien befinden sich noch im Demonstrationsstadium und lassen sich anhand ihrer Elektrolytsysteme in Vanadium-Redox-Flussbatterien, Zink-Eisen-Flussbatterien, Zink-Brom-Flussbatterien und Eisen-Chrom-Flussbatterien unterteilen. Vanadium-Redox-Flussbatterien sind am weitesten verbreitet, während die anderen Systeme ihre Industrialisierung weiter vorantreiben.
Natrium-Ionen-Batterien: Diese Batterien nutzen die Einlagerung und Freisetzung von Natrium-Ionen zwischen Anode und Kathode zum Laden und Entladen. Die Natrium-Ionen-Technologie befindet sich noch im experimentellen Stadium und wird weiter erforscht und getestet.
4. Elektromagnetische Energiespeicherung
Zu den elektromagnetischen Energiespeichern zählen supraleitende magnetische Energiespeicher (SMES) und Superkondensatoren, die sich für Anwendungen eignen, die eine schnelle Entladung und hohe Leistung erfordern.
Supraleitende magnetische Energiespeicher (SMES): Sie speichern elektrische Energie in einem Magnetfeld und zeichnen sich durch schnelles Laden und Entladen sowie hohe Leistungsdichte aus. Trotz der Verfügbarkeit kommerzieller SMES-Produkte für niedrige und hohe Temperaturen ist ihr Einsatz in Stromnetzen aufgrund der hohen Kosten und des komplexen Wartungsaufwands supraleitender Materialien weiterhin begrenzt, sodass sie sich noch im experimentellen Stadium befinden.
Superkondensatoren speichern elektrische Energie mithilfe elektrostatischer Prinzipien, wobei das dielektrische Material eine geringe Spannungsfestigkeit aufweist. Daher besitzen Superkondensatoren eine begrenzte Energiespeicherkapazität, eine geringe Energiedichte und hohe Investitionskosten.
5. Chemische Energiespeicherung
Chemische Energiespeicherung bezieht sich hauptsächlich auf Wasserstoffspeichertechnologien. Diese wandeln intermittierenden oder überschüssigen Strom mittels Elektrolyse in Wasserstoff um, der gespeichert und bei Bedarf mithilfe von Brennstoffzellen oder anderen Erzeugungsanlagen wieder in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Laut der Studie „Entwicklungspfadforschung für Spitzenlastkraftwerke mit Wasserstoffspeicherung“ von Polaris liegt der aktuelle Wirkungsgrad von Wasserstoff-Brennstoffzellensystemen bei etwa 45 %. Unter Berücksichtigung der Energieverluste bei der Wasserelektrolyse beträgt der Gesamtwirkungsgrad der Wasserstoffspeicherung zur Stromerzeugung etwa 35 %. Die Verbesserung der Energieumwandlungseffizienz ist eine zentrale Herausforderung, und die großtechnische Entwicklung der Wasserstoffspeicherung erfordert erhebliche Zeit.
