Energiespeicher

Energiespeicherung ist die Erfassung von Energie, die zu einem späteren Zeitpunkt erzeugt wird. Ein Gerät, das Energie speichert, wird im Allgemeinen als Akku oder Batterie bezeichnet. Energie gibt es in verschiedenen Formen, einschließlich Strahlung, Chemie, Gravitationspotential, elektrischem Potential, Elektrizität, erhöhter Temperatur, latenter Wärme und kinetischer Energie. Bei der Energiespeicherung wird Energie aus schwer zu speichernden Formen in bequemere oder wirtschaftlichere Formen umgewandelt.

Einige Technologien bieten kurzfristige Energiespeicherung, während andere viel länger aushalten können. Massenspeicher werden derzeit von Staudämmen aus Wasserkraft dominiert, sowohl konventionell als auch gepumpt.

Übliche Beispiele für Energiespeicher sind die wiederaufladbare Batterie, die chemische Energie speichert, die leicht in Elektrizität umgewandelt werden kann, um ein Mobiltelefon zu betreiben, der Wasserkraftdamm, der Energie in einem Reservoir als potenzielle Energie der Schwerkraft speichert, und Eisspeicher, die gefrorenes Eis billiger speichern Energie in der Nacht zur Deckung des Tagesbedarfs für die Kühlung. Fossile Brennstoffe wie Kohle und Benzin speichern uralte Energie, die aus Sonnenlicht gewonnen wurde. Später starben Organismen, die begraben wurden und im Laufe der Zeit in diese Brennstoffe umgewandelt wurden. Lebensmittel (die nach dem gleichen Verfahren wie fossile Brennstoffe hergestellt werden) sind Energieformen, die in chemischer Form gespeichert werden.

Methoden

Gliederung
Die folgende Liste enthält verschiedene Arten von Energiespeichern:

Lagerung fossiler Brennstoffe
Mechanisch
Druckluftspeicher (CAES)
Feuerlose Lokomotive
Schwungrad-Energiespeicher
Potentielle Energie der Schwerkraft
Hydraulikspeicher
Pumpspeicherkraftwerk (Pumpspeicherkraftwerk, PHS oder Pumpspeicherkraftwerk, PSH)

Elektrisch, elektromagnetisch
Kondensator
Superkondensator
Supraleitender magnetischer Energiespeicher (SMES, auch supraleitende Speicherspule)

Biologisch
Glykogen
Stärke

Elektrochemie (Batterie-Energiespeichersystem, BESS)
Batterie fließen
Wiederaufladbare Batterie
UltraBatterie

Thermal
Ziegelspeicher
Kryogene Energiespeicher, Flüssiger Luftspeicher (LAES)
Flüssigstickstoffmotor
Eutektisches System
Eisspeicher Klimaanlage
Salzschmelze Lagerung
Phasenwechselmaterial
Saisonale Wärmespeicherung
Solarteich
Dampfspeicher
Wärmespeicher (allgemein)

Chemisch
Biokraftstoffe
Hydratisierte Salze
Wasserstoffspeicherung
Wasserstoffperoxid
Power to Gas
Vanadiumpentoxid

Mechanische Lagerung
Energie kann in Wasser gespeichert werden, das durch Pumpspeichermethoden in eine höhere Höhe gepumpt wird, oder indem Feststoffe zu höheren Orten (Schwerkraftbatterien) transportiert werden. Andere kommerzielle mechanische Verfahren umfassen das Komprimieren von Luft und Schwungrädern, die elektrische Energie in kinetische Energie umwandeln, und dann wieder zurück, wenn der elektrische Bedarf ansteigt.

Wasserkraft
Wasserkraftwerke mit Stauseen können betrieben werden, um Strom zu Zeiten hoher Last bereitzustellen. Wasser wird im Reservoir in Zeiten geringer Nachfrage gespeichert und bei hohem Bedarf abgegeben. Der Nettoeffekt ist dem Pumpspeicher ähnlich, jedoch ohne Pumpverlust.

Ein Staudamm speichert zwar nicht direkt Energie aus anderen Erzeugungseinheiten, er verhält sich jedoch äquivalent, indem er die Leistung in Zeiten überschüssiger Elektrizität aus anderen Quellen senkt. In dieser Betriebsart sind Dämme eine der effizientesten Formen der Energiespeicherung, da sich nur der Zeitpunkt ihrer Erzeugung ändert. Wasserkraftturbinen haben eine Anlaufzeit in der Größenordnung von wenigen Minuten.

Pumpspeicher
Die Pumpspeicher-Wasserkraft (PSH) ist die weltweit größte verfügbare Form der aktiven Energiespeicherung von Stromnetzen. Bis März 2012 berichtet das Electric Power Research Institute (EPRI), dass die PSH über 99% der Massenspeicherkapazität ausmacht weltweit, rund 127.000 MW. Die Energieeffizienz von PSH schwankt in der Praxis zwischen 70% und 80%, mit Ansprüchen von bis zu 87%.

