1 Stromspeichertechnologien

Stromspeichertechnologien

Definition: • Als Stromspeicher werden Energiespeicher bezeichnet, in die durch

Stromfluß elektrische Energie über einen Energiewandler in einer anderen Energieform eingeladen wird. Die Entnahme erfolgt über den gleichen oder einen anderen Wandler durch elektrischen Strom.

• Benennung auch Sekundärspeicher, da Primärspeicher Kohlen-wasserstoffe und Kernbrennstoffe

• Direkte Speicherung von elektrischer Energie nur in Kondensatoren und Magneten

• Bei indirekter Speicherung durch Wirkungsgrad des Wandlers teilweise hohe Verluste

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Stromspeicher : Speicherarten, Möglichkeiten der Energiewandlung und die Energieform der Speicherung

30 – 100100 – 120²* 40 bar

65 – 8030 – 50

BatteriespeicherWasserstoffsp.

BatteriestromrichterElektrolyse Brennstoffzelle

Chemisch gebunden

50 - 10070Schwungrad-speicher

Motor GeneratorKinetische

5 – 8²* (60 bar)65 – 70Druckluft-speicher

Verdichter GasturbinePneu-matische

0,5 – 0,8 ²* (300bar)70 – 80Hydraulischer Pumpspeicher

Pumpe WasserturbineWasserturbine mit

Umkehrbetriebpotentielle

0,3

15

> 90

80 – 90

Kondensatorsupraleitender

Magnet

- -

- -

elektrische

elektrische

Spez. Speicher-fähigkeit* kWh/m³

Gesamtwir-kungsgrad %Speicher

WandlerLaden Entladen

Energieform

aus: VDI Lexikon Energietechnik*Abhängig von Konstruktion und Auslegung²* druckabhängig

Stromspeichertechnologien

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Stromspeichertechnologien

- Früher: Grundlastproduktion der konventionellen Kraftwerke auch nachts, erzeugten billigen Überschußstrom

Ergänzung der Spitzenlast tagsüber

- Heute : Unregelmäßige Strom- produktion durch Wind - und Solarenergie

Speicher luden regelmäßig nachts

Speicher entluden tagsüber fast regelmäßig

Speicher be - und entladen unregelmäßig

Aufgrund der Verluste erscheint Stromspeicherung nur sinnvoll bei Überproduktion in abnahmeschwachen Zeiten und Preisdifferenz zwischen Überschuß- undSpitzenlastzeiten

Erneuerbare Energien erfordern Mehraufwand in Aufbau und Regelung von Stromspeichern

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Pumpspeicherkraftwerke• Definition:

Pumpspeicherkraftwerke sind Wasserkraftwerke, die auf dem Prinzip der Pumpspeicherung beruhten, d.h. deren Speichervorrat ganz oder teilweise durch Pumpen bereitgestellt wird.

• Unterscheidung „reine“ und „gemischte“ Pumpspeicherwerke,– „reine“ füllen ihren Wasservorrat ausschließlich durch Pumpen, – „gemischte“ haben auch noch einen natürlichen Zufluß

• Geschichte: Pumpspeicherwerke in Deutschland seit 1926 ( Gesamt 600 MW) weltweiter Aufschwung seit 1950 in Ergänzung zu thermischen Grundlastkraftwerken

• Vorraussetzungen für den Bau :– Geländebedingungen – Grundfläche und Höhendifferenz, – und sonst noch Wasser, Klima und Nähe zum Leitungsnetz müssen

.vorhanden / gegeben sein

• Baugröße : 67,5 MW (Österreich) bis 2 100 MW (USA)

• Entwicklung - Wirkungsgradsteigerung : 70% (1932) 82 % (2004)

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Pumpspeicherkraftwerke

Pumpspeicherwerk Herdecke:

