Optionen zur Speicherung elektrischer Energie in...

12 SOLARZEITALTER 4 2006

O P T I O N E N Z U R S P E I C H E R U N G E L E K T R I S C H E R E N E R G I E . . .

Die Speicherung von elektrischer Energie isteine Aufgabe so alt wie die Existenz von Strom-netzen. Zur Aufrechterhaltung von Spannungs-und Frequenzstabilität in engen Grenzen imNetz sind zum Ausgleich zwischen Angebot undNachfrage schnell reagierende Speicher not-wendig.

Klassisch wird diese Aufgabe von Pump-speicherkraftwerken erfüllt. Durch diebereits heute im deutschen Netz signifi-

kante Einspeisung von Strom aus fluktuierenden,regenerativen Energiequellen steigt der Bedarf anschnell regelbaren Kraftwerken oder entsprechen-den Speichersystemen. Einem Spitzenbedarf imdeutschen Netz von etwa 75 GW und einem Lei-tungsbedarf von knapp 50 GW in den Nachtstun-den steht bereits eine installierte Leistung von 15GW aus Windkraftwerken gegenüber, die rund 5 %des jährlichen Strombedarfs liefern. Während der-zeit eine Speicherung noch durch optimale Vertei-lung durch Stromnetze vermieden werden kann, istdies bei einer höheren installierten Leistung nichtmehr möglich. Neben der schnellen Regelreservekann aber auch der Stromhandel an der Strombörsemit einer Ausnutzung der Preisdifferenz zwischenSchwachlastzeiten und Hochlastzeiten einbetriebswirtschaftlich interessantes Einsatzgebietvon Speichern bilden. Daneben werden auch Spei-chertechnologien für autonome Stromversorgungs-systeme benötigt, die in technischen Bereichenz.B. für Sensoren oder Mobilfunkstationen oder imBereich der ländlichen Elektrifizierung für dieBasiselektrifizierung mit „Solar Home“-Systemenoder Dorfstromversorgungen eingesetzt werden. In

diesem Beitrag sollen das Potential und der techni-sche Stand verschiedener Speichertechnologienfür den Einsatz in Stromnetzen diskutiert werden.Es wird deutlich, dass für einen weiten Bereich vonLeistungsanforderungen und Energiespeicherkapa-zitäten Technologien vorhanden sind. Allerdingsmuss je nach spezifischen Anforderungen diegeeignete Technologie gewählt werden; eine Uni-versaltechnologie, die alle Anforderungen erfüllt,gibt es nicht. Dabei können auch thermische Ener-giespeicher dazu beitragen, Energie effizient zunutzen und dabei auf eine Speicherung elektrischerEnergie zu verzichten. Stromgeführte Kraft-Wärme-Kopplung mit thermischen Speichern kön-nen Strom genau dann liefern, wenn der entspre-chende Bedarf besteht.

M o t i v a t i o n d e s E i n s a t z e s v o nS p e i c h e r n i n N e t z e n

Speicher in elektrischen Netzen sind im Prinzipnahezu so alt wie die großen Stromnetze selber. DaStrom als solcher nicht gespeichert werden kann,müssen Angebot und Nachfrage zu jedem Zeit-punkt exakt ausgeglichen sein. Um dies zu gewähr-leisten, wird eine aufwändige Einsatzplanung fürden Kraftwerkspark vorgenommen, der sich dafüraus einer geeigneten Mischung von Grundlast-,Mittellast- und Spitzenlastkraftwerken zusammen-setzen muss. Da aber alle Kraftwerke abgesehenvon der Sekundenreserve, die aus vorhandenemGasüberschuss oder der Rotationsenergie von Tur-binen und Generatoren genommen wird, relativlange Zeiträume bis zum Erreichen der Nennlei-

DIRK UWE SAUER

Optionen zur Speicherung elektrischer Energie in Energieversorgungssystemen mit regenerativer Stromerzeugung

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stung benötigen, sind zusätzliche schnell einsetz-bare Speicher notwendig. Diese müssen immerdann aktiviert werden, wenn der reale Verbrauchvon der Prognose abweicht oder wenn ungeplantein Kraftwerk vom Netz geht. Neben diesem Ein-satz von Speichern zur Netzstützung auf obersterEbene, gibt es auch die Speicher, die eine Versor-gungsqualität direkt beim Verbrauch sicherstellen.Diese Speicher sind in unterbrechungsfreie Strom-versorgungsanlagen eingebaut und müssen inner-halb von etwa 10 ms auf Abweichungen von denSollwerten für Spannung und Frequenz im Netzreagieren können. Dadurch wird der Ausfall odereine Beeinträchtigung der Verbraucher verhindert.Insbesondere die immer höhere Abhängigkeit vonComputeranlagen in allen Bereichen des privatenund des öffentlichen Lebens macht deren Absiche-rung gegen Stromausfälle oder Schwankungen inder Power Quality notwendig.

Der Ausgleich zwischen aktuellem Strombedarfund der aktuellen Stromerzeugung muss zur Stabi-lisierung der Netze zu jedem Zeitpunkt erfolgen.Grundsätzlich stehen dafür die schnelle Regelungder Kraftwerke selber, eine Steuerung auf der Last-seite und Speicher für elektrische Energie zur Ver-fügung. Beim heutigen Kraftwerksmix besteht einAusgleichsbedarf meist nur für kurze Zeiten, daausreichend Mittel- und Spitzenlastkraftwerke zurVerfügung stehen. Dies wird sich aber ändern,

wenn große Kapazitäten Erneuerbarer Energien indas Netz eingefügt werden. Würden in Deutsch-land Off-shore-Windparks mit rund 60.000 MWLeistung, für die Absichtserklärungen abgegebenwurden (Abb. 1), tatsächlich gebaut (und dabeietwa 25% des deutschen Strombedarfs erzeugen),ergäbe sich zusammen mit der bereits installiertenLeistung von ca. 19.000 MW eine Gesamtleistung,die die Spitzenlast im deutschen Netz überschrei-tet. Im Fall eines hohen Windenergieangebotsbesteht dann ein hohes Überangebot, das auchviele Stunden bis Tage anhalten kann. Hier müss-ten dann die Windkraftwerke abgeregelt werden,was zum Verlust der kostenlos zur Verfügung ste-henden Energie führen würde. KostengünstigeSpeicherkapazitäten können diese Überschüsseaufnehmen und in Zeiten schwachen Windes wie-der abgeben.

Aktuell besteht noch keine Gefahr eines massivenÜberangebotes, weil die installierte Leistung vonWind- und Solarkraftwerken noch deutlich unterder Kapazität der Mittel- und Spitzenkraftwerkeliegt. Trotzdem kommt es auch jetzt schon zu loka-len Überkapazitäten. Im Gegensatz zur Solarener-gie ist die Windkraft durchaus keine gleichmäßigverteilte Energieressource, sondern in Deutschlandsind die Windkraftanlagen vor allem an der Küstevon Nord- und Ostsee konzentriert. Dadurch mussder dort erzeugte elektrische Strom nach heutiger

Abb. 1: Absichtserklärungen für Off-shore Windparks in Deutschland mit einer Gesamtleistung von 60.000 MW

Stand Sommer 2002;Quelle: Jahrbuch Erneuerbare Energien



Technologie über Hochspannungsleitungen in dieRegionen mit hoher Verbrauchsdichte transportiertwerden. Die Leitungssysteme haben aber einebeschränkte Transportkapazität, so dass es lokal zueinem Überangebot kommen kann, obwohl derGesamtmarkt in Deutschland oder Europa dieEnergie noch aufnehmen könnte. Abb. 2 illustriertdie starken Schwankungen im Leistungsangebotder Windkraftanlagen.

Als technische Lösungen kom-men in Frage ein Ausbau derNetzkapazitäten derart, dass dieSpitzenleistung transportiert wer-den kann, eine Abregelung derWindkraftanlagen im Falle von zuhohem Angebot oder die Speiche-rung der Energie. Durch Speicherkann eine gleichmäßige Ausla-stung der Leitung ohne derenAusbau bis zur Spitzenleistungder Windkraftanlagen erreichtwerden. Zu erwarten ist auf jedenFall ein Ausbau der Netze. Dabeiwerden in Deutschland mit eini-ger Wahrscheinlichkeit bodenver-

legte Hochspannungsgleichstromkabel zum Ein-satz kommen. Das Problem wird sich aber bei einerEvolution der Energieversorgung hin zu Erneuer-baren Energien im Laufe des 21. Jahrhunderts wei-ter verschärfen. Abb. 3 zeigt ein Szenario des Wis-senschaftlichen Beirats Globale Umweltverände-rungen (WBGU) aus dem Jahr 2003 für die welt-weite Energieversorgung unter der Randbedin-gung, dass die CO2-Konzentration in der Atmo-sphäre derart begrenzt wird, dass die weltweite

Abb. 2: Aktuelle Windkraftleistung in Deutschland im Verlauf des Jahres 2003 (Quelle IAEW, RWTH Aachen)

Abb. 3: Szenario für den weltweiten Energiemix des Wissenschaftlichen Beirats globa-le Umweltveränderung der Bundesregierung von 2003



Temperaturerhöhung in aus Sicht des WBGU ver-tretbaren Grenzen bleibt. Dabei führt jeder Ausbauder Nutzung von regenerativen Energiequellen(mit Ausnahme von Geothermie und Biomasse) zueiner Erhöhung der Kraftwerkskapazitäten, die einfluktuierendes Ener-gieangebot liefern. Dies mussdurch geeignete welt-weite Vernetzung, intelligen-tes Lastmanagement und/oder Speichersystemeausgeglichen werden.

Die Anforderungen an Speichersysteme lassen sichanschaulich durch Abb. 4 darstellen. Der Einsatzvon Speichern kann nach der Häufigkeit des Ein-satzes und der Dauer pro Einsatz unterschiedenwerden. Entsprechend dieser charakteristischenGrößen lassen sich Speicher für Unterbrechungs-freie Stromversorgungen, für Load Levelling (Aus-gleich zwischen Schwach- und Hochlastzeiten,auch für Stromhandel), zur Unterstützung der Pri-märregelung in Netzen und für die Verbesserungoder Aufrechterhaltung der Spannungsqualitätunterscheiden. Je nach Einsatzbereich unterschei-det sich die Gewichtung der Anforderungen an dieSpeicher, die im nachfolgenden Abschnitt disku-tiert werden.