In Zeiten geringen elektrischen Bedarfs wird überschüssige Erzeugungskapazität dazu verwendet, Wasser aus einer niedrigeren Quelle in ein höheres Reservoir zu pumpen. Wenn der Bedarf steigt, wird das Wasser durch eine Turbine in ein unteres Reservoir (oder eine Wasserstraße oder ein Wasserkörper) zurückgeleitet, wodurch Strom erzeugt wird. Umkehrbare Turbinen-Generator-Baugruppen wirken sowohl als Pumpe als auch als Turbine (normalerweise eine Francis-Turbinenkonstruktion). Nahezu alle Anlagen nutzen den Höhenunterschied zwischen zwei Wasserkörpern. Reine Pumpspeicheranlagen verschieben das Wasser zwischen den Stauseen, während der “Rückpump” -Ansatz eine Kombination aus Pumpspeicher und konventionellen Wasserkraftwerken ist, die einen natürlichen Strömungsfluss verwenden.

Druckluft
Druckluftspeicher (CAES) verwendet überschüssige Energie, um Luft für die nachfolgende Stromerzeugung zu komprimieren. Systeme mit kleinem Maßstab werden seit langem in solchen Anwendungen als Antrieb von Minenlokomotiven verwendet. Die Druckluft wird in einem unterirdischen Reservoir als Salzstock gespeichert.

Druckluftspeicheranlagen (CAES) können die Lücke zwischen Produktionsvolatilität und Last schließen. Die Speicherung von CAES deckt den Energiebedarf der Verbraucher ab, indem effektiv verfügbare Energie bereitgestellt wird, um die Nachfrage zu decken. Erneuerbare Energiequellen wie Wind- und Sonnenenergie haben unterschiedliche Ressourcen. Daher ist die Ergänzung anderer Energieformen notwendig, um den Energiebedarf in Zeiten geringer Ressourcenverfügbarkeit zu decken. Druckluftspeicheranlagen können die überschüssige Energieausbeute erneuerbarer Energiequellen in Zeiten der Energieüberproduktion aufnehmen. Diese gespeicherte Energie kann zu einem späteren Zeitpunkt verwendet werden, wenn der Strombedarf steigt oder die Verfügbarkeit von Energieressourcen abnimmt.

Luftkompression erzeugt Wärme; Die Luft ist nach der Kompression wärmer. Expansion erfordert Wärme. Wenn keine zusätzliche Wärme hinzugefügt wird, ist die Luft nach der Expansion viel kälter. Wenn die während der Verdichtung entstehende Wärme gespeichert und während der Expansion genutzt werden kann, verbessert sich die Effizienz erheblich. Ein CAES-System kann auf drei Arten mit der Wärme umgehen. Die Luftspeicherung kann adiabatisch, diabatisch oder isotherm sein. Ein anderer Ansatz verwendet Druckluft, um Fahrzeuge anzutreiben.

Schwungrad-Energiespeicher
Der Schwungrad-Energiespeicher (FES) beschleunigt einen Rotor (Schwungrad) auf eine sehr hohe Geschwindigkeit und hält die Energie als Rotationsenergie. Wenn Energie gewonnen wird, sinkt die Drehzahl des Schwungrads als Folge der Energieerhaltung. Das Hinzufügen von Energie führt entsprechend zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit des Schwungrades.

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

FES-Systeme verfügen über Rotoren aus hochfesten Kohlefaserverbundwerkstoffen, die durch Magnetlager aufgehängt sind und bei Geschwindigkeiten von 20.000 bis über 50.000 U / min in einem Vakuumgehäuse drehen. Solche Schwungräder können in wenigen Minuten die Höchstgeschwindigkeit (“Aufladung”) erreichen. Das Schwungradsystem ist an eine Kombination aus Elektromotor / Generator angeschlossen.

FES-Systeme haben relativ lange Lebensdauern (jahrzehntelang wartungsarm oder wartungsfrei; die für Schwungräder angegebenen vollen Zykluszeiten reichen von über 105 bis zu 107 Nutzungszyklen), eine hohe spezifische Energie (100–130 W · h / kg) oder 360–500 kJ / kg) und Leistungsdichte.

Gravitationspotential Energiespeicher mit festen Massen
Das Ändern der Höhe fester Massen kann über ein von einem Elektromotor / Generator angetriebenes Hubsystem Energie speichern oder abgeben. Potentielle Energiespeicher oder Schwerkraft-Energiespeicher wurden 2013 in Zusammenarbeit mit dem kalifornischen unabhängigen Systembetreiber aktiv entwickelt. Untersucht wurde die Bewegung von erdgefüllten Trichterwagen, die mit elektrischen Lokomotiven angetrieben werden, von tieferen in höhere Lagen.

Zu den Methoden gehören die Verwendung von Schienen und Kränen zum Auf- und Abbewegen von Betongewichten, die Verwendung von solarbetriebenen, schwimmenden Plattformen in großer Höhe, die Winden zum Anheben und Absenken fester Massen unterstützen, und Winden, die von einer Seeschifffahrt getragen werden, um einen Vorteil von 4 km zu erreichen. Höhenunterschied zwischen der Oberfläche und dem Meeresboden. Die Wirkungsgrade können bis zu 85% der Rückgewinnung gespeicherter Energie betragen.

Wärmespeicherung
Thermischer Energiespeicher (TES) ist die temporäre Speicherung oder Abführung von Wärme.