• (1) Hengsteysee (Unterbecken)• (2) Speichersee (Oberbecken)• (3)alte Druckleitung• (4) altes Maschinenhaus• (5) neu: unterirdischer Druckstollen

mit Maschinenhaus

• Besonderheiten: Unterbecken natürlich, Alt- und Neuanlage direkt nebeneinander

• Neuanlage: 150 MW

Quelle: www.udo-leuschner.de

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Pumpspeicherkraftwerke• Insgesamt in Deutschland: 33 Pumpspeicherwerke mit 6797 MW • Weltweit : 280 Pumpspeicherkraftwerke mit ca.50 000 - 82 000

MW (Stand 10/2004 ,MW von privater Seite)

Zu den größten zählten 2004:

900Montezic / F1 280Piastra / Italien

1 000Drakensberg / SouthA1 200Zagorsk/ehe. UdSSR

1 000Edolo / I1 212Oku-Yoshino / J

1 015Coo / B1 224Gr. Maison / F

1 024Roncovalgrande / I1 280Shi Takase-gawa /J

1 050 Markersbach / G1 600Raccoon/USA

1 060Goldisthal / G1 620Dinorwig / UK

1 080Vianden / Luxemburg1 755Ludingtow / USA

1 125Shin Tovone / J2 100Bath Country / USA

Leistung in MWAnlageLeistung in MWAnlage

Quelle : VDI –Lexikon Energietechnik

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Pumpspeicherkraftwerke

• Technische Vorteile:– Beliebig lange Vorhaltezeit, da kein Speicherverlust – Schnelle Ein- und Umschaltzeiten (45 s bis 72 s)– Augenblicksreserve

• Zukünftig : - In Deutschland kaum noch freie Geländekapazitäten, nur Modernisierung

- Weltweit weiterer Neubau, wo Kapital und Gelände gegeben

• Probleme:- Ökologische Probleme beim Neubau durch Stauwehr und neuangelegte Becken- Akzeptanszprobleme in der Bevölkerung

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Druckluftspeicher – Hybridtechnik -• Definition:

Das Druckluftspeicherkraftwerk korrekter: Druckluftspeicher-Gasturbinen-Kraftwerk ist ein Spitzenlastkraftwerk, das aus Gasturbinenanlagen besteht, bei denen Verdichter und Turbine unabhängig voneinander und damit zeitlich getrennt betrieben werden, und Speichern für verdichtete Luft.

• Neue Technologie, erstes KW 1979 in Huntorf (BRD), seitdem nur noch 1991 McIntosh (USA) englische Bennenung : Compressed Air Energy Storage CAES

• Beides Hybridwerke:

• Prinzipielle Arbeitsweise wie PumpspeicherKW plus Gasturbine was Base- und Peaklaod angeht

• im Base: Verbrennungsluft födern, verdichten auf 45 bis 60 bar und im Peak-laod nutzen der Verbrennungsluft in Gas- oder Öl-Feuerung

• Anwendung zwecks Wirkungsgradsteigerung des SpitzenlastKWs und Senkung des Brennstoffverbrauches und CO² Ausstoßes um 40 – 60 % plus Augenblicksreserve des Luftspeichers

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Druckluftspeicher

Quelle: Deutsche Energie Agentur GmbH

Konzept einer CAES – Anlage im Verbund mit einem Windpark

Adiabate

CAES –

Anlage

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Druckluftspeicher – Hybridtechnik -• Baubedingungen:

- In der Nähe von Grundlastkraftwerken oder Wind- und Solaranlagen- Vorhandensein unterirdischer Speicher z.B. Salzkavernen von Vorteil

• Daten KW Huntorf : Turbinenbetrieb 290 MW über 2 h Kompressorbetrieb 60 MW über 8 h

• Daten KW McIntosh: Turbinenleistung 110 MW über 26 h

• Zukünftig: Anwendung möglich zwischen Windpark und Netz Gleichmäßige Regelung zur Direkteinspeisung des Windstroms (möglich bei Änderung der Gesetze)

• In Planung: - EnBW in Deutschland an der Nordseeküste mit 150 bis 600 MW- mehrere Anlagen in den USA , die größte in Norton, Ohio mit 2.700 MW Speicherleistung über 8 Tage entspricht 520.000MWh

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Kondensator• Definition: Kondensatoren speichern Energie in Form eines elektrischen

Feldes.

