Energiespeicherung

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Energiespeicherung

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Die folgende Liste enthält eine Vielzahl von Arten der Energiespeicherung:

MechanischEdit

Energie kann in Wasser gespeichert werden, das mit Hilfe von Pumpspeichermethoden in höhere Lagen gepumpt wird, oder indem Feststoffe in höhere Lagen gebracht werden (Schwerkraftbatterien). Andere kommerzielle mechanische Methoden umfassen die Komprimierung von Luft und Schwungräder, die elektrische Energie in interne Energie oder kinetische Energie umwandeln und dann wieder zurück, wenn die elektrische Nachfrage Spitzenwerte erreicht.

WasserkraftBearbeiten

Wasserkraftwerke mit Stauseen können so betrieben werden, dass sie zu Zeiten der größten Nachfrage Strom liefern. Das Wasser wird in Zeiten geringer Nachfrage im Stausee gespeichert und bei hoher Nachfrage abgelassen. Der Nettoeffekt ist ähnlich wie bei der Pumpspeicherung, jedoch ohne den Pumpverlust.

Ein Staudamm speichert zwar nicht direkt Energie aus anderen Kraftwerken, verhält sich aber gleichwertig, indem er die Leistung in Zeiten überschüssigen Stroms aus anderen Quellen senkt. In diesem Modus sind Staudämme eine der effizientesten Formen der Energiespeicherung, da sich nur der Zeitpunkt der Erzeugung ändert. Wasserturbinen haben eine Anlaufzeit in der Größenordnung von wenigen Minuten.

Pumpspeicherkraft

Der Sir Adam Beck Generating Complex an den Niagarafällen, Kanada, umfasst ein großes Pumpspeicherreservoir, das in Zeiten des Spitzenbedarfs zusätzliche 174 MW Strom liefert.

Weltweit ist die Pumpspeicherkraft (PSH) die leistungsstärkste Form der aktiven Energiespeicherung im Netz, und im März 2012 berichtete das Electric Power Research Institute (EPRI), dass PSH mehr als 99 % der weltweiten Speicherkapazität ausmacht, was etwa 127.000 MW entspricht. Die Energieeffizienz von PSH schwankt in der Praxis zwischen 70 % und 80 %, mit Angaben von bis zu 87 %.

In Zeiten geringer elektrischer Nachfrage wird überschüssige Erzeugungskapazität genutzt, um Wasser aus einer tiefer gelegenen Quelle in ein höher gelegenes Reservoir zu pumpen. Wenn der Bedarf steigt, wird das Wasser über eine Turbine in ein tiefer gelegenes Reservoir (oder einen Wasserweg oder ein Gewässer) zurückgeführt und Strom erzeugt. Umkehrbare Turbinen-Generator-Baugruppen fungieren sowohl als Pumpe als auch als Turbine (in der Regel eine Francis-Turbine). Nahezu alle Anlagen nutzen den Höhenunterschied zwischen zwei Gewässern. Reine Pumpspeicherkraftwerke verschieben das Wasser zwischen Stauseen, während der „Pump-back“-Ansatz eine Kombination aus Pumpspeicherkraftwerken und konventionellen Wasserkraftwerken ist, die den natürlichen Stromfluss nutzen.

DruckluftBearbeiten

Eine Druckluftlokomotive, die zwischen 1928 und 1961 in einem Bergwerk eingesetzt wurde.

Die Druckluftspeicherung (CAES) nutzt überschüssige Energie, um Luft für die anschließende Stromerzeugung zu verdichten. Kleinere Systeme werden seit langem für Anwendungen wie den Antrieb von Grubenlokomotiven eingesetzt. Die komprimierte Luft wird in einem unterirdischen Reservoir, z. B. einem Salzstock, gespeichert.

Druckluftspeicherkraftwerke (CAES) können die Lücke zwischen Produktionsschwankungen und Last überbrücken. CAES-Speicher decken den Energiebedarf der Verbraucher, indem sie schnell verfügbare Energie zur Deckung der Nachfrage bereitstellen. Erneuerbare Energiequellen wie Wind- und Sonnenenergie schwanken. In Zeiten, in denen sie nur wenig Energie liefern, müssen sie durch andere Energieformen ergänzt werden, um den Energiebedarf zu decken. Druckluftspeicherkraftwerke können die überschüssige Energieproduktion der erneuerbaren Energiequellen in Zeiten der Überproduktion aufnehmen. Diese gespeicherte Energie kann zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden, wenn die Nachfrage nach Strom steigt oder die Verfügbarkeit von Energieressourcen sinkt.