Sensible Wärmeenergiespeicherung
Sensible Wärmespeicherung nutzt sensible Wärme in einem Material, um Energie zu speichern.

Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) ermöglicht die Nutzung von Wärme oder Kälte, nachdem sie aus Abfällenergie oder natürlichen Quellen gewonnen wurde. Das Material kann in geschlossenen Aquiferen, Ansammlungen von Bohrlöchern in geologischen Substraten wie Sand oder kristallinen Untergründen, in mit Kies und Wasser gefüllten Schächten oder in mit Wasser gefüllten Minen gelagert werden. STES-Projekte (Seasonal Thermal Energy Storage) haben sich häufig im Vier- bis Sechsjahresbereich bezahlt gemacht. Ein Beispiel ist die Drake Landing Solar Community in Kanada, für die 97% der Ganzjahreswärme durch solarthermische Kollektoren auf den Garagendächern bereitgestellt wird, wobei ein Bohrloch-Wärmespeicher (BTES) die Schlüsseltechnologie ist. In Braestrup, Dänemark, nutzt das solare Fernwärmesystem der Gemeinde auch STES bei einer Lagertemperatur von 65 ° C (149 ° F). Mit einer Wärmepumpe, die nur dann betrieben wird, wenn im nationalen Netz überschüssige Windkraft zur Verfügung steht, wird die Temperatur zur Verteilung auf 80 ° C erhöht. Wenn kein durch Wind erzeugten Strom vorhanden ist, wird ein Gaskessel verwendet. Braestrups Wärme ist zu zwanzig Prozent solarthermisch.

Latentwärme-Wärmespeicher (LHTES)
Latentwärme-Wärmespeichersysteme arbeiten mit Materialien mit hoher Latentwärmekapazität (Phase of Fusion), die als Phase-Change-Materialien (PCM) bekannt ist. Der Hauptvorteil dieser Materialien besteht darin, dass ihre Latentwärmespeicherfähigkeit viel mehr als sensible Wärme ist. In einem bestimmten Temperaturbereich absorbiert die Phase von fest zu flüssig eine große Menge an thermischer Energie für die spätere Verwendung.

Latentwärme-Wärmespeicher besteht aus einem Prozess, bei dem Energie in Form von Wärme während des Phasenwechsels eines Phasenwechselmaterials (PCM) absorbiert oder freigesetzt wird. Ein PCM ist ein Material mit hoher Schmelzwärme. Eine Phasenänderung ist das Schmelzen oder Verfestigen eines Materials. Während eines Phasenwechsels kann ein PCM aufgrund seiner hohen Schmelzwärme große Energiemengen aufnehmen.

Elektrochemisch

Wiederaufladbare Batterie
Eine wiederaufladbare Batterie umfasst eine oder mehrere elektrochemische Zellen. Sie ist als “Sekundärzelle” bekannt, da ihre elektrochemischen Reaktionen elektrisch reversibel sind. Wiederaufladbare Batterien gibt es in vielen verschiedenen Formen und Größen, von Knopfzellen bis zu Megawatt-Netzsystemen.

Wiederaufladbare Batterien haben niedrigere Gesamtkosten und einen geringeren Einfluss auf die Umwelt als nicht wiederaufladbare (Einweg-) Batterien. Einige wiederaufladbare Batterietypen sind in derselben Form erhältlich wie Einwegartikel. Wiederaufladbare Batterien haben höhere Anschaffungskosten, können jedoch sehr kostengünstig aufgeladen und viele Male verwendet werden.

Zu den üblichen Chemikalien für wiederaufladbare Batterien gehören:

Blei-Säure-Batterie: Blei-Säure-Batterien halten den größten Marktanteil bei elektrischen Speicherprodukten. Eine einzelne Zelle erzeugt etwa 2 V, wenn sie aufgeladen wird. Im geladenen Zustand werden die negative Elektrode aus metallischem Blei und die positive Elektrode aus Bleisulfat in einen verdünnten Schwefelsäure- (H2SO4) -Elektrolyten getaucht. Beim Entladungsprozess werden Elektronen aus der Zelle gedrückt, während sich an der negativen Elektrode Bleisulfat bildet, während der Elektrolyt zu Wasser reduziert wird.
Die Blei-Säure-Batterie-Technologie wurde umfassend entwickelt. Der Unterhalt erfordert einen minimalen Arbeitsaufwand und seine Kosten sind niedrig. Die verfügbare Energiekapazität der Batterie unterliegt einer schnellen Entladung, was zu einer geringen Lebensdauer und einer geringen 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 wurden fast vollständig durch Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH-Batterien) ersetzt.
Nickel-Metallhydrid-Batterie (NiMH): 1989 waren die ersten kommerziellen Typen erhältlich. Diese sind heute ein verbreiteter Konsumenten- und Industrietyp. Die Batterie enthält anstelle von Cadmium eine Wasserstoff absorbierende Legierung für die negative Elektrode.
Lithium-Ionen-Akku: Die Wahl in vielen Unterhaltungselektronik und hat eines der besten Energie-Masse-Verhältnisse und eine sehr langsame Selbstentladung, wenn sie nicht verwendet wird.
Lithium-Ionen-Polymerbatterie: Diese Batterien sind leicht und können in jeder gewünschten Form hergestellt werden.