• Formen: – konventionelle Kondensatoren (physikalische K)– Supercapacitoren ( neu: elektrochemische K)

• Supercapacitoren sind Doppelschichtkondensatoren mit Verschiebung von Elektronen und Massen (Ionen):– Entnehmbare Leistung > Batterie– Speicherbare Energie > konventioneller K

• Nachteile : Benötigter Konverter wegen fallender U(t) Kennlinie

• Daten: konv. Kondensator Supercap– Kapazität 100 F 4000 F– Energiedichte 0,4 kWh/m³ 10 kWh/m³– Energiespeicherkap. 16 kWh 40 kWh– Leistungsvermögen 10 MW 100 kW

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Kondensatoren - Supercap

Doppelschichtkondensatoren

Elektrolyt zwischen zwei Metallelektroden

Verteilung nach Aufladung

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Supraleitender magnetischer Energiespeicher

• Supraleitende magnetische Energiespeicher (SMES) speichern elektrische Energie magnetisch in Spulen aus supraleitendem Material.

• Ausgeführte SMES: konventionelle NbTi-Supraleiter, tiefgekühlt mit flüssigem Helium (Low-Temperatur)

• Erste Versuche : SMES mit Hoch-Temperatur-Supraleiter

• Installation (in einem Sägewerk): SMES (L-T) mit 250 kJ zur kurzzeitigen Lastanpassung in 2003 vom fzk (Forschungszentrum Karlruhe)

Zugriffszeit 0,02s

• Versuche mit SMES: L-T : Leistungsvermögen 1 MW bei 133 kWh Energiespeicherkapazität

• Viele Entwicklungsmöglichkeiten

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Supraleitender magnetischer Energiespeicher

SMES – Torus aus 6 Spulen , Leistung 1 MWSMES- Anlage von Kyushu Electric Power

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Schwungradspeicher• Definition: Im Schwungradspeicher wird kinetische Energie gespeichert.

• Zweck: Glättung kurzzeitiger Last- und Leistungsschwankungen• Erzielung hoher Leistungsspitzen• Überbrückung von Unterbrechungen• Speicherung• Augenblicksreserve

• Mobile (Gyrobus 1950) und stationäre Anwendung möglich, letztere kaum ausgebaut wegen– Hohem Speicherverlust – Geringer Energiedichte– Bis 1980: fehlende Materialentwicklung

• Aber: Leistungsspitzen möglich ,sowie große Zahl von Lade- und Entladevorgängen möglich und somit Nischennutzung

• Bei Weiterentwicklung (Faserverbundstoffe anstatt Stahlrotoren) vielfältige Möglichkeiten – Fahrzeuge, Glättung, Notstrom, Wissenschaft und Raumfahrt

16 Stromspeichertechnologien

Schwungradspeicher

Schwungradspeicher im Garchinger Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

Daten:

Masse 230 000 kg

max. Energieinhalt 400 kWh

Leistung bis zu 155 MW ( 10 s)

Quelle : VDI Lexikon Energietechnik

17 Stromspeichertechnologien

Batterien

• Definition: In der Regel versteht man unter Batterien die Kombination von zwei oder mehreren elektrochemischen Zellen (galvanischen Elementen) durch Parallel- oder Serienschaltung.

• Man unterscheidet: Primärbatterien Sekundärbatterien – auch Akkumulatoren gennant

• Primärbatterien – zum einmaligen Gebrauch• Sekundärbatterien – Wiederaufladbar

• Vorteil der Akkumulatoren : großer Einsatzbereich :– Stromquellen tragbarer Geräte, Starterbatterien, Automobilantriebsbatterien ,ortfeste Anlagen für die Notstromversorgung und Spitzenlastdeckung sowie Inselbetriebsnetzversorgung

• In Japan sind seit 1995 im „Moonlight Project“ zahlreiche Systeme mit 0,1 bis 6 MW installiert worden.