Anforderungen an Speicher

Die Anforderungen an Speicher sind reichhaltigund oftmals stellt man fest, dass eine Optimierung

von Speichertechnologien zugunsten bestimmterEigenschaften zu einer Verschlechterung andererEigenschaften führt. So leidet typischerweise dieEnergiedichte unter einer Optimierung auf höchsteLeistungsdichten. Auch steigt mit steigender Ener-giedichte das Gefährdungspotential der Speicher-technologien durch die Konzentration von immermehr Energie pro Volumeneinheit. Zudem tritt dastypische Problem nahezu aller technischen Anwen-dungen auf: Eine Optimierung bzgl. der verschie-denen technischen Eigenschaften führt zu einerunerwünschten Erhöhung der Kosten.

Nachfolgend aufgelistet sind die wichtigstenEigenschaften mit kurzen Erläuterungen:– Energie- und Leistungsdichte (volumetrisch

und gravimetrisch): Je nach Anwendung ist derRaumbedarf begrenzt und verlangt daher einehohe volumetrische Energiedichte. Insbesonde-re bei mobilen Anwendungen ist das Gewichtdes Speichers das zentrale Kriterium.

– Lebensdauer (kalendarisch und Zyklen / Ener-giedurchsatz): Je nach Speichertechnologiemuss zwischen der Zyklenlebensdauer und derkalendarischen Lebensdauer unterschiedenwerden. Insbesondere elektrochemische Spei-chersysteme haben in der Regel eine limitierteZyklenlebensdauer und somit hängt die Nut-zungsdauer stark vom Nutzungsprofil ab.

– Hochstrombelastbarkeit: Um hohe Leistungen

Abb. 4: Unterschiedliche Einsatzbereiche für Speicher in Netzen in Abhängigkeit der Häufigkeit des Einsatzes und der Einsatz-dauer pro Einsatz (Konzept der Graphik EUS GmbH)



relativ zur gespeicherten Energiemenge frei-setzen zu können und um die Speicher in kur-zer Zeit wieder aufladen zu können, ist einehohe Strombelastbarkeit notwendig.

– schnelle Ansprechzeit: Insbesondere bei Anla-gen, die die Sicherung von Spannungs- undFrequenzstabilität zur Aufgabe haben, ist eineschnelle Reaktion des Speichers mit dergesamten Nennleistung notwendig. Unterbre-chungsfreie Stromversorgungssysteme müssentypischerweise innerhalb von 10 ms anspre-chen um spätestens nach einer Halbwelle des50 Hz-Netzes die Versorgung wieder herzustel-len. Von großer Bedeutung ist dabei insbeson-dere auch die Leistungselektronik, die denSpeicher an das Netz anbindet.

– geringe Anforderungen an Ladeverfahren undLadeelektronik: Die Ladeelektronik bzw. dasleistungselektronische Interface zwischenSpeicher und Netz stellt einen sehr wichtigenTeil des Speichersystems dar. Einerseits müs-sen die Anforderungen seitens der Anwendungz.B. in Bezug auf die Erkennung von Fehlerfäl-len im Netz und der schnellen Reaktion durchdas Speichersystem erfüllt werden und ande-rerseits verlangen viele Speichertechnologieneine geeignete Betriebsführung, um langeLebensdauern zu erreichen. Je wenigeranspruchsvoll die Anforderungen des Spei-chers sind, desto einfacher und kostengünstigerkann das leistungselektronische Interfacegestaltet werden.

– weiter Betriebstemperaturbereich: Insbesonde-re bei Speichertechnologien, die direkt derUmwelt ausgesetzt sind, ist es wichtig, dassüber den ganzen typischerweise auftretendenTemperaturbereich eine optimale und effizienteNutzung des Speichers möglich ist.

– geringes Sicherheitsrisiko: Durch die Konzen-tration von Energie auf engem Raum steigt dasGefährdungspotential für die Umgebung imFall von Unfällen. So kann z.B. bei Schwung-radspeichern das Schwungrad bei einemmechanischen oder elektrischen Versagen derLagerung ausbrechen und im Umkreis Schadenanrichten. Elektrochemische Systeme können

bei unsachgemäßer Behandlung explodierenund entsprechenden Schaden anrichten. Dabeiist jeweils der Schaden durch mechanischeoder thermische Einwirkung des Speichers zuunterscheiden von Schäden die durch ggf.umweltunverträgliche Materialien freigesetztwerden können.

– hoher Wirkungsgrad: Wirkungsgradverlustekosten direkt Geld, da dem Speicher wenigerEnergie entnommen werden kann, als ihm zurAufladung zugesetzt werden muss. Zudemkönnen hohe Verluste auch zu einer erheb-lichen Erwärmung des Speichersystems füh-ren. Dies kann entweder zu einer Begrenzungdes Energiedurchsatzes pro Zeit zur Vermei-dung einer Überhitzung führen oder es müssenaufwändige Kühlungsmaßnahmen ergriffenwerden.

– möglichst geringer Wartungsbedarf oder war-tungsfrei: Insbesondere Speicher in netzfernenund abgelegenen Anwendungen sowie kleineunbemannte Speichersysteme sollten mög-lichst wartungsarm sein. Andernfalls führenlange Anfahrtswege und hoher Zeitbedarf zuhohen Kosten und machen die Systeme unöko-nomisch.

– einfache Bestimmung des „state of function“:Für die übergeordnete Systemregelung ist eswichtig, den Ladezustand, die Verfügbarkeitund den Wartungsbedarf möglichst präzise zubestimmen, um eine belastbare Einsatzplanungvornehmen zu können. Während bei mechani-schen Systemen die Bestimmung des Lade-zustands durch Messungen von Druck, Ge-schwindigkeit oder Pegelstand sehr einfach ist,kann dies bei elektrochemischen Systemensehr schwierig sein.

– einfaches und kosteneffizientes Recycling:Werden Speichertechnologien mit begrenzterLebensdauer eingesetzt (insbesondere elektro-chemische Systeme), ist ein effizientes undumweltverträgliches Recycling notwendig. Invielen elektrochemischen Systemen werdenSchwermetalle oder andere umweltgefährden-de Stoffe eingesetzt, die nicht in die Umweltgelangen dürfen. Ideal sind Materialien, die



nach dem Recycling wieder für den Bau neuer,gleichartiger Batterien eingesetzt werden kön-nen und die als Recyclingprodukt nicht dieKosten für Primärrohstoffe überschreiten.

Differenzierung von Speichertechnologien

Die Speicherung elektrischer Energie kann in ver-schiedener Weise erfolgen. Abb. 5 zeigt eine Ein-teilung der Speichertechnologien entsprechenddem physikalischen Speicherzustand für die Ener-gie. Unterschieden werden die Speicherung inForm von mechanischer Energie (potentielle Ener-gie oder kinetische Energie), in elektrischen Fel-dern (elektro-magnetische oder elektrostatischeFelder) oder in chemischer Bindungsenergie(Umwandlung durch elektrochemische Prozesse).

Des weiteren können die verschiedenen Speicher-technologien unterschieden werden in „Hochlei-stungsspeicher“ und in „Hochenergiespeicher“.Während die Hochleistungsspeicher nur für sehrkurze Zeit Energie abgeben können, dies aber beisehr hohen Leistungen, stellen die Hochenergie-speicher Energie über lange Zeiträume zur Verfü-gung. Dabei kann die Grenze zwischen „Hochlei-stungs-“ und „Hochenergiespeicher“ entsprechendAbb. 16 in etwa bei einer installierten Leistung von100 kW pro installierter kWh gezogen werden.Dies entspricht Entladezeiten von unter einerMinute.

M e c h a n i s c h e u n d e le k t r i s c h eS p e i c h e r t e c h n o lo g i e n

Hochenergiespeicher

DruckluftspeicherIn Druckluftspeichern wird bei Energieüberschüs-sen Luft mit Hilfe von Kompressoren komprimiertund eingelagert. Im Bedarfsfall kann die kompri-mierte Luft bei der Expansion Arbeit z.B. zumAntrieb einer Turbine verrichten.

Wird ein Speichersystem nach diesem Konzeptbetrieben, werden nur relativ bescheidene Wir-kungsgrade erreicht, da insbesondere bei der Kom-pression der Luft erhebliche Mengen an Wärm-energie anfallen. Um diesen Systemnachteil wett-zumachen, wird heute ein Konzept aus kombinier-tem Druckluftspeicher und Gasturbinenkraftwerkfavorisiert. Dabei wird die anfallende Kompres-sionswärme dem Gasturbinenprozess zugeführtund bei der Entleerung des Speichers wird die Druck-luft direkt in die Turbine eingeführt. Dadurch kön-nen heute Wirkungsgrade von 55 % erreicht wer-den (diabatische Druckluftspeicheranlage).

Allerdings ist die Energiedichte bei Drücken imvollgeladenen Zustand von 50 bis 200 bar relativgering und es werden entsprechend große Spei-chervolumina benötigt. Dazu sind geeignete unter-irdische geologische Formationen notwendig, in

elektrisch

• Spulen

• Kondensatoren (diverse Technologien)

mechanisch

• Pumpspeicherwerke

• Schwungrad

• Druckluftspeicher

elektrochemisch

• Akkumulatoren mit intenemSpeicher( z.B. Pb, NiCd, Li-Ion)

• Akkumulatoren mit externemSpeicher

– Gasspeicher (Elektrolyseur &Brennstoffzelle/Turbine)

– Speicher mit flüssigenAktiv-massen (z.B. Vanadium-Redox-System)

– Primärbatterien mit externerRegeneration (z.B. Zn-Luft)

Abb. 5: Klassen und Technologien für die Speicherung elektrischer Energie



denen die Druckluft möglichst verlustfrei gespei-chert werden kann. Insbesondere ausgehöhlte Salz-stöcke, aber auch Bergwerke sind eine interessanteOption. Allerdings sind Druckluftspeicher ebensowie Pumpspeicherkraftwerke an geologisch geeig-nete Standorten gebunden. An der deutschen Nord-seeküste gibt es eine größere Zahl von Salzstöckendie ausgespült werden könnten, um dadurch Kaver-nen für Druckluftspeicheranlagen zu schaffen.Damit stellt diese Technologie eine Option für dieLösung der Probleme dar, die durch einen weiterenZubau an Windkraftanlagen auftreten können.