Batterie fließen
Eine Durchflussbatterie arbeitet, indem sie eine Lösung über eine Membran leitet, wo Ionen ausgetauscht werden, um die Zelle zu laden / zu entladen. Die Zellenspannung wird chemisch durch die Nernst-Gleichung bestimmt und liegt in praktischen Anwendungen zwischen 1,0 und 2,2 V. Ihre Speicherkapazität hängt vom Volumen der Behälter ab, in denen sich die Lösung befindet.

Eine Durchflussbatterie ist technisch sowohl einer Brennstoffzelle als auch einer elektrochemischen Akkumulatorzelle ähnlich. Kommerzielle Anwendungen sind für lange Halbzyklusspeicherung wie Backup-Netzstrom vorgesehen.

Superkondensator
Superkondensatoren, auch elektrische Doppelschichtkondensatoren (EDLC) oder Ultrakondensatoren genannt, sind Oberbegriffe für eine Familie elektrochemischer Kondensatoren, die keine herkömmlichen festen Dielektrika aufweisen. Die Kapazität wird durch zwei Speicherprinzipien bestimmt: Doppelschichtkapazität und Pseudokapazität.

Superkondensatoren schließen die Lücke zwischen herkömmlichen Kondensatoren und wiederaufladbaren Batterien. Sie speichern die meiste Energie pro Volumen oder Masse (Energiedichte) zwischen Kondensatoren. Sie unterstützen bis zu 10.000 Farad / 1,2 Volt, bis zu 10.000 Mal mehr als Elektrolytkondensatoren, liefern oder akzeptieren jedoch weniger als die Hälfte der Leistung pro Zeiteinheit (Leistungsdichte).

Während Superkondensatoren spezifische Energie- und Energiedichten haben, die ungefähr 10% der Batterien ausmachen, ist ihre Leistungsdichte im Allgemeinen um das 10- bis 100-fache höher. Dies führt zu viel kürzeren Lade- / Entladezyklen. Darüber hinaus tolerieren sie wesentlich mehr Lade- und Entladezyklen als Batterien.

Superkondensatoren unterstützen ein breites Anwendungsspektrum, darunter:

Niedriger Versorgungsstrom für die Speichersicherung im statischen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (SRAM)
Energie für Autos, Busse, Züge, Kräne und Aufzüge, einschließlich der Energierückgewinnung beim Bremsen, der kurzfristigen Energiespeicherung und der Energieversorgung im Burst-Modus

Andere chemische

Power to Gas
Power to Gas ist eine Technologie, die Elektrizität in gasförmigen Brennstoff wie Wasserstoff oder Methan umwandelt. Die drei kommerziellen Verfahren verwenden Elektrizität, um Wasser mittels Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff zu reduzieren.

Bei der ersten Methode wird Wasserstoff in das Erdgasnetz eingespeist oder im Verkehr oder in der Industrie eingesetzt. Die zweite Methode besteht darin, den Wasserstoff mit Kohlendioxid zu kombinieren, um Methan unter Verwendung einer Methanierungsreaktion wie der Sabatier-Reaktion oder einer biologischen Methanisierung 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 Biogasaufwerter mit dem Wasserstoff aus dem Elektrolyseur gemischt wurde, um die Qualität des Biogases zu verbessern.

Wasserstoff
Das Element Wasserstoff kann eine Form gespeicherter Energie sein. Wasserstoff kann über eine Wasserstoff-Brennstoffzelle Strom erzeugen.

Bei Durchbrüchen unter 20% der Netznachfrage verändern erneuerbare Energien die Wirtschaftlichkeit nicht wesentlich; Über 20% der Gesamtnachfrage hinaus wird die externe Speicherung jedoch wichtig. Wenn diese Quellen zur Herstellung von ionischem Wasserstoff verwendet werden, können sie frei expandiert werden. 2007 startete in der abgelegenen Gemeinde Ramea, Neufundland und Labrador ein fünfjähriges Pilotprojekt auf Gemeinschaftsebene mit Windkraftanlagen und Wasserstoffgeneratoren. Ein ähnliches Projekt begann 2004 auf Utsira, einer kleinen norwegischen Insel.

Energieverluste im Wasserstoffspeicherungszyklus entstehen durch die Elektrolyse von Wasser, die Verflüssigung oder Verdichtung des Wasserstoffs und die Umwandlung in Elektrizität.

Um ein Kilogramm Wasserstoff zu erzeugen, werden etwa 50 kWh (180 MJ) Sonnenenergie benötigt, daher sind die Stromkosten von entscheidender Bedeutung. Bei 0,03 USD / kWh, einer in den USA üblichen Hochspannungsrate außerhalb der Spitzenlast, kostet Wasserstoff 1,50 USD pro Kilogramm Strom, was 1,50 USD pro Gallone für Benzin entspricht. Andere Kosten beinhalten die Elektrolyseuranlage, Wasserstoffkompressoren oder Verflüssigung, Lagerung und Transport.