Bei der Kompression von Luft entsteht Wärme; die Luft ist nach der Kompression wärmer. Die Expansion erfordert Wärme. Wenn keine zusätzliche Wärme zugeführt wird, ist die Luft nach der Expansion viel kälter. Wenn die bei der Kompression erzeugte Wärme gespeichert und bei der Expansion genutzt werden kann, verbessert sich der Wirkungsgrad erheblich. Ein CAES-System kann auf drei Arten mit der Wärme umgehen. Die Luftspeicherung kann adiabatisch, diabatisch oder isotherm sein. Ein anderer Ansatz nutzt Druckluft für den Antrieb von Fahrzeugen.

SchwungradBearbeiten

Die Hauptkomponenten eines typischen Schwungrads.

Ein Flybrid-Schwungrad mit kinetischem Energierückgewinnungssystem. Es wurde für den Einsatz in Formel-1-Rennwagen entwickelt und dient der Rückgewinnung und Wiederverwendung der beim Bremsen gewonnenen kinetischen Energie.

Die Schwungrad-Energiespeicherung (FES) funktioniert, indem ein Rotor (ein Schwungrad) auf eine sehr hohe Geschwindigkeit beschleunigt wird und Energie als Rotationsenergie speichert. Wenn Energie zugeführt wird, erhöht sich die Rotationsgeschwindigkeit des Schwungrads, und wenn Energie entnommen wird, sinkt die Geschwindigkeit aufgrund der Energieerhaltung.

Die meisten FES-Systeme verwenden Elektrizität, um das Schwungrad zu beschleunigen und abzubremsen, aber es werden auch Geräte in Betracht gezogen, die direkt mechanische Energie verwenden.

FES-Systeme haben Rotoren aus hochfesten Kohlefaserverbundwerkstoffen, die an Magnetlagern aufgehängt sind und sich mit Geschwindigkeiten von 20.000 bis über 50.000 Umdrehungen pro Minute (U/min) in einem Vakuumgehäuse drehen. Solche Schwungräder können innerhalb weniger Minuten ihre Höchstgeschwindigkeit erreichen (Aufladung“). Das Schwungradsystem ist an einen kombinierten Elektromotor/Generator angeschlossen.

FES-Systeme haben eine relativ lange Lebensdauer (jahrzehntelang mit wenig oder gar keiner Wartung; die für Schwungräder angegebene Lebensdauer bei vollem Zyklus liegt bei über 105 bis 107 Nutzungszyklen), eine hohe spezifische Energie (100-130 W-h/kg oder 360-500 kJ/kg) und eine hohe Leistungsdichte.

Festkörper-Gravitation Bearbeiten

Die Veränderung der Höhe fester Massen kann über ein von einem Elektromotor/Generator angetriebenes Hebesystem Energie speichern oder freisetzen. Studien deuten darauf hin, dass die Freisetzung von Energie bereits nach einer Vorwarnzeit von nur einer Sekunde beginnen kann, was die Methode zu einer nützlichen zusätzlichen Einspeisung in ein Stromnetz macht, um Lastspitzen auszugleichen.

Die Effizienz kann bis zu 85 % Rückgewinnung der gespeicherten Energie betragen.

Dies kann erreicht werden, indem die Massen in alten vertikalen Bergwerksschächten oder in speziell konstruierten Türmen untergebracht werden, wo die schweren Gewichte hochgezogen werden, um Energie zu speichern, und ein kontrollierter Abstieg ermöglicht wird, um sie freizusetzen. Im Jahr 2020 wird in Edinburgh, Schottland, ein Prototyp eines vertikalen Speichers gebaut

Die potenzielle Energiespeicherung oder Schwerkraftspeicherung wurde 2013 in Zusammenarbeit mit dem California Independent System Operator aktiv entwickelt. Untersucht wurde die Bewegung von mit Erde gefüllten, von Elektrolokomotiven angetriebenen Trichterwagen von niedrigeren zu höheren Lagen.