Abb. 6 zeigt schematisch das Konzept einer Druck-luftspeicheranlage. Bereits Ende der 70er Jahre des20. Jahrhunderts wurde in Huntdorf eine Demon-strationsanlage dieses Typs in Betrieb genommen,die heute unter Leitung der E.on betrieben wird.Die installierten Turbinen können bei gefülltemSpeicher über einen Zeitraum von zwei Stunden290 MW-Leistung liefern. Die Füllung der Spei-cher kann in acht Stunden erfolgen. Die Speiche-rung der Druckluft erfolgt in zwei Salzkavernenmit jeweils etwa 150.000 m3 Volumen bei einemDruck zwischen 50 und 70 bar.

Aktuelle Forschungen zielen auf die Errichtungvon adiabatischen Druckluftspeicheranlagen, beidenen die bei der Kompression anfallende Wärme-

energie in thermischen Hochtemperaturspeichersy-stemen gespeichert wird. Bei der Entladungdes Druckluftspeichers wird die Wärmeenergiewieder zugesetzt. Dadurch sollen insgesamt höhereWirkungsgrade erreicht werden, allerdings mussdafür der zusätzliche thermische Speicher instal-liert werden, was zusätzlichen Raumbedarf undKosten bedeutet.

PumpspeicherkraftwerkePumpspeicherkraftwerke bilden das Rückgrat dergroßen Stromversorgungsnetze und sind die wich-tigsten Energiespeicher im Netz. Dabei wird Wasser zwischen einem Speichersee (Oberwasser)und einem tieferliegenden Reservoir (Unterwasser)je nach Bedarf zur Leistungsentnahme aus demNetz oder zur zusätzlichen Leistungseinspeisungins Netz ausgetauscht. Dies erfolgt bei der Lei-stungsentnahme durch das Hochpumpen von Was-ser und bei der Leistungsabgabe ans Netz durchden Betrieb von wassergetriebenen Turbinen.

Die Oberwasser sind Speicherseen, die in einigenFällen auch ohne natürlichen Zufluss angelegt wer-den. Solche künstlichen Seen sind meist für einenTurbinenbetrieb unter Volllast für typischerweise acht Stunden ausgelegt. Bei älteren Anlagen kanndie Turbinenleistung in weiten Bereichen geregeltwerden, dagegen ist die Pumpleistung nicht regel-

Abb. 6: Schematische Darstellungeiner diabatischen Druckluftspeicher-anlage in Kombination mit einem konventionellen Erdgas-Kraftwerk zurZwischenspeicherung von Energie ausWindparks (Graphik: Fritz Crotogino)

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bar. Wenn also eine Leistung aus dem Netz ent-nommen werden soll, die geringer als die Leistungeiner Pumpeinheit ist, wird das System im soge-nannten Wasserkurzschluss betrieben und dieNetto-Entnahmeleistung aus dem Netz durch denentsprechenden Gegenbetrieb der Turbinen einge-stellt. Dies führt natürlich zu einer geringenGesamteffizienz. Der Einsatz moderner Antriebs-technik und Leistungselektronik ermöglicht es nunaber, auch voll regelbare Pumpensätze zu bauen.

Die 2004 in Betrieb gegangene Anlage in Goldis-thal / Thüringen mit einer installierten Pump- undGeneratorleistung von gut einem GW, aufgeteilt inje vier Maschinensätze, verfügt als erste Pumpspei-cheranlage in Deutschland über diese moderneTechnik. Pumpspeicherkraftwerke benötigen zwi-schen einer und drei Minuten bis die volle Leistungzur Verfügung steht. Damit sind sie schneller alsalle konventionellen Kraftwerke, können aber auchnicht kurzfristige Schwankungen im Bereich vonSekunden direkt ausgleichen. Typischerweise wer-den die Pumpspeicherkraftwerke zum Ausgleichder vom vorhersagten Tagesprofil abweichendenLeistung im Netz und zum Stromhandel eingesetzt.Pumpspeicherkraftwerke mit einem Wasservorratfür etwa acht Stunden sind dabei nicht geeignet,um z.B. langanhaltende Windflauten auszuglei-chen.

Dies könnte nur erreicht werden, wenn große Spei-cherseen, wie sie heute in Europa in großer Zahlvorhanden sind und durch die durch ihre natür-lichen Zuflüsse und nicht durch Pumpen gespeistwerden, als Pumpspeicherkraftwerke nachgerüstetwerden. Die Kapazitäten sind in Summe sehr groß.Technisch stellt dies seitens der Druckstollen undder notwendigen Maschinenhäuser und Maschi-nensätze kein wirkliches Problem dar, allerdingsfehlt es an vielen Stellen an geeigneten Unterwas-sern, aus denen die notwendigen Wassermengenohne nachhaltige Eingriffe in die Natur entnom-men werden können. Hier müssen die Optionen imDetail untersucht werden und insbesondere in Nor-wegen scheinen bedeutende Wasserkraftpotentialserschließbar zu sein. Durch Hochspannungsgleich-

stromübertragung mit Verlusten im Bereich von5% / 1000 km Übertragungsstrecke, können auchweit entfernte Speicherkapazitäten effektiv genutztwerden.

Hochleistungsspeicher

Im strengen Sinn ist der Begriff „Leistungsspei-cher“ nicht zulässig. Er beschreibt aber in treffen-der Weise eine Klasse von Speichersystemen, diesich dadurch auszeichnen, dass sie für kurze Zeitensehr hohe Leistungen abgeben bei insgesamt abereiner geringen Menge an gespeicherter Energie.Typische Entladezeiten für Hochleistungsspeicherliegen unter 10 Sekunden.

Elektrochemische DoppelschichtkondensatorenElektrochemische Doppelschichtkondensatoren(EDLC) sind eine Speichertechnologie, die dieLücke zwischen den klassischen Kondensatoren,die in der Elektronik eingesetzt werden, mit ihrernahezu unbegrenzten Zyklenfestigkeit sowieextrem hoher Leistungsfähigkeit und den Sekun-därbatterien mit ihrer um viele Größenordnungengrößeren Energiespeicherfähigkeit füllen. Um-gangssprachlich werden Doppelschichtkondensa-toren häufig SuperCaps genannt. Die Speicherungder elektrischen Energie erfolgt ohne einen elek-trochemischen Reaktionsschritt, woraus die typi-scherweise mit 500.000 Zyklen angegebeneLebensdauer resultiert. Die im Verhältnis zu kon-ventionellen Kondensatoren sehr hohe Kapazitätim Bereich bis zu 5 kF ergibt sich aus dem hochpo-rösen Elektrodenmaterial mit einer sehr hoheneffektiven Oberfläche. Die Energie wird in dem

Abb. 7: Schematischer Aufbau von Doppelschichtkonden-satoren (Quelle: Montena ((Maxwell)), Epcos)



sich zwischen den Ladungsträgern auf denElektroden und den Ionen des Elektrolyten ausbil-denden elektrischem Feld mit sehr geringen räum-lichen Abständen von etwa 10 nm gespeichert.Abb. 7 zeigt den schematischen Aufbau von DLCs.

Die Nennspannung der DLCs liegt typischerweisebei 2,5 bis 2,7 V1. Eingesetzt werden wasserfreieorganische Elektrolyte, die bei diesen Spannungennur einer sehr geringen Zersetzung ausgesetzt sind.Der Innenwiderstand ist typischerweise kleiner als1 mΩ. Dadurch können sehr hohe Lade- und Entla-deströme erreicht werden. Die Energiedichte liegtdagegen nur zwischen 2 und 5 Wh/l. Die Kostenpro kWh sind heute mit einigen 10.000 € noch sehrhoch, es wird aber mit einer deutlichen Kostenre-duktion bei einsetzender Massenfertigung z.B. fürden Automobilmarkt gerechnet. DLCs eignen sichaufgrund ihrer Eigenschaften vor allem für Ein-satzbereiche mit einer hohen Anzahl von kurzenLade-/Entladezyklen. Dabei kann der Vorteil derhohen Leistungsfähigkeit ausgespielt werden.Speicherzeitkonstanten bis zu 10 s scheinen öko-nomisch ein interessantes Anwendungsgebiet fürDLCs zu sein. Damit können insbesondere Anla-gen zur Sicherung der Power Quality in Netzen vondieser relativ neuen und bei weitem noch nicht zuEnde entwickelten Technologien profitieren. DLCseignen sich nicht für die Speicherung von Energieüber längere Zeiträume, da die Selbstentladeratedeutlich größer als die von konventionellen Batte-rien ist.

SchwungräderEnergie kann auch als Bewegungsenergie gespei-chert werden. Um stationäre Speichersysteme zubauen, eignet sich die Form der Rotationsenergie.Die gespeicherte Energie ist dabei abhängig vomTrägheitsmoment des Rotationskörpers und vonder Rotationsgeschwindigkeit.

Unterschieden werden heute meist drei Klassenvon Schwungrädern in Abhängigkeit der Rota-tionsgeschwindigkeit: langsame (um 5.000Umdrehungen pro Minute), mittelschnelle (um20.000 Umdrehungen pro Minute) und schnelle

(um 100.000 Umdrehungen pro Minute) Schwun-gräder. Allerdings steigt die gespeicherte Energienicht automatisch mit der Umdrehungszahl, da dieRotationskörper bei größer werdendender Rota-tionsgeschwindigkeit kleiner werden müssen. DerDurchmesser muss reduziert werden, da die heuteverfügbare Materialien (bei den mittelschnellenund schnellen Schwungräder typischerweise Kom-postmaterialien, wie sie auch im Flugzeugbau ver-wendet werden) nur begrenzte Kräfte aufnehmenkönnen. Die Kräfte hängen vom Abstand von derRotationsachse und der Umdrehungsgeschwindig-keit ab.

Schwungräder sind ebenfalls typische Hochlei-stungsspeicher, die in kurzer Zeit sehr viel Energieabgeben oder aufnehmen können. Im Prinzip wirddie Leistungsfähigkeit nur begrenzt durch die Lei-stungselektronik und den installierten Elektromo-tor/Generator. Lebensdauern werden von Herstel-lern mit Zyklenzahlen im Bereich von mehrerenMillionen angegeben. Auch diese Eigenschaft qua-lifiziert die Schwungräder für Anwendungen, indenen sehr häufige Lade-/Entladezyklen auftreten.Dies ist z.B. in Hebevorrichtungen wie Container-brücken der Fall oder im Nahverkehrsbereich, woelektrisch betriebene Bahnen in schneller Abfolgebeschleunigen oder abbremsen müssen. DieSchwungräder werden dabei entweder auf demFahrzeug selber oder in den Unterwerken, die dieeinzelnen Stromabschnitte versorgen, unterge-bracht. Schwungräder mit Leitungen im Bereichbis zu einem MW sind kommerziell erhältlich.