Wasserstoff kann auch aus Aluminium und Wasser hergestellt werden, indem die natürlich vorkommende Aluminiumoxidbarriere von Aluminium abgestreift und in Wasser eingebracht wird. Dieses Verfahren ist vorteilhaft, da recycelte Aluminiumdosen als Brennstoff zur Erzeugung von Wasserstoff verwendet werden können. Systeme zur Nutzung dieser Option wurden jedoch nicht kommerziell entwickelt und sind viel komplexer als Elektrolyse-Systeme. Übliche Verfahren zum Ablösen der Oxidschicht umfassen Ätzkatalysatoren wie Natriumhydroxid und Legierungen mit Gallium, Quecksilber und anderen Metallen.

Unterirdische Wasserstoffspeicherung ist das Speichern von Wasserstoff in unterirdischen Kavernen, Salzstöcken und erschöpften Öl- und Gasfeldern. Große Mengen an gasförmigem Wasserstoff werden von Imperial Chemical Industries seit vielen Jahren problemlos in unterirdischen Kavernen gelagert. Das europäische Hyunder-Projekt wies 2013 darauf hin, dass die Speicherung von Wind- und Sonnenenergie mit unterirdischem Wasserstoff 85 Kavernen erfordern würde.

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

Synthetisches Erdgas (Synthesegas oder SNG) kann in einem mehrstufigen Prozess erzeugt werden, ausgehend von Wasserstoff und Sauerstoff. Wasserstoff wird dann in einem Sabatier-Prozess mit Kohlendioxid umgesetzt, wobei Methan und Wasser erzeugt werden. Methan kann gespeichert und später zur Stromerzeugung verwendet werden. Das entstehende Wasser wird recycelt, wodurch der Wasserbedarf reduziert wird. In der Elektrolysestufe wird Sauerstoff zur Methanverbrennung in einer Umgebung mit reinem Sauerstoff in einem benachbarten Kraftwerk gespeichert, wodurch Stickoxide entfernt werden.

Bei der Methanverbrennung entstehen Kohlendioxid (CO2) und Wasser. Das Kohlendioxid kann recycelt werden, um den Sabatier-Prozess zu beschleunigen, und Wasser kann zur weiteren Elektrolyse recycelt werden. Bei der Herstellung, Lagerung und Verbrennung von Methan werden die Reaktionsprodukte recycelt.

Das CO2 hat einen wirtschaftlichen Wert als Bestandteil eines Energiespeichervektors, keine Kosten wie bei der Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid.

Macht zu flüssig
Power to Liquid ist vergleichbar mit Strom wie Gas, der durch die Elektrolyse aus Wind- und Sonnenstrom erzeugte Wasserstoff wird jedoch nicht in Gase wie Methan, sondern in Flüssigkeiten wie Methanol umgewandelt. Methanol ist leichter zu handhaben als Gase und erfordert weniger Sicherheitsvorkehrungen als Wasserstoff. Es kann für den Transport einschließlich Flugzeugen, aber auch für industrielle Zwecke oder im Energiesektor eingesetzt werden.

Biokraftstoffe
Verschiedene Biokraftstoffe wie Biodiesel, Pflanzenöl, Alkoholkraftstoffe oder Biomasse können fossile Kraftstoffe ersetzen. Verschiedene chemische Verfahren können Kohlenstoff und Wasserstoff in Kohle, Erdgas, pflanzlicher und tierischer Biomasse und organischen Abfällen in kurze Kohlenwasserstoffe umwandeln, die als Ersatz für vorhandene Kohlenwasserstoffbrennstoffe geeignet sind. Beispiele sind Fischer-Tropsch-Diesel, Methanol, Dimethylether und Synthesegas. Diese Dieselquelle wurde im Zweiten Weltkrieg in Deutschland intensiv genutzt, da der Zugang zu Rohölvorräten eingeschränkt war. Südafrika erzeugt den größten Teil des Dieselkraftstoffs des Landes aus ähnlichen Gründen. Ein langfristiger Ölpreis über 35 USD / Barrel kann solche synthetischen Flüssigbrennstoffe im großen Maßstab wirtschaftlich machen.

Aluminium
Aluminium wurde von einer Reihe von Forschern als Energiespeichermethode vorgeschlagen. Das elektrochemische Volumenäquivalent von Aluminium (8,04 Ah / cm3) ist fast viermal so groß wie Lithium (2,06 Ah / cm3). Energie kann aus Aluminium gewonnen werden, indem es mit Wasser zu Wasserstoff umgesetzt wird. Um mit Wasser zu reagieren, muss Aluminium jedoch von seiner natürlichen Oxidschicht befreit werden, ein Prozess, der Pulverisierung, chemische Reaktionen mit ätzenden Substanzen oder Legierungen erfordert. Das Nebenprodukt der Reaktion zur Erzeugung von Wasserstoff ist Aluminiumoxid, das mit dem Hall-Héroult-Verfahren wieder in Aluminium zurückgeführt werden kann, wodurch die Reaktion theoretisch erneuerbar wird. Wenn der Hall-Heroult-Prozess mit Solar- oder Windkraft betrieben wird, könnte Aluminium verwendet werden, um die erzeugte Energie mit einem höheren Wirkungsgrad als die direkte Solarelektrolyse zu speichern.

Bor, Silizium und Zink
Bor, Silizium und Zink wurden als Energiespeicherlösungen vorgeschlagen.