Andere vorgeschlagene Methoden sind:

• Verwendung von Schienen und Kränen, um Betongewichte auf und ab zu bewegen;
• Verwendung von solarbetriebenen Ballonplattformen in großer Höhe, die Winden zum Heben und Senken fester Massen tragen, die unter ihnen aufgehängt sind;
• Verwendung von Winden, die von einem Lastkahn getragen werden, um einen Höhenunterschied von 4 km zwischen der Meeresoberfläche und dem Meeresboden auszunutzen,

Fernwärmespeicherturm von Theiss bei Krems an der Donau in Niederösterreich mit einer Wärmeleistung von 2 GWh

ThermalEdit

Thermische Energiespeicherung (TES) ist die vorübergehende Speicherung oder Entnahme von Wärme.

Sensorische WärmespeicherungEdit

Sensorische Wärmespeicherung nutzt die fühlbare Wärme in einem Material, um Energie zu speichern.

Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) ermöglicht die Nutzung von Wärme oder Kälte noch Monate, nachdem sie aus Abfällen oder natürlichen Quellen gewonnen wurde. Das Material kann in geschlossenen Aquiferen, in Bohrlöchern in geologischen Substraten wie Sand oder kristallinem Grundgestein, in ausgekleideten, mit Kies und Wasser gefüllten Gruben oder in wassergefüllten Minen gespeichert werden. Projekte zur saisonalen thermischen Energiespeicherung (STES) haben oft eine Amortisationszeit von vier bis sechs Jahren. Ein Beispiel dafür ist die Drake Landing Solar Community in Kanada, in der 97 % der ganzjährigen Wärme durch solarthermische Kollektoren auf den Garagendächern bereitgestellt wird, wobei ein thermischer Bohrlochspeicher (BTES) die Basistechnologie darstellt. In Braedstrup, Dänemark, nutzt das solare Fernwärmesystem der Gemeinde ebenfalls STES mit einer Temperatur von 65 °C (149 °F). Eine Wärmepumpe, die nur in Betrieb ist, wenn überschüssiger Windstrom aus dem nationalen Netz zur Verfügung steht, wird eingesetzt, um die Temperatur für die Verteilung auf 80 °C zu erhöhen. Steht kein überschüssiger Windstrom zur Verfügung, wird ein gasbefeuerter Heizkessel verwendet. Zwanzig Prozent des Wärmebedarfs von Braedstrup werden durch Solarenergie gedeckt.

Latentwärme-Thermalspeicher (LHTES)

Latentwärme-Thermalspeichersysteme funktionieren durch die Übertragung von Wärme auf oder von einem Material, um dessen Phase zu ändern. Ein Phasenwechsel ist das Schmelzen, Verfestigen, Verdampfen oder Verflüssigen. Ein solches Material wird als Phasenwechselmaterial (PCM) bezeichnet. Die in LHTES verwendeten Materialien haben oft eine hohe latente Wärme, so dass der Phasenwechsel bei ihrer spezifischen Temperatur eine große Menge an Energie absorbiert, viel mehr als die fühlbare Wärme.

Ein Dampfspeicher ist eine Art von LHTES, bei dem der Phasenwechsel zwischen Flüssigkeit und Gas stattfindet und die latente Verdampfungswärme von Wasser genutzt wird. Eisspeicher-Klimaanlagen nutzen Strom in der Schwachlastzeit, um Kälte zu speichern, indem Wasser zu Eis gefriert. Die im Eis gespeicherte Kälte wird während des Schmelzvorgangs freigesetzt und kann in Spitzenzeiten zur Kühlung verwendet werden.

Kryogene thermische EnergiespeicherungBearbeiten

Siehe Hauptartikel Kryogene Energiespeicherung

Luft kann durch Kühlen mit Hilfe von Strom verflüssigt und mit bestehenden Technologien als Kryogen gespeichert werden. Die flüssige Luft kann dann durch eine Turbine entspannt und die Energie als Strom zurückgewonnen werden. Das System wurde 2012 in einer Pilotanlage im Vereinigten Königreich demonstriert. 2019 kündigte Highview Pläne zum Bau einer 50-MW-Anlage in Nordengland und im nördlichen Vermont an, wobei die geplante Anlage fünf bis acht Stunden Energie speichern kann, was einer Speicherkapazität von 250-400 MWh entspricht.