Ein Nachteil von Schwungräder ist die hohe„Selbstentladung“. Wird das Schwungrad nichtweiter beschleunigt, nimmt die Rotationsge-schwindigkeit in Folge von Reibungsverlusten, dieauch durch eine Evakuierung und supraleitendeMagnetlager nicht ganz vermieden werden können,schnell ab. Je nach Technologie kann das Schwun-grad innerhalb eines Tages zum Stillstand kom-men. Wenn aber häufige Lade-/Entladezyklengefahren werden (z.B. jede Minute), dann sinddiese Verluste vernachlässigbar. Bei der Installa-tion in mobilen Anwendungen ist zudem darauf zu



achten, dass eine kardanische Aufhängung gewähltwird und ein Berstschutz installiert wird, der imFehlerfall verhindert, dass der schnelldrehendeRotationskörper das Gehäuse verlassen kann.

Supraleitende SpulenWährend Kondensatoren die elektrische Energieim elektrostatischen Feld speichern, können Spu-len Energie im elektrodynamischen Feld speichern.Dabei ist die Energiemenge abhängig vom fließen-den Strom. Um Energie über längere Zeiten spei-chern zu können, muss der Leitungswiderstand derSpule so gering wie möglich sein und diese Forde-rung wird in besonderer Weise von Supraleiternerfüllt. Supraleiter leiten unterhalb einer material-spezifischen Sprungtemperatur Strom ohne Wider-stand.

Supraleitende Magneten werden in vielen techni-schen Anwendungen, da sich auf kleinem Raumhohe magnetische Felder erzielen lassen, die z.B.in der Medizintechnik für Kernspintomographenoder in der Elementarteilchenphysik für die Ablen-kung von geladenen Teilchen verwendet werden.Einem Einsatz als Energiespeicher in großemUmfang stehen aber zwei Nachteile gegenüber.Zum einen werden für den supraleitenden Zustandsehr tiefe Temperaturen benötigt, die nur mit flüssi-gem Helium oder flüssigem Stickstoff erreichtwerden, und zum anderen sind die Wirkungen vonstarken magnetischen Felder auf biologische Orga-

nismen unklar. Für die Aufrechterhaltung der Küh-lung ist zudem ein erheblicher Energieeinsatznötig, so dass hier energetische Verluste auftreten,die im Wirkungsgrad des Gesamtsystems berück-sichtigt werden müssen.

Kleinere Speichersysteme, bei denen die Feldereffektiv abgeschirmt werden können, werden aberrealisiert, dienen aber insbesondere als Hochlei-stungsspeicher, die in kurzer Zeit sehr hohe Lei-stungen oder sehr hohe Ströme freisetzen können.Eine kommerzielle Anwendung ist daher der Ein-satz von supraleitenden Spulen als Kurzschluss-stromquelle, mit deren Hilfe in Fehlerfällen in Net-zen Sicherungen ausgelöst werden können. Fürden reinen Einsatz als Energiespeicher zur Bereit-stellung von Spitzenleistung wurden einige Proto-typen und Demonstratoren aufgebaut und im Feldbetrieben. Insgesamt ist aber der systemtechnischeAufwand durch die notwendige Tieftemperatur-kühlung höher als beispielsweise bei Schwungrä-dern, die von der Leistungsabgabecharakteristikvergleichbar sind.

Elektrochemische Speichersysteme

Klassifizierung elektrochemischer SpeichersystemeElektrochemische Speichersysteme lassen sichgemäß Abb. 8 klassifizieren. Die wichtigste Unter-scheidung wird bzgl. der Integration des eigent-lichen Energiespeichers vorgenommen. Bei Syste-

Abb. 8: Klassifizierung elektrochemischer Speichertechnologien



men mit internem Speicher sind der elektrochemi-sche Energiewandlungsschritt und die Speicherungder Energie räumlich nicht voneinander zu tren-nen. Damit ist die speicherbare Energiemengedirekt mit der Lade- bzw. Entladeleistung ver-knüpft. Wird eine höhere Leistung benötigt, erhöhtsich gleichzeitig die Größe des Energiespeichersund umgekehrt. Zu dieser Klasse gehören alleklassischen Akkumulatorsysteme, die dann noch inSysteme unterschieden werden, die bei Raumtem-peratur oder bei erhöhten Temperaturen betriebenwerden können. Bei Systemen mit externem Spei-cher kann das Speichermedium von den Energie-wandlungseinheiten getrennt und unabhängig gela-gert werden. Dadurch lassen sich die Energiewand-lungseinheiten für den Lade- und den Entladepro-zess völlig unabhängig von der Größe des Energie-speichers dimensionieren. Lade- und Entladepro-zess lassen sich auch räumlich entkoppeln, wenndas Speichermedium von einem Ort zum anderentransportiert werden kann. Wichtigster Vertreterdieser Klasse ist das Wasserstoffspeichersystemmit Elektrolyseur und Brennstoffzelle, dass späterausführlich diskutiert werden soll.

Zur Bewertung der Energiedichten elektrochemi-scher Speichersysteme seien hier nur vier Ver-gleichszahlen genannt (ohne Berücksichtigung vonUmwandlungswirkungsgraden):– Energiedichte von Wasserkraftwerken: 10 kWh

können durch die Anhebung von 10 m3 Wasserauf eine Höhendifferenz von 360 m gespeichertwerden.

– Für 10 kWh Speicherkapazität mit Bleibatte-rien werden rund 130 Liter Batterievolumenbenötigt.

– Für die Speicherung von 10 kWh Energie inForm von Wasserstoff wird bei einem barDruck ein Volumen von etwa 3.000 Liternbenötigt. Bei 200 bar Druck sind 15 Liter Spei-chervolumen notwendig.

– Energiedichte von Diesel: ca. 12 kWh in einemLiter.

Daraus wird deutlich, dass die Energiedichteelektrochemischer Akkumulatoren gegenüber Die-

seltreibstoff sehr gering ist (Faktor 100 bis 1000).Auf 200 bar komprimiertes Wasserstoffgas liegtetwa eine Größenordnung besser als Bleibatterien.Die Energiedichte von Wasserkraftwerken isterheblich geringer. Hier müssen sehr große Was-sermengen über erhebliche Höhendifferenzentransportiert werden.

Sekundärbatterien mit internem Speicher

Die Zahl der Materialkombinationen, aus denenelektrochemische Batterien oder Akkumulatorengebaut werden können, ist sehr groß. Eine Reihedavon haben Einsatzbereiche in Spezialanwendun-gen, in denen besondere Anforderungen z.B. anEnergiedichten, Selbstentladefestigkeit oder Tem-peraturbereich gestellt werden. Als kommerziellverfügbare Batterietechnologien für den hierdiskutierten Einsatz in Stromnetzen kommen der-zeit nur Bleibatterien und NiCd-Batterien in Frage.Ein interessantes technisches Potential weisenLithium-Ionen- und NiMH-Systeme sowie NaSund NaNiCl-Hochtemperaturbatterien auf. DieseTechnologien werden abgesehen von NiCd-Batte-rien nachfolgend kurz diskutiert. NiCd-Batterienstehen in der Europäischen Gemeinschaft voreinem Verbot für Massenanwendungen, das immerwieder geplant und dann auch wieder zurückge-nommen wird.

Blei-Säure-BatterienDie wichtigste Speichertechnologie bezogen aufdie installierte Batteriekapazität ist der Blei-Säure-Akkumulator. Abb. 9 zeigt den Aufbau von Blei-batteriezellen. Poröse Aktivmassen mit hoher inne-rer Oberfläche werden zu Elektroden verarbeitet.Positive und negative Elektroden bilden eine Batte-riezelle, die in großen Anlagen durch Parallel- undSerienverschaltung zu großen Kapazitäten ver-schaltet werden können. Die Größe der Anlage istmodular erweiterbar.

Die wichtigsten Eigenschaften, der hauptsächlichaus den Materialien Blei, Schwefelsäure undKunststoff aufgebauten Bleibatterien, sind Ener-



giedichten um 25 Wh/kg bzw. 40 kg/kWh (gravi-metrisch) und 75 Wh/l bzw. 13 l/kWh (volume-trisch) bei Wirkungsgraden um 80 - 90 %. Statio-näre Bleibatterien hoher Qualität erreichenLebensdauern von 6 - 12 Jahren bei Zyklenlebens-dauern um 2.000 Zyklen, in Ausnahmen bis 7.000Zyklen. Die Kosten für die Batterie liegen je nachQualität und zu erwartender Lebensdauer zwischen100 und 300 €/kWh. Industriebatterien werden inEuropa zu nahezu 100 % gesammelt und recy-cliert. Aus dem Blei werden wieder Bleibatterienhergestellt. Eingesetzt werden verschlossene Batte-rien mit interner Gasrekombination (Gel- oderVlies-Technologie) und geschlossene Batterien mitflüssigem Elektrolyt. Während die verschlossenenBatterien einen deutlich geringeren Wartungsauf-wand aufweisen und durch geringere Ausgasungauch verringerte Anforderungen an die Batterie-raumbelüftung bieten, werden mit geschlossenenBatterien längere Lebensdauern erreicht. Batterie-speicheranlagen auf Basis von Bleibatterien wur-den und werden in der ganzen Welt gebaut, umlokale Probleme in der Energieversorgung zulösen. Dazu gehören sowohl Anlagen zur Stabili-sierung von Netzausläufern als auch Anlagen zur

Aufrechterhaltung von Frequenz- und Spannungs-stabilität. Die größte bislang in Deutschlanderrichtete Anlage war die 17 MW-Anlage derBEWAG, die 1986 in Berlin zur Frequenz- undSpannungsstabilisierung des damals noch alsInselnetz betriebenen Westberliner Stromnetzeseingesetzt wurde. Die Speicherkapazität von 14 MWh wurde im Schnitt zweimal am Tag voll-ständig durchgesetzt. Die Anlage erreichte mit ins-gesamt 7000 Nennladungsumsätzen eine für Blei-batterien ungewöhnlich lange Lebensdauer. Dergeplante Zubau weiterer Anlagen gleicher Bauartin Berlin wurde durch die Wiedervereinigung undder damit verbundenen Anbindung von Westberlinan das Europäische Stromnetz überflüssig unddaher nicht mehr realisiert.