Andere chemische
Die organische Verbindung Norbornadien wandelt sich bei Lichteinwirkung in Quadricyclan um und speichert Sonnenenergie als Energie chemischer Bindungen. In Schweden wurde ein Arbeitssystem als molekulares Solarthermiesystem entwickelt.

Elektrische Methoden

Kondensator
Ein Kondensator (ursprünglich als Kondensator bezeichnet) ist eine passive elektrische Komponente mit zwei Anschlüssen, die zum elektrostatischen Speichern von Energie verwendet wird. Praktische Kondensatoren variieren stark, aber alle enthalten mindestens zwei elektrische Leiter (Platten), die durch ein Dielektrikum (Isolator) getrennt sind. Ein Kondensator kann elektrische Energie speichern, wenn er von seinem Ladekreis getrennt wird, sodass er wie eine vorübergehende Batterie oder andere Arten von wiederaufladbaren Energiespeichersystemen verwendet werden kann. Kondensatoren werden üblicherweise in elektronischen Geräten verwendet, um die Stromversorgung während des Batteriewechsels aufrechtzuerhalten. (Dies verhindert einen Informationsverlust im flüchtigen Speicher.) Herkömmliche Kondensatoren liefern weniger als 360 Joule pro Kilogramm, während eine herkömmliche Alkalibatterie eine Dichte von 590 kJ / kg hat.

Kondensatoren speichern Energie in einem elektrostatischen Feld zwischen ihren Platten. Bei einer Potentialdifferenz über den Leitern (z. B. wenn ein Kondensator an einer Batterie befestigt ist) entsteht ein elektrisches Feld über dem Dielektrikum, wodurch sich positive Ladung (+ Q) auf einer Platte und negative Ladung (-Q) auf sammeln die andere Platte. Wenn eine Batterie ausreichend lange an einem Kondensator befestigt ist, kann kein Strom durch den Kondensator fließen. Wenn jedoch eine Beschleunigungs- oder Wechselspannung an die Leiter des Kondensators angelegt wird, 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 enger ist und die Leiter eine größere Oberfläche haben. In der Praxis emittiert das Dielektrikum zwischen den Platten einen geringen Leckstrom und weist eine elektrische Feldstärkengrenze auf, die als Durchbruchspannung bezeichnet wird. Der Effekt der Erholung eines Dielektrikums nach einem Hochspannungsausfall verspricht jedoch eine neue Generation von Selbstheilungskondensatoren. Die Leiter und Leiter führen zu unerwünschten Induktivitäten und Widerständen.

Die Forschung untersucht die Quanteneffekte von Nanokondensatoren für digitale Quantenbatterien.

Supraleitende Magnetik
Supraleitende magnetische Energiespeichersysteme (SMES) speichern Energie in einem Magnetfeld, das durch den Fluss von Gleichstrom in einer supraleitenden Spule erzeugt wird, die auf eine Temperatur unterhalb ihrer kritischen Supraleitentemperatur abgekühlt wurde. Ein typisches SMES-System umfasst eine supraleitende Spule, ein Stromaufbereitungssystem und einen Kühlschrank. Sobald die supraleitende Spule aufgeladen ist, fällt der Strom nicht ab und die magnetische Energie kann unbegrenzt gespeichert werden.

Die gespeicherte Energie kann durch Entladen der Spule an das Netzwerk abgegeben werden. Der zugehörige Wechselrichter / Gleichrichter verursacht in jeder Richtung etwa 2-3% Energieverlust. KMU verlieren im Energiespeicherprozess die geringste Menge an Strom im Vergleich zu anderen Energiespeichermethoden. SMES-Systeme bieten einen Rundlaufwirkungsgrad von mehr als 95%.

Aufgrund des Energiebedarfs der Kühlung und der Kosten für supraleitende Drähte wird SMES für die Lagerung von kurzer Dauer verwendet, beispielsweise zur Verbesserung der Stromqualität. Es hat auch Anwendungen in der Netzbilanzierung.

Anwendungen

Mills
Die klassische Anwendung vor der industriellen Revolution bestand in der Kontrolle der Wasserstraßen, um Wassermühlen für die Verarbeitung von Getreide oder Maschinen anzutreiben. Komplexe Systeme aus Stauseen und Dämmen wurden gebaut, um bei Bedarf Wasser (und die darin enthaltene potenzielle Energie) zu speichern und freizusetzen.

Energiespeicher für Zuhause
Angesichts der wachsenden Bedeutung der dezentralen Erzeugung erneuerbarer Energien (insbesondere der Photovoltaik) und des erheblichen Anteils des Energieverbrauchs in Gebäuden wird eine zunehmende Verbreitung von Eigenenergiespeichern erwartet. Um in einem mit Photovoltaik ausgestatteten Haushalt eine Selbstversorgung von 40% zu überschreiten, ist eine Energiespeicherung erforderlich. Mehrere Hersteller stellen wiederaufladbare Batteriesysteme zur Speicherung von Energie her, um im Allgemeinen überschüssige Energie aus der heimischen Sonnen- / Winderzeugung zu halten. Heutzutage sind für die Speicherung von Energie im Haushalt Li-Ionen-Batterien gegenüber Blei-Säure-Batterien vorzuziehen, da sie ähnliche Kosten, aber eine viel bessere Leistung aufweisen.

