Stromspeichertechnologien

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1 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 1 Stromspeichertechnologien

2 Stromspeichertechnologien
Stromspeicher : Speicherarten, Möglichkeiten der Energiewandlung und die Energieform der Speicherung 30 – 100 100 – 120²* 40 bar 65 – 80 30 – 50 Batteriespeicher Wasserstoffsp. Batteriestromrichter Elektrolyse Brennstoffzelle Chemisch gebunden 70 Schwungrad- speicher Motor Generator Kinetische 5 – 8²* (60 bar) 65 – 70 Druckluft- speicher Verdichter Gasturbine Pneu- matische 0,5 – 0,8 ²* (300bar) 70 – 80 Hydraulischer Pumpspeicher Pumpe Wasserturbine Wasserturbine mit Umkehrbetrieb potentielle 0,3 15 > 90 80 – 90 Kondensator supraleitender Magnet - elektrische Spez. Speicher- fähigkeit* kWh/m³ Gesamtwir- kungsgrad % Speicher Wandler Laden Entladen Energieform *Abhängig von Konstruktion und Auslegung ²* druckabhängig aus: VDI Lexikon Energietechnik 2 Stromspeichertechnologien

3 Stromspeichertechnologien
Aufgrund der Verluste erscheint Stromspeicherung nur sinnvoll bei Überproduktion in abnahmeschwachen Zeiten und Preisdifferenz zwischen Überschuß- und Spitzenlastzeiten - 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 Erneuerbare Energien erfordern Mehraufwand in Aufbau und Regelung von Stromspeichern 3 Stromspeichertechnologien

4 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 ( 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 MW (USA) Entwicklung - Wirkungsgradsteigerung : 70% (1932) % (2004) 4 Stromspeichertechnologien

5 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: 5 Stromspeichertechnologien

6 Pumpspeicherkraftwerke
Insgesamt in Deutschland: 33 Pumpspeicherwerke mit MW Weltweit : Pumpspeicherkraftwerke mit ca MW (Stand 10/2004 ,MW von privater Seite) Zu den größten zählten 2004: 900 Montezic / F 1 280 Piastra / Italien 1 000 Drakensberg / SouthA 1 200 Zagorsk/ehe. UdSSR Edolo / I 1 212 Oku-Yoshino / J 1 015 Coo / B 1 224 Gr. Maison / F 1 024 Roncovalgrande / I Shi Takase-gawa /J 1 050 Markersbach / G 1 600 Raccoon/USA 1 060 Goldisthal / G 1 620 Dinorwig / UK 1 080 Vianden / Luxemburg 1 755 Ludingtow / USA 1 125 Shin Tovone / J 2 100 Bath Country / USA Leistung in MW Anlage Leistung in MW Quelle : VDI –Lexikon Energietechnik 6 Stromspeichertechnologien

7 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 7 Stromspeichertechnologien

8 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 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 8 Stromspeichertechnologien

9 Stromspeichertechnologien
Druckluftspeicher Quelle: Deutsche Energie Agentur GmbH Konzept einer CAES – Anlage im Verbund mit einem Windpark Adiabate CAES – Anlage 9 Stromspeichertechnologien

10 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 MW Speicherleistung über 8 Tage entspricht MWh 10 Stromspeichertechnologien

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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 F F Energiedichte 0,4 kWh/m³ kWh/m³ Energiespeicherkap. 16 kWh kWh Leistungsvermögen MW kW 11 Stromspeichertechnologien

12 Kondensatoren - Supercap
Doppelschichtkondensatoren Elektrolyt zwischen zwei Metallelektroden Verteilung nach Aufladung 12 Stromspeichertechnologien

13 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 kWh Energiespeicherkapazität Viele Entwicklungsmöglichkeiten 13 Stromspeichertechnologien

14 Supraleitender magnetischer Energiespeicher
SMES- Anlage von Kyushu Electric Power SMES – Torus aus 6 Spulen , Leistung 1 MW 14 Stromspeichertechnologien

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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 15 Stromspeichertechnologien

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Schwungradspeicher Schwungradspeicher im Garchinger Max-Planck-Institut für Plasmaphysik Daten: Masse kg max. Energieinhalt 400 kWh Leistung bis zu 155 MW ( 10 s) Quelle : VDI Lexikon Energietechnik 16 Stromspeichertechnologien

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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 17 Stromspeichertechnologien

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Batterien Alter Batterieraum der Bewag Berlin -Steglitz Akkumulatorengebäude in Ohito,Japan Quelle :VDI Lexikon Energietechnik Quelle: Handbook of Batteries Einer von 12 Batterieräumen Sofortreserveleistung: 17 MW für 20 – 30 min 1994 abgeschaltet 6 MW / 48 MWh NGK sodium/sulfur Batteriesystem betrieben seit 1997 18 Stromspeichertechnologien

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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 19 Stromspeichertechnologien

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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 20 Stromspeichertechnologien

21 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 22 Stromspeichertechnologien

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Quellenverzeichnis Die Deutsche Bibliothek – CIP – Einheitsaufnahme; Winkler, Wolfgang: „Brennstoffzellenanlagen“, Berlin :Springer, ( VDI - Buch) Internet: „ de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_Kraftwerke umweltministerium.de/files/pdfs/allgemein/application/pdf/erneuerbare_energi en_zahlen.pdf epp.eurostat.ec.europa.eu/ epp.eurostat.ec.europa.eu/portal/page?_pageid=1090, ,1090_ &_dad=portal&_schema=PORTAL 23 Stromspeichertechnologien

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Quellenverzeichnis Internet: politikwiki.de saarland.de/fak7/fze/AKE_Archiv/AKE2003H/AKE2003H_Vortraege/AKE20 03H03_Crotogino_CAES_Windausgleich.pdf icw/standorte/wasserkraftwerke/herdecke/language=de/id=8798/herdecke- page.html 24 Stromspeichertechnologien

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Quellenverzeichnis Internet: Energie1.physik.uni-heidelberg.de de.geocities.com/infotaxi/ 25 Stromspeichertechnologien

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Backup 26 Stromspeichertechnologien

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Batterien Übersicht über Sekundärbatterietypen – Benennung nach Material Leistung Belastung Batteriesystem Anwendungsgebiete Gering Hoch NiCd-Akku, ZnHg , ZnAg Radio, Hörgerät, Blitzgerät Mittel Pb-Akku, NiCd, CdAg, Lith, AlMn Rechner, elekt. Instrumente, Funkgeräte, Gaswarngeräte Pb-Akku, NiCd, ZnAg, CdAg, Li- Polymer Notbeleuchtung, tragbare Werkzeuge, Alarmsysteme Groß Pb-Akku, NiCd, FeNi Eisenbahn-Signalanlagen, U- Boot Antriebe, Gabelstapler Pb-Akku, NiCd, ZnAg, Weiterentwicklungen : Metall/Luft, Zn/Br, Na/NiCl, Na/S Flutlicht, Notstrom, E-Mobile, Starterbatterien für med. Apparate, Satelliten, Spitzenlastspeicher Knopfzellen Tragbare Batterien Stationäre und Fahrzeug- Batterien sowie Speicher 27 Stromspeichertechnologien

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Batterien Übersicht über Sekundärbatterietypen – Bennenung nach Material Leistung Batteriesystem Anwendungsgebiete gering NiCd –Nickel-Cadmium-Akku Radio, Hörgeräte, Blitzgeräte Knopfzellen 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, Gabelstapler Fahrzeugbatterien 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 28 Stromspeichertechnologien