Tab. 1 zeigt eine Auswahl weiterer Batteriespeich-ersysteme mit maximalen Leistungen von 70 MWund Speicherkapazitäten bis zu 40 MWh. Es istanzumerken, dass die Spitzenleistung der Batterie-speichersysteme durch die installierte Leistungs-elektronik und nicht durch die Batterien selberbeschränkt wird. Eine Bleibatterie kann kurzfristigsehr hohe Leistung abgeben. So wird in Fahrzeu-

Abb. 9: Aufbau einer Batterieanlage aus Bleibatterien. Ausgangsmaterial sind poröse Aktivmassen mit hoher innerer Oberflächedie zu Elektroden verarbeitet werden. Die Elektroden werden in einer Zelle mit dem Elektrolyten integriert und die Zelle bildet diekleinste technische Einheit. Die Zellen können dann in großen Batterieanlagen miteinander entsprechend der benötigten Kapazitätund Leistung verschaltet werden.



gen aus Batterien mit 0,5 kWh Energiespeicherbeim Startvorgang durchaus eine Leistung von 5kW gezogen.

Lithium-Ionen-BatterienLithium-Ionen-Batterien sind im Bereich portabler,mobiler Anwendungen (z.B. Laptop, Handy) inner-halb weniger Jahre zu der wichtigsten Speicher-technologie geworden. Im Verhältnis zu Blei- oderNiCd-Batterien sehr hohe gravimetrische Energie-dichten von mehr als 150 Wh/kg stellen in diesemMarktsegment einen entscheidenden Wettbewerbs-vorteil da, so dass auch die bis heute noch hohenspezifischen Kosten durchgesetzt werden können.Bei der Diskussion von Lithium-Batterietechnolo-gien muss darauf hingewiesen werden, dass hiernicht von einem einheitlichen Konzept wie z.B. beiBlei- und NiCd-Batterien ausgegangenen werdenkann. Es gibt eine hohe Zahl von Elektrolyten undKombinationen von Elektrodenmaterialen, diejeweils zu unterschiedlichen Eigenschaften z.B.bzgl. der Nennspannung oder auch der Lebensdau-er führen. Durch die große Zahl der möglichenMaterialkombinationen gibt es auch nach wie vorhohe Entwicklungsanstrengungen und es ist bisheute nicht klar, welches der Konzepte die bestenEigenschaften für den Einsatz im Bereich von gro-ßen Speichersystemen, wie sie im Netz- oder auchim Elektrotraktionsbereich notwendig sind, habenwird. Insbesondere ist bis heute nicht geklärt, wieweit die Zyklenlebensdauer noch angehoben wer-den kann. Dieser Parameter ist für die Gesamtöko-

nomie der Speichersysteme von entscheidenderBedeutung. Die heute erzielten Leistungsdichtenvon bis 2.500 W/kg (die vor wenigen Jahren nochfür unmöglich gehalten wurden) sind bereits aus-reichend für die meisten denkbaren Anwendungs-fälle. Die hohe Zellspannung von bis 3,6 V/Zelleerleichtert den Aufbau von Speichersystemen mithoher Spannung. Allerdings ist es notwendig, jedeeinzelne Zelle durch eine Sicherheits- und Schutz-elektronik abzusichern. Ein sicherer Betrieb istaufgrund der hohen Aktivität von Lithium-Metallund der hohen Energiedichte nur gewährleistet,wenn das Betriebsspannungsfenster sehr genaueingehalten wird. Da sich Zellen in Serienschaltun-gen individualisieren, reicht die Überwachung desGesamtstrangs nicht aus.

Heute noch hohe Kosten im Bereich von 500 bis1.000 €/kWh und Fragen der Sicherheit steheneiner breiten Einführung in stationären und auto-mobilen Anwendungen noch im Wege. Es kannaber davon ausgegangenen werden, dass dieLithium-Batterietechnologie zusammen mit derBlei-Batterietechnologie die wichtigste Akkumula-tortechnologie mindestens in den nächsten 20 Jah-ren sein wird. Eine deutliche Steigerung der Ener-giedichte gegenüber dem heutigen Stand ist nurdurch einen Umstieg auf Brennstoffzellentechno-logien zu erwarten. Diese zeichnen sich allerdingsdurch eine wesentlich komplexere Systemtechnikaus und es bleibt abzuwarten, welche Technologiehier die Nase vorne haben wird. Für die stationären

Unternehmen Leistung Energie

BEWAG, Berlin, Deutschland 17 MW 14 MWh

Kansal Electric Power Company, Tatsumi, Japan 1 MW 4 MWh

Southern California Edison Company, Chino, CA, USA 10 MW 40 MWh

Vall Reefs, Godmine, Südafrika 4 MW 7,4 MWh

Hawaii Electric Light Company, Hawaii, USA 10 MW 15 MWh

Puerto Rico Electric Power Authority, San Juan 20 MW 14MWh

Chugach Electric Assn., Anchorage, Alaska, USA 20 MW 10 MWh

Golden Valley Electric Assn., Fairbanks, Alaska, USA 70 MW 17 MWh

Tab. 1: Übersicht über einige Batteriespeicheranlagen, die realisiert sind und betrieben werden oder wurden.



Anwendungen spielen vor allem Preis und Lebens-dauern die entscheidende Rolle.

Nickel-Metall-Hydrid- und Nickel-Cadmium-BatterienNickel-Metall-Hydrid-Batterien sind zunächst vorallem auch als Ersatztechnologie für NiCd-Batte-rien entwickelt worden. In der Tat weisen NiMH-Batterien auch die meisten der positiven Eigen-schaften der NiCd-Batterien auf. Allerdings konn-ten mit NiMH-Batterien auch deutlich bessere gra-vimetrische Energiedichten als mit NiCd-Batterienerreicht werden, so dass NiMH-Batterien eine Zeitlang einen sehr hohen Marktanteil bei den porta-blen mobilen Anwendungen hatten. Heute ist die-ser Marktanteil bereits wieder stark rückläufig, dadie Lithium-Ionen-Batterien hier noch bessereEigenschaften aufweisen. Allerdings werden in denheute am Markt erhältlichen Hybridfahrzeugenfast ausschließlich NiMH-Batterien eingesetzt, dadiese robust sind und ein geringeres Risiko alsLithium-Batterien darstellen. Die Gesamtproduk-tion stammt aber im Wesentlichen von nur zweiverschiedenen Herstellern weltweit.

Der Wirkungsgrad liegt auch aufgrund der gerin-gen Zellspannung von nur 1,2 V nur bei etwa 70 %(gegenüber 90 bis 95 % bei Lithium-Ionen-Batte-rien und 80 bis 90 % bei Blei-Batterien). Die Lad-barkeit der NiMH-Batterien nimmt bei Temperatu-ren über 45°C erheblich ab und auch die Entladbar-keit bei Temperaturen um -20°C ist für vieleAnwendungen nicht mehr ausreichend.

Die Kosten liegen derzeit im Bereich der Lithium-Ionen-Batterien. Allgemein wird den Lithium-Bat-terien aber das größere Kostenreduktionspotentialzugeschrieben. Allerdings ist der Betrieb vonNiMH-Batterien gegenüber Lithium-Batterienwesentlich sicherer und robuster bzgl. der Ladever-fahren und der erlaubten Spannungsfenster imBetrieb. Ein Einsatz in stationären Anlagen istbetriebswirtschaftlich nur dann attraktiv, wenn sehrgute Zyklenlebensdauern erreicht werden. Dazuwären Zyklenzahlen im Bereich von 20.000 not-wendig, die bislang nicht nachgewiesen werden

konnten, aber zum derzeitigen Zeitpunkt auchnicht ausgeschlossen werden sollten.

Nickel-Cadmium-Batterien sind dagegen aus tech-nischer Sicht ein sehr erfolgreiches Batteriepro-dukt, das insbesondere als einzige Batterietechno-logien auch bei Temperaturen im Bereich von -20 bis -40°C noch eine gute Leistungsfähigkeitaufweist. Aus NiCd-Batterien sind ähnliche Groß-batterien in Betrieb, wie sie für Bleibatterienbeschrieben worden sind. Gegenüber Bleibatterienwerden bei höheren Kosten (Faktor 2 bis 3), gerin-gerem Wirkungsgrad (ähnlich wie bei NiMH-Bat-terien) und besserer Tieftemperatureigenschaft län-gere Zyklenlebensdauern erreicht. Kritisch ist derEinsatz von Cadmium und daher steht die Techno-logie bei der EU auf der Prüfliste, die einem mög-lichen Verbot vorausgeht, das nur verhindert wer-den kann, solange keine alternativen Speichertech-nologien zur Verfügung stehen.

NaNiCl- und NaS-HochtemperaturbatterienNatrium-Nickel-Chlorid- (NaNiCl, auch Zebra-Batterie genannt) und Natrium-Schwefel-(NaS)-Batterien zeichnen sich gegenüber den vorstehen-den beschriebenen Batterietechnologien durcheinen wesentlichen Unterschied aus: Nicht derElektrolyt liegt in flüssiger Form vor, sondern dieAktivmassen. Dafür haben NaNiCl- und NaS-Bat-terien einen Festkörperelektrolyt. Dabei handelt essich typischerweise um ionen-leitende Keramiken.Um eine ausreichende Ionenleitfähigkeit zu errei-chen und die Aktivmassen in flüssigen Zustand zuversetzen, ist eine Betriebstemperatur im Bereichvon 350°C notwendig. Bei Abkühlung der Batterieist ein Laden oder Entladen nicht mehr möglichund es besteht die Gefahr des Bruchs des kerami-schen Elektrolyten durch thermische Spannungen.Bei täglicher Nutzung der Batterien kann bei ent-sprechend dimensionierter Isolierung die Tempera-tur der Batterien durch die eigene Reaktionswärmeaufrecht erhalten werden. Dadurch qualifizierensich diese Batterien für Anwendungen mit täg-licher Zyklisierung, sind aber ungeeignet fürAnwendungen in unterbrechungsfreien Stromver-sorgungen mit den langen Stand- und Wartezeiten.