Carnot-BatterieBearbeiten

Siehe Hauptartikel Carnot-Batterie

Elektrische Energie kann in Wärmespeichern durch Widerstandsheizung oder Wärmepumpen gespeichert werden, und die gespeicherte Wärme kann über den Rankine-Zyklus oder den Brayton-Zyklus wieder in Elektrizität umgewandelt werden.Diese Technologie wurde erforscht, um alte Kohlekraftwerke in fossilfreie Erzeugungssysteme umzurüsten. Kohlebefeuerte Kessel werden durch Hochtemperatur-Wärmespeicher ersetzt, die durch überschüssigen Strom aus variablen erneuerbaren Energiequellen aufgeladen werden.2020 beginnt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt mit dem Bau des weltweit ersten groß angelegten Carnot-Batteriesystems, das eine Speicherkapazität von 1.000 MWh hat.

ElektrochemieBearbeiten

Wiederaufladbare BatterieBearbeiten

Eine wiederaufladbare Batteriebank, die als unterbrechungsfreie Stromversorgung in einem Rechenzentrum verwendet wird

Eine wiederaufladbare Batterie besteht aus einer oder mehreren elektrochemischen Zellen. Er wird als „Sekundärzelle“ bezeichnet, weil seine elektrochemischen Reaktionen elektrisch reversibel sind. Wiederaufladbare Batterien gibt es in vielen Formen und Größen, von Knopfzellen bis hin zu Megawatt-Netzsystemen.

Wiederaufladbare Batterien haben geringere Gesamtnutzungskosten und Umweltauswirkungen als nicht wiederaufladbare (Einweg-)Batterien. Einige wiederaufladbare Batterietypen sind in den gleichen Formfaktoren wie Einwegbatterien erhältlich. Wiederaufladbare Batterien haben höhere Anschaffungskosten, können aber sehr billig wiederaufgeladen und viele Male verwendet werden.

Gängige wiederaufladbare Batterietypen sind:

• Bleisäurebatterie: Blei-Säure-Batterien haben den größten Marktanteil unter den elektrischen Speicherprodukten. Eine einzelne Zelle erzeugt im geladenen Zustand etwa 2 V. Im geladenen Zustand sind die negative Elektrode aus metallischem Blei und die positive Elektrode aus Bleisulfat in einen verdünnten Schwefelsäure-Elektrolyten (H2SO4) eingetaucht. Bei der Entladung werden die Elektronen aus der Zelle verdrängt, da sich an der negativen Elektrode Bleisulfat bildet, während der Elektrolyt zu Wasser reduziert wird.

• Die Blei-Säure-Batterie-Technologie wurde in großem Umfang entwickelt. Die Wartung erfordert nur minimalen Arbeitsaufwand und ihre Kosten sind gering. Die verfügbare Energiekapazität der Batterie unterliegt einer schnellen Entladung, was zu einer geringen Lebensdauer und einer niedrigen Energiedichte führt.

• Nickel-Cadmium-Batterie (NiCd): Verwendet Nickeloxidhydroxid und metallisches Cadmium als Elektroden. Cadmium ist ein giftiges Element und wurde 2004 von der Europäischen Union für die meisten Anwendungen verboten. Nickel-Cadmium-Batterien sind fast vollständig durch Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH) ersetzt worden.
• Nickel-Metallhydrid-Batterie (NiMH): Erste kommerzielle Typen waren 1989 verfügbar. Sie sind heute ein gängiger Verbraucher- und Industrietyp. Die Batterie hat eine wasserstoffabsorbierende Legierung für die negative Elektrode anstelle von Cadmium.
• Lithium-Ionen-Batterie: Die Wahl in vielen Unterhaltungselektronik und haben eine der besten Energie-zu-Masse-Verhältnis und eine sehr langsame Selbstentladung, wenn nicht in Gebrauch.
• Lithium-Ionen-Polymer-Akku: Diese Batterien sind leicht und können in jeder gewünschten Form hergestellt werden.