Tesla Motors produziert zwei Modelle der Tesla Powerwall. Eine Version ist eine 10 kWh-Version mit wöchentlichem Zyklus für Sicherungsanwendungen und die andere Version ist eine 7 kWh-Version für Anwendungen mit täglichem Zyklus. Im Jahr 2016 kostete eine begrenzte Version des Telsa Powerpack 2 398 US-Dollar / kWh für die Speicherung von Strom im Wert von 12,5 Cent / kWh (US-amerikanischer durchschnittlicher Netzpreis), was eine positive Kapitalrendite bezweifelt, wenn die Strompreise nicht über 30 Cent / kWh liegen.

Enphase Energy kündigte ein integriertes System an, mit dem Heimanwender Strom speichern, überwachen und verwalten können. Das System speichert 1,2 kWh Stunden Energie und 275 W / 500 W Leistung.

Die Speicherung von Wind- oder Sonnenenergie durch Wärmespeicherung ist zwar weniger flexibel, ist jedoch wesentlich kostengünstiger als Batterien. Ein einfacher 52-Gallonen-elektrischer Warmwasserbereiter kann etwa 12 kWh Energie zur Erwärmung von Warmwasser oder zur Raumheizung speichern.

Aus rein finanziellen Gründen kann in Gebieten, in denen eine Nettomessung verfügbar ist, Strom aus eigener Erzeugung über einen Netzwechselrichter ohne die Verwendung von Batterien zum Speichern an das Netz verkauft werden.

Netzstrom und Kraftwerke

Speicher für erneuerbare Energien
Die größte Quelle und der größte Vorrat an erneuerbarer Energie werden von Staudämmen aus Wasserkraft bereitgestellt. Ein großes Reservoir hinter einem Damm kann genug Wasser speichern, um den jährlichen Fluss eines Flusses zwischen trockener und nasser Jahreszeit zu mitteln. Ein sehr großes Reservoir kann genug Wasser speichern, um den Fluss eines Flusses zwischen trockenen und nassen Jahren zu messen. Ein Wasserkraftwerk speichert zwar nicht direkt Energie aus intermittierenden Quellen, aber er balanciert das Netz aus, indem er die Leistung senkt und das Wasser hält, wenn Strom durch Sonnen- oder Windkraft erzeugt wird. Wenn die Erzeugung von Wind oder Sonne die Wasserkraft der Region übersteigt, wird eine zusätzliche Energiequelle benötigt.

Viele erneuerbare Energiequellen (insbesondere Sonnen- und Windkraft) erzeugen variable Energie. Speichersysteme können die dadurch verursachten Ungleichgewichte zwischen Angebot und Nachfrage ausgleichen. Strom muss verwendet werden, da er erzeugt oder sofort in speicherbare Formen umgewandelt wird.

Die Hauptmethode für die Speicherung von Stromnetzen ist die Pumpspeicher-Wasserkraft. Gebiete der Welt wie Norwegen, Wales, Japan und die USA haben geographische Merkmale für die Lagerstätten verwendet und sie mit elektrisch angetriebenen Pumpen gefüllt. Bei Bedarf durchläuft das Wasser Generatoren und wandelt das Schwerkraftpotential des fallenden Wassers in Elektrizität um. Das Pumpspeicherwerk in Norwegen, das fast alle Elektrizität aus Wasserkraft bezieht, hat derzeit eine Kapazität von 1,4 GW. Da die installierte Gesamtkapazität jedoch fast 32 GW beträgt und 75% regulierbar sind, kann sie erheblich erweitert werden.

Einige Arten von Speicher, die Elektrizität erzeugen, umfassen Staudämme mit Pumpspeicher, wiederaufladbare Batterien, Wärmespeicher, einschließlich geschmolzener Salze, die sehr große Mengen an Wärmeenergie speichern und abgeben können, und Druckluftspeichersysteme, Schwungräder, Kryosysteme und supraleitende Magnetspulen.

Überschüssiger Strom kann auch bei der Bevorratung im Erdgasnetz in Methan (Sabatier-Prozess) umgewandelt werden.

Im Jahr 2011 erstellte die Bonneville Power Administration im Nordwesten der USA ein experimentelles Programm, um überschüssigen Wind und Wasserkraft zu absorbieren, der nachts oder in stürmischen Zeiten, die von starken Winden begleitet werden, erzeugt wird. Unter zentraler Kontrolle absorbieren Haushaltsgeräte überschüssige Energie, indem sie keramische Ziegelsteine ​​in speziellen Raumheizgeräten auf Hunderte von Grad erwärmen und die Temperatur modifizierter Warmwasserspeicher erhöhen. Nach dem Aufladen bieten die Geräte nach Bedarf Heizung und Warmwasser. Das experimentelle System wurde als Ergebnis eines heftigen Sturms im Jahr 2010 geschaffen, bei dem die erneuerbaren Energien so weit überproduziert wurden, dass alle konventionellen Energiequellen stillgelegt wurden, oder im Fall eines Kernkraftwerks auf ein möglichst geringes Betriebsniveau zurückblieb, wodurch ein großes Maß erhalten blieb fast vollständig mit erneuerbaren Energien betrieben.