NaS-Batterien wurden in den 1980er Jahren alseine interessante Technologie für vollelektrischePKW angesehen. Aufgrund des hohen Risikopo-tentials verursacht durch das flüssige Natrium undden flüssigen Schwefel konnte sich die Technolo-gie für diese Anwendung aber nicht durchsetzen.Inzwischen gibt es aber wieder Entwicklungstätig-keiten im Bereich der NaNiCl-Batterie und auchdie NaS-Batterie wird vor allem in Japan intensivfür ihren Einsatz als Speicher in Netzen erforscht.So wird seit einigen Jahren von der Tokyo ElectricPower Company eine Anlage mit 48 MWh Ener-giespeicher und 6 MW Leistung betrieben (Abb. 10).

Grundsätzlich bietet die Technologie das Potentialzu geringen Kosten und hohen Zyklenlebensdau-ern. Allerdings sind dazu noch technische Heraus-forderungen bei der Produktion (insbesondere dieFestkörperelektrolyte sind kritisch) zu lösen underfolgreich in eine Massenproduktion umzusetzen.

Elektrochemische Energiespeicher mitexternem Speicher

Wie im Zusammenhang mit Abb. 8 diskutiert wor-den ist, sind bei elektrochemischen Energiespei-chern mit externem Speicher die Wandler für elek-trische in chemische Energie, der Energiespeicherund der Wandler für chemische in elektrische Ener-gie voneinander unabhängige Einheiten. Dadurchlassen sich diese auch unabhängig voneinander

dimensionieren und auch räumlich trennen. Diesgibt vor allem für die Speicherung großer Energie-mengen zusätzliche Freiheitsgrade und Nutzungs-möglichkeiten für die gespeicherte Energie.

Redox-Flow-BatterienIn Redox-Flow-Batterien besteht das aktive Mate-rial aus in einem flüssigen Elektrolyten gelöstenSalzen. Der Elektrolyt wird in Tanks gelagert undbei Bedarf einer zentralen Reaktionseinheit für denLade- oder Entladeprozess mittels Pumpen zuge-führt. Da die Löslichkeit der Salze in den Elektro-lyten typischerweise nicht sehr hoch ist, werdenEnergiedichte im Bereich der Bleibatterie erreicht.Die zentrale Ladeeinheit ist typischerweise einemit Katalysatoren besetzte Membran und arbeitetganz ähnlich wie eine Wasserstoffbrennstoffzellebzw. ein Elektrolyseur. Die Tankgröße bestimmtden Energieinhalt der Batterie, die Lade-/Entlade-einheit die Leistung der Batterie.

Redox-Flow-Batterien wurden bereits in den1970er und 1980er Jahren intensiv für stationäreAnwendungen erforscht. Durch diverse Material-probleme wurden die Aktivitäten aber deutlichreduziert und erst in den letzten Jahren wiederdeutlich gesteigert. Redox-Flow-Batterien arbeitenmit einem Elektrolyttank für jede der beidenElektroden. Beim Lade- und Entladeprozess wirddie Wertigkeit der Ionen des Salzes geändert.Wichtige Kombinationen von Salzen, die erprobt

Abb. 10: Natrium-Schwefel-Hochtemperaturbatterie für den Load-Levelling-Betrieb (Tokyo Electric Power Company, Tsunashima -6 MW, 48 MWh)



werden, sind u.a. Fe/Cr, Br2/Cr, Vanadium undNaBr+Na2S4/Na2S2+NaBr3 (Regenesys). Dabei istdie Vanadium-Redox-Batterie eine besonders inter-essante Variante, da Vanadium in vier verschiede-nen Wertigkeiten vorliegen kann und somit in bei-den Elektroden Vanadium verwendet werden kann.Durch ein Crossing-over über die Membran in derzentralen Reaktionseinheit kann somit keine Ver-unreinigung erfolgen.

Abb. 11 zeigt einen Prototyp einer Vanadium-Redox-Batterie und eine Konzeptstudie für einegrosstechnische Redox-Flow-Batterie. Grundsätz-lich eignet sich diese Batterietechnologie sehr gutfür einen großtechnischen Einsatz, da der Bau gro-ßer Tanks sehr einfach und effektiv gemacht wer-den kann. Die Anlieferung des Elektrolyten mitdem gelösten Salz kann einfach und effizient überTanklastwagen angeliefert werden.

Zuverlässige Angaben über Lebensdauern der zen-tralen Reaktionseinheiten und der Elektrolyten gibtes bisher kaum aus Anwendungen. Da keine derKomponenten strukturelle Änderungen beimLade-/Entladeprozess erfährt, ist die Lebensdauerdadurch zunächst nicht begrenzt. Für Vanadium-Batterien werden in der Literatur Zyklenzahlen vonmehr als 13.000 berichtet. Insbesondere bei denVanadium-Batterien kann aber auf jeden Fall derElektrolyt vollständig durch einen externen Recy-clingprozess wieder regeneriert und damit ohneVerluste an Vanadium wieder verwendet werden.

Sehr schwierig ist noch die realistische Abschät-zung der Kosten für derartige Batteriesysteme.Berechnungen gehen von Investitionskosten von200 €/kWh aus, die aber noch wenig belastbar sind.Insbesondere das technisch interessante Vanadium-System hat den erheblichen strukturellen Nachteilder Knappheit von Vanadium auf dem Weltmarkt.Es deutet einiges darauf hin, dass das Regenesys-System ein betriebswirtschaftlich interessanterKandidat sein könnte. Allerdings gibt es wenig ver-öffentlichte Daten von der patenthaltenden Firmaund einige angekündigte große Demonstrationsan-lagen wurden bisher nicht in Betrieb genommen.

Wirkungsgrade von 80 bis 85 % für Vanadium-Batterien konnten demonstriert werden. UnterBerücksichtigung des Energieverbrauchs für diePumpen und die sonstige Elektronik kann man vonSystemwirkungsgraden oberhalb von 75 % ausge-hen. Damit liegt der Wirkungsgrad erheblich überdem von Wasserstoffspeichersystemen (siehe auchAbb. 14). Eine Selbstentladung tritt quasi nicht auf.

WasserstoffwirtschaftDie Begrenztheit der Vorräte an Erdöl und Erdgasmacht es notwendig, mittelfristig auch Konzeptefür einen Ersatz dieser Energieträger zu entwickelnund zu etablieren. Wasserstoff stellt hier nach weitverbreiteter Ansicht eine wichtigte Option dar.Wasserstoff kann als Treibstoff für PKW oderFlugzeuge, zur Erzeugung von Wärme oder zurErzeugung elektrischen Stroms eingesetzt werden.

Abb. 11: oben: Labormuster einer Vanadium-Redox-Batteriemit den Tanks für die positive und die negative Aktivmasse imHintergrund und den Reaktionseinheiten und Pumpen in dop-pelter Ausführung im Vordergrund (Foto: Fraunhofer ISE);Unten: Konzeptstudie für eine Redox-Flow-Batterie im groß-technischen Maßstab für den Einsatz in Stromnetzen



Damit stellt Wasserstoff in weiten Bereichen eineinteressante und CO2-freie Alternative zu Erdölund Erdgas da. Wasserstoff kann gespeichert wer-den (Kapitel 4.3.2.2), in vielfältiger Weise genutztwerden (Kapitel 4.3.2.3) und aus überschüssigemStrom überall dort, wo es Wasser gibt, hergestelltwerden (Kapitel 4.3.2.1). Die Wasserstoffwirt-schaft macht aus Klimaschutzgründen aber nurSinn, wenn der Wasserstoff aus CO2-freien Strom-quellen gewonnen wird. Als Quellen werden dafürAtomkraftwerke, Wasserkraftwerke, Windparksoder große Photovoltaikanlagen insbesondere inWüstengebieten diskutiert. Abb. 12 zeigt schema-tisch einen solare Wasserstoffkreislauf. Heute wirdWasserstoff zu mindestens 94 % aus kohlenstoff-haltigen Energieträgern gewonnen.

Da über den Prozess der Wasserstofferzeugung, derSpeicherung und der Rückumwandlung in elektri-schen Strom ein echter „Strom zu Strom“-Prozessmit Speichermöglichkeit realisiert werden kann,lassen sich Systeme mit Eigenschaften, die Batte-rien sehr ähnlich sind, realisieren.

Erzeugung von WasserstoffWasserstoff kann sehr einfach über einen Elektro-lyseprozess gewonnen werden. Wird an zwei inWasser eingetauchte Elektroden ein Potential vonmindestens 1,23 V angelegt, kommt es zur Bildungvon Sauerstoff an der positiven und zur Bildungvon Wasserstoff an der negativen Elektrode (Abb. 13). Ziel der technischen Entwicklungen istes, ausreichend große Gasmengen bei hohem Wir-kungsgrad in den Elektrolyseuren zu erzeugen.Dazu werden heute vornehmlich Platin und Pala-dium als Katalysatoren eingesetzt. Ziel von For-schung und Entwicklung ist es einerseits, die Kata-lysatorbelegung weiter zu verringern und anderer-seits Katalysatoren aus kostengünstigeren Materia-lien einzusetzen. Eine sehr effiziente Technologiemit Wirkungsgraden bis zu 93 % (Strom in Wasser-stoff) ist der „Hot-Elly“. Dabei findet die Elektro-lyse bei rund 1.000°C statt. Während das Wassergasförmig ist, wird ein sauerstoffionenleitenderFestkörperelektrolyt eingesetzt. Vorteil des Verfah-rens ist, dass ein Teil der Energie als thermischeEnergie zugesetzt werden kann.

Elektrolyseure können sehr schnell in ihrer Lei-stung reduziert werden. Dadurch kann der Wasser-stofferzeugungsprozess gleichzeitig gut zur Netz-

Abb. 12: Solarer Wasserstoffkreislauf nach (Quelle: Blumen-berg / Spinnler)

Abb. 13: Schematische Darstellung eines Niedertemperatur-Membran-Elektrolyseurs zur Wasserstofferzeugung aus elek-trischem Strom und Wasser



regelung eingesetzt werden. Eines der diskutiertenKonzepte sieht einen Betrieb von Elektrolyseurenzur Aufnahme von Überschüssen aus dem Netzvor. Im Falle einer ungeplanter Nachfrageerhöhungkönnen die Elektrolyseure dann innerhalb vonMillisekunden herruntergefahren und damit dasNetz stabilisiert werden. Es gilt aber auch hier dieRandbedingung, dass das energetisch und ökono-misch nur dann Sinn macht, wenn der Strom ausCO2-freier Überschussproduktion kommt.