FlussbatterieBearbeiten

Eine Durchflussbatterie funktioniert, indem eine Lösung über eine Membran geleitet wird, wo Ionen ausgetauscht werden, um die Zelle zu laden oder zu entladen. Die Zellspannung wird chemisch durch die Nernst-Gleichung bestimmt und liegt in praktischen Anwendungen zwischen 1,0 V und 2,2 V. Die Speicherkapazität hängt vom Volumen der Lösung ab. Eine Durchflussbatterie ist technisch sowohl mit einer Brennstoffzelle als auch mit einer elektrochemischen Akkumulatorzelle verwandt. Kommerzielle Anwendungen sind die Speicherung von Strom über lange Halbzyklen, z. B. als Reserve für das Stromnetz.

SuperkondensatorBearbeiten

Einer einer Flotte von Elektrobussen, die mit Superkondensatoren betrieben werden, an einer Schnellladestation-Bushaltestelle, die während der Expo 2010 in Shanghai China in Betrieb ist. Über dem Bus sind Ladeschienen zu sehen.

Superkondensatoren, auch elektrische Doppelschichtkondensatoren (EDLC) oder Ultrakondensatoren genannt, sind eine Familie von elektrochemischen Kondensatoren, die kein herkömmliches festes Dielektrikum besitzen. Die Kapazität wird durch zwei Speicherprinzipien bestimmt, die Doppelschichtkapazität und die Pseudokapazität.

Superkondensatoren schließen die Lücke zwischen herkömmlichen Kondensatoren und wiederaufladbaren Batterien. Sie speichern die meiste Energie pro Volumen- oder Masseneinheit (Energiedichte) unter den Kondensatoren. Sie können bis zu 10.000 Farad/1,2 Volt speichern, das ist bis zu 10.000 Mal mehr als Elektrolytkondensatoren, liefern oder nehmen aber weniger als halb so viel Energie pro Zeiteinheit auf (Leistungsdichte).

Superkondensatoren haben zwar eine spezifische Energie und Energiedichte, die etwa 10 % der von Batterien beträgt, aber ihre Leistungsdichte ist im Allgemeinen 10 bis 100 Mal höher. Dies führt zu viel kürzeren Lade-/Entladezyklen. Außerdem vertragen sie viel mehr Lade-/Entladezyklen als Batterien.

Superkondensatoren haben viele Anwendungen, darunter:

• Niedriger Versorgungsstrom für Speicher-Backups in statischen Direktzugriffsspeichern (SRAM)
• Energie für Autos, Busse, Züge, Kräne und Aufzüge, einschließlich Energierückgewinnung beim Bremsen, Kurzzeit-Energiespeicherung und Burst-Modus-Stromversorgung

Andere chemischeEdit

Energie für GasEdit

Power to Gas ist die Umwandlung von Elektrizität in einen gasförmigen Brennstoff wie Wasserstoff oder Methan. Bei den drei kommerziellen Methoden wird Strom verwendet, um Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen.

Bei der ersten Methode wird Wasserstoff in das Erdgasnetz eingespeist oder für den Transport verwendet. Bei der zweiten Methode wird der Wasserstoff mit Kohlendioxid kombiniert, um mit Hilfe einer Methanisierungsreaktion wie der Sabatier-Reaktion oder der biologischen Methanisierung Methan zu erzeugen, was zu einem zusätzlichen Energieumwandlungsverlust von 8 % führt. Das Methan kann dann in das Erdgasnetz eingespeist werden. Die dritte Methode verwendet das Ausgangsgas eines Holzgasgenerators oder einer Biogasanlage, nachdem der Biogasaufbereiter mit dem Wasserstoff aus dem Elektrolyseur gemischt wurde, um die Qualität des Biogases zu verbessern.

WasserstoffBearbeiten

Das Element Wasserstoff kann eine Form der gespeicherten Energie sein. Wasserstoff kann über eine Wasserstoff-Brennstoffzelle Elektrizität erzeugen.

Bei einem Anteil von weniger als 20 % der Netznachfrage haben erneuerbare Energien keine gravierenden Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit; bei einem Anteil von mehr als 20 % der Gesamtnachfrage wird jedoch die externe Speicherung wichtig. Wenn diese Quellen zur Herstellung von ionischem Wasserstoff genutzt werden, können sie beliebig erweitert werden. In der abgelegenen Gemeinde Ramea in Neufundland und Labrador wurde 2007 ein fünfjähriges gemeindebasiertes Pilotprogramm mit Windturbinen und Wasserstoffgeneratoren gestartet. Ein ähnliches Projekt wurde 2004 auf Utsira, einer kleinen norwegischen Insel, gestartet.