• In Deutschland 1994 die Batteriereserve im Inselbetrieb in Berlin abgeschaltet

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Batterien

Alter Batterieraum der Bewag Berlin -Steglitz

Quelle :VDI Lexikon Energietechnik

Akkumulatorengebäude in Ohito,Japan

Einer von 12 BatterieräumenSofortreserveleistung: 17 MW für 20 – 30 min1994 abgeschaltet

6 MW / 48 MWh NGK sodium/sulfur Batteriesystem betrieben seit 1997

Quelle: Handbook of Batteries

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Wasserstoff

• Zwischenspeicherung elektrischer Energie in Wasserstoff als späterer Brennstoff für Gasakkumulatoren – Brennstoffzellen.

• Vorteil : a) Brennstoffzelle – Leistung und Kapazität des System unabhängig voneinander wählbar

• b) Wasserstoffgas – Lagerung direkt als Gas ohne Verlust bei neuerdings wachsender technischer Realisation

• c) verschiedene Herstellungsverfahren – Technik wählbar nach RB

• Herstellungsverfahren : Dampfreformierung, Partielle Oxidation, Elektrolyse von Wasser, aus Biomasse, Kraemer – Verfahren, Thermische Dissoziation

• Nachteil : noch geringer Wirkungsgrad ca 45 %, aber : viel Forschung

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Stromspeichertechnologien• Resümee: Sehr unterschiedliche Technologien entwickelt nach Bedarf in

den letzten 130 Jahren decken ein weites Spektrum ab

• In jedem Lastbereich und für jede Anwendung, ob mobil oder stationär

• Durch die regenerativen Energiesparten Wind und Solar weiterhin viel Bedarf

• In allen Gebieten weiterhin Forschung – teilweise Wirkungsgradsprünge

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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit !

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Quellenverzeichnis• Schaefer, Helmut: „ VDI – Lexikon Energietechnik“, Verein Deutscher Ingenieure,

Düsseldorf VDI-Verlag, 1994• Carstens, Jan Hanno; „Aktives Filter mit Energiespeicher zur Anwendung mit

Windenergieanlagen“, 1. Auflage Berlin; Köster, 2002, ( Wissenschaftliche Schriftenreihe Windenergienutzung, Bd. 3), Zugl.:Berlin, Technische Universität, Dissertation 2002

• Die Deutsche Bibliothek – CIP – Einheitsaufnahme; „Energiespeicherung für elektrische Netze“ : Tagung Gelsenkirchen, 10. und 11. November 1998 / VDI – Gesellschaft Energietechnik – Düsseldorf; VDI Verlag, 1998 (VDI-Berichte ; 1404)

• Die Deutsche Bibliothek – CIP – Einheitsaufnahme; „ Entwicklungstrends in der Energietechnik“ : Vorträge der ETG-Fachtagung anlässlich des VDE – Kongresses `94 am 19. und 20. Oktober 1994 in München / Veranstalter : Energietechnische Gesellschaft im VDE (ETG). Wiss. Tagungsleitung : Wolfram BOECK _ Berlin; Offenbach: vde-verlag, 1994 (ETG-Fachberichte ; 54)

• Haus der Technik – Vortragsveröffentlichungen; „Energiespeicher“ Heft 451, Herausgeber: E. Steinmetz, Essen : Vulkan-Verlag Dr.W. Classen, 1982

• Riedel, Peter : „Einsatz supraleitender magnetischer Energiespeicher in der Energie- versorgung“ , Fortschrittsbericht, VDI Reihe 6 Nr. 314, Düsseldorf : VDI-Verlag 1994

• Linden, David ; Reddy, Thomas B.: “Handbook of Batteries“, 3. ed. New York, NY [u.a.] : McGraw-Hill, 2002

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Quellenverzeichnis

• Die Deutsche Bibliothek – CIP – Einheitsaufnahme; Winkler, Wolfgang: „Brennstoffzellenanlagen“, Berlin :Springer, 2002 ( VDI - Buch)

• Internet:• www.electricitystorage.org• „www.doc.ic.ac.uk/~mpj01/ise2grp/energystorage_report/storage.html“ • www.en-o-de.com• de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_Kraftwerke• umweltministerium.de/files/pdfs/allgemein/application/pdf/

erneuerbare_energien_zahlen.pdf• www.fzk.de• www.fzk.de/fzk/groups/oea/documents/presseinformationen/id_051940.pdf• www.destatis.de/• epp.eurostat.ec.europa.eu/• epp.eurostat.ec.europa.eu/portal/page?