Im Zusammenhang mit Off-shore Windparks sindverschiedene Konzepte denkbar. Ein Konzept siehtdie Erzeugung von Wasserstoff direkt bei den Off-shore Windparks vor. Der Wasserstoff wird dannüber Pipelines oder mit Schiffen an Land gebracht.Eine elektrische Anbindung der Windparks zurKüste hin entfällt dann. Die Alternative ist eineelektrische Anbindung der Windparks bis zurKüste hin. Dort findet dann die Ankopplung an dasVerbundnetz statt und bei Überlastung des Ver-bundnetzes werden die Stromüberschüsse in dieWasserstoffproduktion umgesetzt. Dadurch lassensich insgesamt bessere Wirkungsgrade erzielen,auf der anderen Seite kann die elektrische Anbin-dung der Windparks insbesondere bei größerenDistanzen zur Küste erhebliche Kosten verursa-chen. Bei der ökonomischen Analyse ist allerdingszu beachten, dass der Wirkungsgrad von Strom inStrom bei einer Erzeugung offshore mit anschlie-ßendem Transport an Land kaum über 30 % liegenkann.

Eine andere interessante Quelle für billigen Stromsind große Wasserkraftanlagen, wie sie heute z.B.schon in Kanada (Hydro Québec) oder auch inNorwegen zur Verfügung stehen. Während derWasserstoff aufgefangen, getrocknet und gereinigtwird, ist die direkte Nutzung des Sauerstoffs eherselten. Typischerweise wird der Sauerstoff in dieAtmosphäre entlassen und vor Ort bei der Nutzungdes Wasserstoffs der Atmosphäre dann wieder ent-nommen. Es kann aber auch zu einer Nutzung desSauerstoffs z.B. zur Anregung der Biogasproduk-tion auf Deponien kommen. Brennstoffzellenerreichen höhere Wirkungsgrade, wenn sie mit rei-

nem Sauerstoff anstelle des atmoshpärischen Luft-Sauerstoff-Gemischs betrieben werden. Allerdingslässt sich der Wirkungsgradgewinn betriebswirt-schaftlich im Verhältnis zu den Kosten für Trans-port und Speicherung des Sauerstoffs derzeit nichtrechtfertigen.

Möglichkeiten zur Speicherung von WasserstoffDie wichtigsten Techniken für die Speicherung vonWasserstoff sind Druckgasspeicher, Flüssiggas-speicher und Metallhydridspeicher. Wasserstofflässt sich unter Druck in Pipelines ähnlich wie Erd-gas transportieren, wobei die volumetrische Ener-giedichte von gasförmigem Erdgas allerdings etwadreimal höher als die von gasförmigem Wasser-stoff bei gleichem Druck ist. Gegebenenfalls müs-sen die Pipelines eine zusätzliche Dichtung erhal-ten, um die leicht flüchtigen und sehr kleinen Was-serstoffatome in den Rohren zu halten. Aber aucheine Speicherung in Druckgastanks, ähnlich denenfür Erdgas, bei Drücken von 200 bar und Speicher-volumina von bis zu 100.000 m3 ist technischwenig aufwändig. In Druckgasflaschen wird Gasinzwischen bereits bei Drücken von bis zu 700 barangeboten.

Die Speicherdichte kann gegenüber gasförmigemWasserstoff bei einem bar Druck um einen Faktor800 erhöht werden, wenn der Wasserstoff verflüs-sigt wird. Dazu muss der Wasserstoff auf unter -253°C abgekühlt werden. Dafür wird ca. ein Drit-tel des Energiegehalts des Wasserstoffs verbraucht,stellt also keine sehr effiziente Option da. In flüssi-ger Form ist aber z.B. ein Transport mit Schiffenüber weite Strecken möglich. Nachteile neben demEnergieaufwand für die Verflüssigung sind diehohe Reinheit, die das Gas aufweisen muss, damitdie Verflüssigung gelingt und ca. 1 % des Gasesmuss jeden Tag für die Aufrechterhaltung des flüs-sigen Zustands aufgebracht werden.

Eine technisch interessante Option stellt auch dieSpeicherung von Wasserstoff in einem Metallhy-drid statt. Das Metallhydrid ist schwammförmigund hochporös. Titan-Eisen und Nickel-Verbin-dung sind die heute am meisten genutzten Metall-



legierungen. Die Metallhydride können mit einemÜberdruck zwischen 10 und 20 bar beladen wer-den. Die Wasserstoffmoleküle werden durch van-der-Waalsche Kräfte an die Metallatome gebun-den. Damit kann unter einem Druck von nur 10 bis20 bar ungefähr pro Volumen ähnlich viel Gasgespeichert werden, wie unter 200 bis 700 barDruck. Allerdings ist der Umgang bei dem niedri-gen Druck wesentlich einfacher und sicherer alsbei hohen Drücken oder verflüssigtem Wasserstoff.Ist der Metallhydridspeicher gefüllt, kann der Was-serstoff quasi ohne weitere Verluste beliebig langegespeichert werden. Nachteil der Technologie istdas hohe Gewicht des Metallhydrids. Typischer-weise sind bei vollständiger Füllung des Speichers1 bis 2 % Gewichtsprozente Wasserstoff in 98 bis99 % Metallverbindungen gespeichert. Die inFrage kommenden Metalle sind zudem nicht ganzbillig (z.B. Nickel- oder Seltene Erden-Verbindun-gen).

Intensiv erforscht werden auch sogenannte Nano-tubes aus speziellen Kohlenstoffmodifikationen,denen eine ähnliche Speicherwirkung wie denMetallhydriden nachgesagt wird, dabei aberwesentlich leichter als die Metallverbindungensind. Kommerziell gibt es hier aber keine Produkteam Markt.

Nutzung von WasserstoffSteht der Wasserstoff zur Verfügung, stellt sich dieFrage nach der effizientesten Nutzung. Grundsätz-lich kann zwischen einer thermischen Nutzung desWasserstoffs und der Rückverwandlung in elektri-schen Strom unterschieden werden. Beispiele füreine thermische Nutzung sind die Beimengung des Wasserstoffs in das heutige Erdgasnetz, dieNutzung in Verbrennungsmotoren für Kraftfahr-zeuge, in Jet-Triebwerken für Flugzeuge oder diekatalytische Verbrennung zu Heiz- oder Koch-zwecken. Beimengungen im Bereich von 10 bis 15 % Wasserstoff zum Erdgas werden als technischunkritisch eingeschätzt und bedürfen keineUmstellungen an den Pipelines oder den über-wiegend als Endverbraucher genutzten Gasther-men.

Während die meisten Automobilhersteller Brenn-stoffzellen als Option für zukünftige PKW-Antrie-be erforschen, setzt BMW auf eine direkte Nut-zung des Wasserstoffs in quasi konventionellenVerbrennungsmotoren. Nach heutigem Stand istdies zu deutlich geringeren Kosten und beigewohnt hoher Zuverlässigkeit möglich. Nachteilsind die erhöhten Emissionen von Stickoxiden, diedurch die hohen Verbrennungstemperaturen verur-sacht werden.

Auch für Flugzeugantriebe wird in Studien derEinsatz von Wasserstoff untersucht. Modellstudienfür die Integration der Wasserstofftanks gibt es ingroßer Zahl. Dabei könnte die Verwendung vonWasserstoff sogar zu einer Erhöhung der Sicherheitführen, da auf dem Dach eines Flugzeug unterge-brachte Wasserstofftanks u.U. eine geringereGefahr bei Notladungen darstellen, als dies diegroßen Mengen Kerosin in den Flügeln tun. Einbislang in seiner Wirkung noch schwer einzuschät-zender Effekt ist die Freisetzung von Wasserdampfin hohen Atmosphärenregionen, die u.U. zu einemverstärkten Treibhauseffekt führen könnten. Dielogistische Versorgung der gesamten zivilen Luft-fahrt mit flüssigem Wasserstoff stellt dabei einenicht zu unterschätzende Herausforderung da, fürdie es bislang keine realistischen Szenarien gibt.

Eine elegante Nutzung des Wasserstoffs ist diekatalytische Verbrennung. Damit können sowohlHeizungssysteme als z.B. auch Kochherde gefahr-los betrieben werden. Die Rückverwandlung inelektrischen Strom kann z.B. über Brennstoffzellenoder in modifizierten Gasturbinen erfolgen. BeiBrennstoffzellen stehen grundsätzlich verschiede-ne Technologien zur Verfügung. Wenn Wasserstoffals Energieträger bereit steht, sind Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen und alkalische Brenn-stoffzellen effiziente Technologien für die Strom-produktion. Vorteile dieser Brennstoffzellentech-nologien sind vor allem die hohen Wirkungsgrade,die auch in kleinen, verteilten Einheiten sowie bei Teillastbetrieb erzielt werden können. Dadurchstellen Brennstoffzellen eine gute Option für die kundennahe Strom- und Wärmeproduktion dar.



Die Nutzung von Wasserstoff in entsprechendmodifizierten Gasturbinenkraftwerken ist eineweitere Option, die aber erst ab Leistungen imBereich von 100 kW wirtschaftlich effizient einge-setzt werden kann.

Grundsätzlich muss für alle Anwendungsfällegeprüft werden, wie die beste ökonomische undtechnische Effizienz erzielt werden kann. EineRückverwandlung in Strom hat nur einen Wir-kungsgrad zwischen 30 und 50 % (siehe Abb. 14).Dabei ist zu berücksichtigen, dass das in Abb. 14aufgeführte Szenario von einem stationären Spei-chersystem ausgeht, das mit geringem Wasserstoff-druck arbeitet. Muss der Wasserstoff stark kompri-miert oder gar verflüssigt und zudem transportiertund verteilt werden, sinken die erzielbarenGesamtwirkungsgrade schnell in den Bereich von20 bis 25 %. Die Wasserstofferzeugung aus Strommacht also dann und nur dann Sinn, wenn derStrom nicht direkt verbraucht oder abtransportiertwerden kann, es somit also zu einer Abschaltungder mit regenerativer Energie arbeitenden Stromer-zeuger kommen würde. Wo und wann diese Bedin-gungen erfüllt sind, muss im Einzelnen untersuchtund bewertet werden.