Die Energieverluste im Wasserstoffspeicherzyklus entstehen durch die Elektrolyse des Wassers, die Verflüssigung oder Komprimierung des Wasserstoffs und die Umwandlung in Elektrizität.

Zur Herstellung eines Kilogramms Wasserstoff werden etwa 50 kW-h (180 MJ) Solarenergie benötigt, so dass die Stromkosten entscheidend sind. Bei 0,03 $/kWh, einem in den Vereinigten Staaten üblichen Tarif für Hochspannungsleitungen außerhalb der Spitzenzeiten, kostet der Wasserstoff 1,50 $ pro Kilogramm Strom, was 1,50 $/Gallone Benzin entspricht. Zu den weiteren Kosten gehören die Elektrolyseur-Anlage, Wasserstoffkompressoren oder Verflüssigung, Lagerung und Transport.

Wasserstoff kann auch aus Aluminium und Wasser hergestellt werden, indem die natürlich vorkommende Aluminiumoxid-Barriere des Aluminiums abgetragen und in Wasser eingebracht wird. Diese Methode ist vorteilhaft, da recycelte Aluminiumdosen zur Wasserstofferzeugung verwendet werden können. Allerdings sind Systeme zur Nutzung dieser Option noch nicht kommerziell entwickelt worden und sind viel komplexer als Elektrolysesysteme. Zu den üblichen Methoden zur Entfernung der Oxidschicht gehören ätzende Katalysatoren wie Natriumhydroxid und Legierungen mit Gallium, Quecksilber und anderen Metallen.

Unterirdische Wasserstoffspeicherung ist die Speicherung von Wasserstoff in Kavernen, Salzstöcken und erschöpften Öl- und Gasfeldern. Große Mengen an gasförmigem Wasserstoff werden von Imperial Chemical Industries seit vielen Jahren problemlos in Kavernen gespeichert. Das europäische Hyunder-Projekt wies 2013 darauf hin, dass für die Speicherung von Wind- und Solarenergie mit unterirdischem Wasserstoff 85 Kavernen erforderlich wären.

Powerpaste ist ein flüssiges Gel auf Magnesium- und Wasserstoffbasis, das bei der Reaktion mit Wasser Wasserstoff freisetzt. Es wurde vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) der Fraunhofer-Gesellschaft erfunden, patentiert und wird weiterentwickelt. Zur Herstellung von Powerpaste wird Magnesiumpulver mit Wasserstoff zu Magnesiumhydrid in einem Prozess bei 350 °C und dem fünf- bis sechsfachen Atmosphärendruck verbunden. Anschließend werden ein Ester und ein Metallsalz hinzugefügt, um das fertige Produkt zu erhalten. Fraunhofer gibt an, eine Produktionsanlage zu bauen, die 2021 in Betrieb gehen und jährlich 4 Tonnen Powerpaste herstellen soll. Fraunhofer hat seine Erfindung in den USA und der EU patentieren lassen. Fraunhofer behauptet, dass Powerpaste in der Lage ist, Wasserstoffenergie mit der 10-fachen Energiedichte einer Lithiumbatterie ähnlicher Größe zu speichern und sicher und komfortabel für den Einsatz im Auto ist.

MethanBearbeiten

Methan ist der einfachste Kohlenwasserstoff mit der Summenformel CH4. Methan lässt sich leichter speichern und transportieren als Wasserstoff. Die Infrastruktur für Speicherung und Verbrennung (Pipelines, Gasometer, Kraftwerke) ist ausgereift.

Synthetisches Erdgas (Syngas oder SNG) kann in einem mehrstufigen Prozess erzeugt werden, der mit Wasserstoff und Sauerstoff beginnt. Wasserstoff wird dann mit Kohlendioxid in einem Sabatier-Prozess umgesetzt, wobei Methan und Wasser entstehen. Das Methan kann gespeichert und später zur Stromerzeugung verwendet werden. Das entstehende Wasser wird recycelt, wodurch der Wasserbedarf gesenkt wird. In der Elektrolysephase wird Sauerstoff für die Methanverbrennung in einer reinen Sauerstoffumgebung in einem benachbarten Kraftwerk gespeichert, wodurch Stickoxide vermieden werden.