_pageid=1090,30070682,1090_33076576&_dad=portal&_schema=PORTAL

24 Stromspeichertechnologien

Quellenverzeichnis

• Internet:• www.vattenfall.de/bewag• politikwiki.de• www.bineinfo.de• http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/AKE_Archiv/AKE2003H/

AKE2003H_Vortraege/AKE2003H03_Crotogino_CAES_Windausgleich.pdf• www.enviam-welt.de/welt/energie_und_wissen• www.mygeo.info/statistiken.html• www.rwe.com/generator.aspx/rwe-power-icw/standorte/wasserkraftwerke/

herdecke/language=de/id=8798/herdecke-page.html • www.udo-leuschner.de/basiswissen/SB107-002.htm• www.udomi.de/fuelcell/ultracap-basics.html • www.verivox.de/News/

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Quellenverzeichnis

• Internet:• www.eglofs.rv.schule-bw.de/energie• www.energie-fakten.de• Energie1.physik.uni-heidelberg.de• www.heise.de/newsticker• www.heise.de/tr/artikel• www.rosseta.de• de.geocities.com/infotaxi/

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Backup

27 Stromspeichertechnologien

Batterien

Leistung Belastung Batteriesystem Anwendungsgebiete

Gering Hoch NiCd-Akku, ZnHg , ZnAg

Radio, Hörgerät, Blitzgerät

Mittel Mittel Pb-Akku, NiCd, CdAg, Lith, AlMn

Rechner, elekt. Instrumente, Funkgeräte, Gaswarngeräte

Hoch Pb-Akku, NiCd, ZnAg, CdAg, Li-Polymer

Notbeleuchtung, tragbare Werkzeuge, Alarmsysteme

Groß Mittel Pb-Akku, NiCd, FeNi Eisenbahn-Signalanlagen, U-Boot Antriebe, Gabelstapler

Hoch Pb-Akku, NiCd, ZnAg, Weiterentwicklungen :Metall/Luft, Zn/Br, Na/NiCl, Na/S

Flutlicht, Notstrom, E-Mobile, Starterbatterien für med. Apparate, Satelliten, Spitzenlastspeicher

Übersicht über Sekundärbatterietypen – Benennung nach Material

Knopfzellen

Tragbare

Batterien

Stationäre und Fahrzeug- Batterien sowie Speicher

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Batterien• Übersicht über Sekundärbatterietypen – Bennenung nach Material

Leistung Batteriesystem Anwendungsgebietegering NiCd –Nickel-Cadmium-Akku Radio, Hörgeräte, BlitzgeräteKnopfzellen

Mittel Pb-Bleiakku, NiCd - Akku, CdAg –Akku Rechner, elektr. Instrumente,Tragbare Batterien Lith, LithIo, AlMn, Funkgeräte, Gaswarngeräte

Belastung hoch: Pb-Akku , NiCd , ZnAg , CdAg Notbeleuchtungen, Alarmsysteme

Li-Polymer Tragbare Werkzeuge

Groß Belastung mittel: Pb, CdNi, FeNi Eisenbahn-Signalanlagen, Stationäre u. Unterwasserantriebe, GabelstaplerFahrzeugbatterien

Belastung hoch: Pb, CdNi, ZnAg und Flutlicht, Notstrom, Weiterentwicklungen wie Metall/Luft , Starterbatterien für med. Apparate, ZnBr -Akku, Sodium/Nickel-Chloride Stromversorgung in Satelliten,

und Sodium/Sulfur-Akku (NaS) E-Mobile, Spitzenlastspeicher