T h e r m i s c h e S p e i c h e r f ü r e f f i z i e n t e n B e t r i e b v o n K r a f t -W ä r m e - K o p p l u n g s a n l a g e n

Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) erlaubeneinen energetisch effizienten Einsatz von Brenn-stoff, insbesondere auch Biomasse. Der hoheGesamtwirkungsgrad wird dabei erreicht durcheine Nutzung von Wärme und elektrischem Strom.Dies bedingt aufgrund der schlechten Transportfä-higkeit von Wärme einen Betrieb nahe beim Wär-meverbraucher. Derzeit wird die überwiegendeZahl von KWK-Anlagen „wärmegeführt“ betrie-ben, was bedeutet, dass die Anlagen immer danngestartet werden, wenn ein Wärmebedarf besteht.Der dabei anfallende Strom wird dann ins Strom-netz abgegeben, unabhängig davon, ob hier geradeBedarf besteht oder nicht.

Dies führt z.B. dazu, dass beim Anfahren typischerGebäudeheizungssysteme mit KWK-Anlagen inden frühen Morgenstunden zur Beendigung derNachtabsenkung der Gebäudetemperatur Strom zueinem Zeitpunkt minimalen Bedarfs erzeugt wird.Eine Speicherung des elektrischen Stroms zurAbgabe ans Netz zu Zeiten hohen Bedarfs wäre

Abb. 14: Wirkungsgradketten von Wasserstoffspeichersystemen nach gegenwärtigem Stand der Technik und längerfristiges Potential



aufwändig und teuer. Dagegen ist es wesentlichökonomischer, die Wärme zu speichern und dafürdie KWK-Anlage zu Zeiten des höchsten Strombe-darfs im Netz zu betreiben („stromgeführter“Betrieb). Die Wärme kann dann zum Bedarfszeit-punkt entnommen werden.

Effiziente und kostengünstige thermische Speicherstellen hier also eine interessante Option dar, umden Bedarf an elektrischen Speichern zu minimie-ren. Während Niedertemperaturspeicher (ca. 60 bis100°C) sehr gut mit Wasserspeichern abgedecktwerden können, gibt es für den Bereich der thermi-schen Hochtemperaturspeicher (> 200°C), wie sieinsbesondere für Prozesswärme interessant sind,noch Forschungsbedarf. Verschiedene Salzschmel-zen oder Materialien mit einem Phasenwechsel iminteressanten Temperaturbereich (typischerweiseÜbergang vom festen in den flüssigen Aggregatzu-stand) stellen interessante Optionen dar.

Fa z i t

Ein massiver Ausbau Erneuerbarer Energien, zuder es nach Expertenmeinung mittel- bis langfri-stig keine Alternative gibt, wenn einerseits der stei-

gende Energiebedarf von Schwellen- und Entwick-lungsländern Asiens, Afrikas und Südamerikasgedeckt und andererseits die CO2-Emissionen infür das Weltklima akzeptable Grenzen gehaltenwerden soll, zieht aufgrund des zeitlich fluktuie-renden und nicht kontrollierbaren Angebotsprofilsvon Sonne und Wind einen steigenden Bedarf anSpeicherkapazitäten für elektrische Energie nachsich. Abb. 15 zeigt die technisch sinnvollen Ein-satzbereiche verschiedener Speichertechnologienals Funktion der Energiespeicherkapazität, dertypischen Entladeladedauer und der direkt damitverbundenen installierten Leistung. Zusätzlich istdie spezifische auf die installierte Energiekapazitätbezogene Leistung angegeben. Die Abbildungmacht deutlich, dass durch die verschiedenen Spei-chertechnologien das ganze Spektrum benötigterLeistungen und Energien im Prinzip abgedecktwerden kann.

Keine Aussage ist dabei über die Wirtschaftlichkeitder verschiedenen Optionen gemacht. Es ist aberwichtig zu sehen, dass technische Lösungen mög-lich und bekannt sind. Für unterschiedliche Anfor-derungen werden aber auch immer verschiedeneTechnologien zum Einsatz kommen. Pumpspeich-erkraftwerke sind heute die „Arbeitspferde“ im

Abb. 15: Typische Sys-temgrößen für verschie-dene Speichertechnolo-gien als Funktion derinstallierten Speicherka-pazität (Energie), derinstallierten Lade-/Entla-deleistung und der typi-schen Entladedauer



Netz zum Ausgleich zwischen Angebot und Nach-frage. Die reinen Pumpspeicherkraftwerke sindtypischerweise relativ begrenzt in Bezug auf diespeicherbare Energiemenge. Um mittels Wasser-kraft auch ein Langzeitspeicherpotential erschlie-ßen zu können, muss untersucht werden, welcheder bestehenden und bisher als reine Speicherseeneingesetzte Anlagen als Pumpspeicherkraftwerkenachgerüstet werden könnten. Das Potential istgroß (Option VII in Abb. 15). Größtes Problemdabei sind die in den meisten Fällen fehlendenUnterwasser mit ausreichender Kapazität.

Der Wirkungsgrad von Druckluftspeicheranlagenliegt heute bei Kombinationen von Druckluftspei-chern mit einem konventionellen GuD-Kraftwerkbei etwa 55 %. Allerdings sind Druckluftspeicherin ähnlicher Weise an geeignete geologische For-mationen gebunden wie Wasserkraftwerke. Daherist die Errichtung nicht immer dort möglich, woder Speicherbedarf anfällt. Durch die Kombinationder Druckluftspeichersysteme mit konventionellenGuD-Anlagen zur Steigerung der Effizienz wirdzudem die installierte Kraftwerksleistung am Ortdes Speichers weiter erhöht, was im Fall vonbegrenzter Netzkapazität kontraproduktiv seinkann. Diese Einschränkung entfällt, wenn derzweite Typ von Druckluftspeicher mit integriertemHochtemperaturspeicher zum Einsatz kommt. Beiverbessertem Wirkungsgrad gibt es dabei abereinen zusätzlichen Raumbedarf für die thermi-schen Speicher und entsprechend höhere System-kosten.

Batteriesysteme können grundsätzlich sehr schnellauf Lastanforderungen reagieren. Die Beschrän-kung in der Zeitkonstante wird durch die Lei-stungselektronik bestimmt. Grundsätzlich kannproblemlos die maximale Leistung eines Batterie-speichersystems in weniger als 10 ms abgerufenwerden, so dass Korrekturen von Flickern oderanderen Defiziten in der Power Quality im Bereichvon Halbwellen der Netzfrequenz möglich sind.Ähnlich schnell können auch Systeme mit supra-leitenden Spulen, Schwungradspeichern oder Kon-densatoren reagieren.

Große Batteriespeicheranlagen auf Basis von Blei-batterien oder Nickel-Cadmium-Batterien imBereich mehrerer 10 MW Leistung und mehrerer10 MWh Energie sind Stand der Technik und wer-den für die Stabilisierung von schwachen Netzenan verschiedenen Stellen eingesetzt. Der betriebs-wirtschaftliche Nutzen ergibt sich dabei jeweils ausden spezifischen Randbedingungen der Stromver-sorgungsinfrastruktur und den Anforderungen anVersorgungssicherheit und -qualität.

Lithium-Batterien und NiMH-Batterien sind weitweg von der Wirtschaftlichkeit in stationärenAnwendungen. Die im Verhältnis zu anderenelektrochemischen Speichertechnologien hohegravimetrische Energiedichte dieser Technologienspielt in stationären Anwendungen nur eine unter-geordnete Rolle und stellt daher bzgl. der Ökono-mie keinen wesentlichen Vorteil da. Entscheidendfür einen Einsatz in Stromnetzen wird die Zyklen-festigkeit sein, über die heute aufgrund der intensi-ven Entwicklungstätigkeiten noch keine Aussagegemacht werden kann. Zudem gibt es bei Lithium-Batterien eine derart breite Entwicklungstätigkeit,die inzwischen auch die ersten Batteriezellen mitKapazitäten im Bereich von 100 Ah hervorbringt,dass durchaus mittelfristig mit interessanten Pro-dukten zu rechnen ist. Derzeit wird der Marktgetrieben von den mobilen Anwendungen (Laptop,Handy, etc.) sowie dem Automobilmarkt (Hybrid-fahrzeuge, Elektrofahrzeuge).

Hochtemperaturbatterien (NaNiCl oder NaS)haben ebenfalls ein technisch interessantes Potenti-al für load-levelling Anwendungen. Demonstra-tionsanlagen in Japan zeigen, dass ein großtechni-scher Einsatz möglich ist.

Redox-Flow-Batterien sind interessant durch deneinfachen Aufbau der Speichertanks. Allerdingsgibt es noch erheblichen Entwicklungsbedarf inBezug auf geeignete Redox-Paare und die zentra-len Reaktionseinheiten mit den Membranen.Durch die Erzeugung von Wasserstoff aus regene-rativen Quellen kann CO2-Neutralität erreicht wer-den. Gleichzeitig kann gasförmiger Wasserstoff in



Pipelines relativ gut transportiert werden. Durchdie vielseitigen Einsatzmöglichkeiten in Kraftwer-ken, in thermischen Anlagen, in der Industrie undauch im Verkehrsbereich wird der Wasserstoff abersicher nur zu einem kleinen Teil als Zwischenspei-cher für elektrische Speichersysteme (Strom inStrom) dienen. Der Wirkungsgrad „Strom inStrom“ kann mit maximal 50 % nach oben abge-schätzt werden und wird dabei sowohl durchPumpspeichersysteme als auch durch viele elektro-chemische Speichersysteme mit 80 bis 90 % Wir-kungsgrad weit überschritten.

Die Ökonomie der Speichersysteme hängt inerheblicher Weise von den ökonomischen undtechnischen Randbedingungen in der Elektrizitäts-wirtschaft ab, die derzeit in der ganzen Welt einem

anhaltenden Wandel ausgesetzt sind. Klar ist austechnischer Sicht stehen Speichertechnologien fürjede Leistungs- und Energieklasse zur Verfügung.Um eine verbesserte Wirtschaftlichkeit zu errei-chen, ist aber bei fast allen Technologien nocherheblicher Forschungs- und Entwicklungsbedarfvorhanden, um umweltverträglichere, billigere undlanglebigere Materialien und Systeme zu entwick-eln und in den Markt zu bringen.

Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer ist Juniorprofessor fürElektrochemische Energiewandlung und Speicher-systemtechnik am Institut für Stromrichtertechnikund Elektrische Antriebe (ISEA) der RWTHAachen.Kontakt: Jägerstraße 17/19, 52066 Aachen,[email protected],

Date post:	28-Jan-2020
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