Bei der Methanverbrennung entstehen Kohlendioxid (CO2) und Wasser. Das Kohlendioxid kann recycelt werden, um den Sabatier-Prozess zu unterstützen, und das Wasser kann für eine weitere Elektrolyse wiederverwendet werden. Bei der Herstellung, Speicherung und Verbrennung von Methan werden die Reaktionsprodukte recycelt.

Das CO2 hat einen wirtschaftlichen Wert als Bestandteil eines Energiespeichervektors, nicht als Kostenfaktor wie bei der Kohlenstoffabscheidung und -speicherung.

Power-to-LiquidBearbeiten

Power-to-Liquid ist ähnlich wie Power-to-Gas, nur dass der Wasserstoff in Flüssigkeiten wie Methanol oder Ammoniak umgewandelt wird. Diese sind einfacher zu handhaben als Gase und erfordern weniger Sicherheitsvorkehrungen als Wasserstoff. Sie können für den Transport, einschließlich Flugzeugen, aber auch für industrielle Zwecke oder im Energiesektor verwendet werden.

BiokraftstoffeBearbeiten

Verschiedene Biokraftstoffe wie Biodiesel, Pflanzenöl, Alkoholkraftstoffe oder Biomasse können fossile Kraftstoffe ersetzen. Verschiedene chemische Prozesse können den Kohlenstoff und Wasserstoff in Kohle, Erdgas, pflanzlicher und tierischer Biomasse und organischen Abfällen in kurze Kohlenwasserstoffe umwandeln, die als Ersatz für bestehende Kohlenwasserstoffkraftstoffe geeignet sind. Beispiele hierfür sind Fischer-Tropsch-Diesel, Methanol, Dimethylether und Synthesegas. Diese Dieselquelle wurde im Zweiten Weltkrieg in Deutschland, das nur begrenzt Zugang zu Rohöl hatte, ausgiebig genutzt. Aus ähnlichen Gründen wird in Südafrika der meiste Diesel aus Kohle hergestellt. Ein langfristiger Ölpreis von über 35 US$/Barrel könnte solche synthetischen Flüssigbrennstoffe in großem Maßstab wirtschaftlich machen.

AluminiumEdit

Aluminium wurde von einer Reihe von Forschern als Energiespeicher vorgeschlagen. Sein elektrochemisches Äquivalent (8,04 Ah/cm3) ist fast viermal so groß wie das von Lithium (2,06 Ah/cm3). Energie kann aus Aluminium gewonnen werden, indem man es mit Wasser zu Wasserstoff umsetzt. Dazu muss es jedoch zunächst von seiner natürlichen Oxidschicht befreit werden, was eine Zerkleinerung, chemische Reaktionen mit ätzenden Substanzen oder Legierungen erfordert. Das Nebenprodukt der Reaktion zur Erzeugung von Wasserstoff ist Aluminiumoxid, das mit dem Hall-Héroult-Verfahren zu Aluminium recycelt werden kann, wodurch die Reaktion theoretisch erneuerbar ist. Wenn das Hall-Héroult-Verfahren mit Sonnen- oder Windenergie betrieben wird, könnte Aluminium zur Speicherung der erzeugten Energie verwendet werden, und zwar mit einem höheren Wirkungsgrad als bei der direkten Solarelektrolyse.

Bor, Silizium und ZinkEdit

Bor, Silizium und Zink wurden als Energiespeicherlösungen vorgeschlagen.

Andere ChemikalienEdit

Die organische Verbindung Norbornadien wandelt sich bei Lichteinwirkung in Quadricyclan um und speichert Sonnenenergie als Energie chemischer Bindungen. Ein funktionierendes System wurde in Schweden als molekulares solarthermisches System entwickelt.