Eine weitere fortschrittliche Methode, die beim ehemaligen Solar-Two-Projekt in den Vereinigten Staaten und beim Solar Tres Power Tower in Spanien verwendet wurde, verwendet Salzsalz, um die von der Sonne aufgenommene Wärmeenergie zu speichern, um sie anschließend in elektrische Energie umzuwandeln. Das System pumpt geschmolzenes Salz durch einen Turm oder andere spezielle Leitungen, um von der Sonne erwärmt zu werden. Isolierte Tanks speichern die Lösung. Strom wird erzeugt, indem Wasser in Dampf umgewandelt wird, der den Turbinen zugeführt wird.

Seit dem frühen 21. Jahrhundert wurden Batterien für Lastnivellierungs- und Frequenzregelungsfunktionen im Versorgungsbereich eingesetzt.

Bei der Fahrzeug-zu-Netz-Speicherung können Elektrofahrzeuge, die an das Energienetz angeschlossen sind, bei Bedarf gespeicherte elektrische Energie aus ihren Batterien in das Netz abgeben.

Klimaanlage
Zur Klimatisierung kann thermischer Energiespeicher (TES) verwendet werden. Es wird am häufigsten für die Kühlung einzelner großer Gebäude und / oder Gruppen kleinerer Gebäude verwendet. Kommerzielle Klimaanlagen tragen am stärksten zu elektrischen Spitzenlasten bei. Im Jahr 2009 wurde der Wärmespeicher in über 3.300 Gebäuden in über 35 Ländern genutzt. Es funktioniert, indem es nachts Eis erzeugt und das Eis zur Kühlung an heißen Tagen verwendet.

Die bekannteste Technik ist die Eislagerung, die weniger Platz als Wasser erfordert und weniger kostet als Brennstoffzellen oder Schwungräder. In dieser Anwendung läuft ein Standardkühler nachts, um einen Eishaufen zu erzeugen. Das Wasser zirkuliert dann tagsüber durch den Haufen, um Wasser zu kühlen, das normalerweise die Tagesleistung des Kühlers ist.

Ein Teilspeichersystem minimiert die Kapitalinvestitionen, indem die Kühlmaschinen fast 24 Stunden am Tag betrieben werden. Nachts produzieren sie Eis zur Lagerung und tagsüber kühlen sie Wasser ab. Wasser, das durch das schmelzende Eis zirkuliert, steigert die Produktion von gekühltem Wasser. Ein solches System erzeugt 16 bis 18 Stunden am Tag Eis und schmilzt sechs Stunden am Tag Eis. Die Investitionen werden reduziert, da die Kühlmaschinen nur 40 – 50% der Größe eines herkömmlichen Designs ohne Lagerung ausmachen können. Die Lagerung reicht aus, um einen halben Tag verfügbare Wärme zu speichern.

Ein Vollspeichersystem schaltet die Kühler während der Spitzenlaststunden ab. Die Investitionskosten sind höher, da ein solches System größere Kühler und ein größeres Eisspeichersystem erfordert.

Dieses Eis entsteht, wenn der Stromverbrauch niedriger ist. Off-Peak-Kühlsysteme können die Energiekosten senken. Das US Green Building Council hat das LEED-Programm (Leadership in Energy und Environmental Design) entwickelt, um die Gestaltung von Gebäuden mit geringerer Umweltbelastung zu fördern. Off-Peak-Kühlung kann zur LEED-Zertifizierung beitragen.

Wärmespeicher zum Heizen ist seltener als zum Kühlen. Ein Beispiel für eine Wärmespeicherung ist die Speicherung von Sonnenwärme, die nachts zum Heizen verwendet wird.

Latente Wärme kann auch in technischen Phasenwechselmaterialien (PCMs) gespeichert werden. Diese können in Wand- und Deckenplatten eingeschlossen werden, um die Raumtemperatur zu mildern.

Transport
Flüssige Kohlenwasserstoffbrennstoffe sind die am häufigsten verwendeten Formen der Energiespeicherung für den Transport, gefolgt von einer zunehmenden Verwendung von batterieelektrischen Fahrzeugen und Hybrid-Elektrofahrzeugen. Andere Energieträger wie Wasserstoff können verwendet werden, um die Entstehung von Treibhausgasen zu vermeiden.

Öffentliche Verkehrssysteme wie Straßenbahnen und Oberleitungsbusse benötigen Strom, aber aufgrund ihrer unterschiedlichen Bewegungsmöglichkeiten ist eine gleichmäßige Stromversorgung mit erneuerbarer Energie eine Herausforderung. Photovoltaikanlagen, die auf den Dächern von Gebäuden installiert sind, können verwendet werden, um öffentliche Transportsysteme in Zeiten anzutreiben, in denen ein erhöhter Bedarf an Elektrizität besteht und der Zugang zu anderen Energieformen nicht ohne weiteres möglich ist.

Elektronik
Kondensatoren werden häufig in elektronischen Schaltungen zum Sperren von Gleichstrom verwendet, während Wechselstrom durchgelassen wird. In analogen Filternetzwerken glätten sie die Ausgabe von Netzteilen. In Resonanzkreisen stimmen sie Funkgeräte auf bestimmte Frequenzen ab. In elektrischen Kraftübertragungssystemen stabilisieren sie den Spannungs- und Leistungsfluss.