Elektrische MethodenBearbeiten

KondensatorBearbeiten

Dieser mit Öl gefüllte Mylar-Folie-Kondensator hat eine sehr niedrige Induktivität und einen geringen Widerstand, um die hohe Leistung (70 Megawatt) und die sehr hohe Geschwindigkeit (1.2 Mikrosekunden) Entladungen zu ermöglichen, die für den Betrieb eines Farbstofflasers erforderlich sind.

Ein Kondensator (ursprünglich als „Kondensator“ bezeichnet) ist ein passives elektrisches Bauteil mit zwei Anschlüssen, das zur elektrostatischen Speicherung von Energie verwendet wird. Praktische Kondensatoren sind sehr unterschiedlich, aber alle enthalten mindestens zwei elektrische Leiter (Platten), die durch ein Dielektrikum (d. h. einen Isolator) getrennt sind. Ein Kondensator kann elektrische Energie speichern, wenn er von seinem Ladestromkreis getrennt ist. Er kann also wie eine temporäre Batterie oder wie andere wiederaufladbare Energiespeichersysteme verwendet werden. Kondensatoren werden häufig in elektronischen Geräten verwendet, um die Stromversorgung aufrechtzuerhalten, während die Batterien gewechselt werden. (Dies verhindert den Verlust von Informationen in flüchtigen Speichern.) Herkömmliche Kondensatoren liefern weniger als 360 Joule pro Kilogramm, während eine herkömmliche Alkalibatterie eine Dichte von 590 kJ/kg aufweist.

Kondensatoren speichern Energie in einem elektrostatischen Feld zwischen ihren Platten. Bei einer Potenzialdifferenz zwischen den Leitern (z. B. wenn ein Kondensator an eine Batterie angeschlossen ist) entwickelt sich ein elektrisches Feld über dem Dielektrikum, wodurch sich positive Ladung (+Q) auf einer Platte und negative Ladung (-Q) auf der anderen Platte sammelt. Wenn eine Batterie für eine ausreichende Zeit an einen Kondensator angeschlossen ist, kann kein Strom durch den Kondensator fließen. Wird jedoch eine Beschleunigungs- oder Wechselspannung an die Anschlüsse des Kondensators angelegt, kann ein Verschiebungsstrom fließen. Neben Kondensatorplatten kann Ladung auch in einer dielektrischen Schicht gespeichert werden.

Die Kapazität ist größer, wenn der Abstand zwischen den Leitern geringer ist und wenn die Leiter eine größere Oberfläche haben. In der Praxis gibt das Dielektrikum zwischen den Platten eine geringe Menge an Leckstrom ab und hat eine Grenze der elektrischen Feldstärke, die als Durchbruchspannung bezeichnet wird. Der Effekt der Erholung eines Dielektrikums nach einem Hochspannungsdurchbruch verspricht jedoch eine neue Generation von selbstheilenden Kondensatoren. Die Leiter und Leitungen bringen unerwünschte Induktivität und Widerstand mit sich.

Die Forschung untersucht die Quanteneffekte von nanoskaligen Kondensatoren für digitale Quantenbatterien.

Supraleitende MagnetikBearbeiten

Supraleitende magnetische Energiespeichersysteme (SMES) speichern Energie in einem Magnetfeld, das durch den Gleichstromfluss in einer supraleitenden Spule erzeugt wird, die auf eine Temperatur unterhalb ihrer kritischen Supraleitungs-Temperatur abgekühlt wurde. Ein typisches SMES-System besteht aus einer supraleitenden Spule, einem Stromaufbereitungssystem und einem Kühlschrank. Sobald die supraleitende Spule aufgeladen ist, klingt der Strom nicht mehr ab und die magnetische Energie kann unbegrenzt gespeichert werden.

Die gespeicherte Energie kann durch Entladung der Spule an das Netz abgegeben werden. Der zugehörige Wechselrichter/Gleichrichter ist für etwa 2-3 % Energieverlust in jeder Richtung verantwortlich. Im Vergleich zu anderen Methoden der Energiespeicherung geht bei SMES die geringste Menge an Strom verloren. SMES-Systeme bieten einen Wirkungsgrad von mehr als 95 %.

Aufgrund des Energiebedarfs für die Kühlung und der Kosten für supraleitende Drähte wird SMES für die Kurzzeitspeicherung verwendet, z. B. zur Verbesserung der Stromqualität. Es gibt auch Anwendungen für den Netzausgleich.