atw - International Journal for Nuclear Power | 04.2023

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atw Vol. 68 (2023) | Ausgabe 4 ı Juni ENERGY POLICY, ECONOMY ENERGY AND SYSTEMS LAW 28 | Superkondensatorenfertigung in Grossröhrsdorf bei Skeleton Technologies mit dem patentierten „Curved Graphene“, das einer der entscheidenden Faktoren ist, wenn es um die Ergebnisse bei Energiedichte und Lebensdauer geht. Foto: Skeleton Technologies Neben Kondensatoren sind auch Spulen altbekannte elektrische Bauteile – und zentrale Elemente einer weiteren Form elektrischer Speicher. Den supraleitenden magnetischen Energiespeichern, kurz SMES. In einer mit Gleichstrom gespeisten Spule baut sich ein magnetisches Feld auf. Ist der Ladevorgang beendet, wird die Spule kurzgeschlossen und der Strom fließt nun verlustfrei. Beim Entladen kann eine solche Spule eine hohe Leistung in wenigen Sekunden abgeben. Das funktioniert allerdings nur, wenn das Material ein Supraleiter ist und auf extrem tiefe Temperaturen abgekühlt wird. Die Speicherung für sich betrachtet, hat einen Wirkungsgrad für einen Lade-Entladezyklus sensationell nahe bei 100 Prozent. Allerdings verlangt die aufwändige Maschinerie zur Erzeugung der tiefen Temperaturen ihren Tribut und treibt die Kosten für solche Speicher extrem in die Höhe. In Kombination mit einer recht hohen Selbstentladung von etwa 10 Prozent pro Tag limitiert das den Einsatzbereich auf kleinere Leistungsspeicher zur Stabilisierung des Netzes. verrichten und Generatoren, um Strom zu erzeugen. Nach genau diesem Prinzip funktionieren Schwungrad-Speicherkraftwerke. Sie wandeln elektrische in kinetische und anschließend wieder in elektrische Energie. Und das geht so: Ein Elektromotor versetzt eine Masse, den Rotor, in konstante Drehungen. Zum Entladen treibt das Schwungrad einen Dynamo an und erzeugt damit elektrische Energie. Das klingt erst einmal recht simpel. Doch der Teufel steck wie immer im Detail. Denn der Rotor dreht sich bis zu 50.000-mal in der Minute um die eigene Achse – eine Herausforderung für die Materialwissenschaft. Die antwortet zum Beispiel mit leichten Energie in Bewegung Dass elektrischer Strom in mechanische Energie umgewandelt werden kann, machen wir uns jeden Tag zunutze. Wir lassen Motoren rotieren, um Arbeit zu | Kinetisches Energie-Rückgewinnungssystem ("Flybird Systeme" für ein Formel-1-Auto in diesem Fall). Dieses System verwendet ein Schwungrad, die kinetische Energie speichert, wenn die Fahrzeugbremsen abgebremst werden. Diese Energie wird dann recycelt, unsd verwendet um das Fahrzeug zu beschleunigen in entscheidenden Momenten des Rennens (z. B. am Kurvenausgang). Foto: Geni / GFDL CC-BY-SA Energie Systems Energiespeicher – Ein Überblick ı Kai Dürfeld
atw Vol. 68 (2023) | Ausgabe 4 ı Juni | Das Pumpspeicherwerk Castaic (Castaic Power Plant, auch Castaic Pumped Storage Plant) mit sieben Turbinen/Generatoreinheiten, das vom Los Angeles Department of Water and Power (LADWP) betrieben wird, gehört zu den zehn größten Wasserkraftwerken der USA. Foto: Wikipedia und gleichzeitig hochbeanspruchbaren, kohlefaserverstärkten Kunststoffen. Zweiter Knackpunkt sind die Verluste durch die allgegenwärtige Reibung, die zu einer Selbstentladung bis zu 20 Prozent pro Stunde führen können. Da lässt sich beispielsweise mit Magnetlagerung gegensteuern. Oder mit einem Betrieb im Vakuum. Von der Leistungsseite betrachtet, reichen Schwungradspeicher vom Kilowattbereich bis in den zweistelligen Megawattbereich. Heute sind solche Systeme bereits als Kurzzeitspeicher im Einsatz. Wesentlich längere Speicherdauern und auch höhere Leistungen gewähren hingegen Technologien, die Strom in potenzielle Energie umwandeln. Das bekannteste und weltweit in großem Stil genutzte Beispiel ist das Pumpspeicherkraftwerk. Bei diesem fördern elektrisch betriebene Pumpen große Mengen an Wasser in ein höhergelegenes Reservoir. Das ist der Ladevorgang. Zum Entladen fließt das Wasser zurück in tiefere Lagen. Dabei treibt es eine Turbine an und die stellt elektrische Energie bereit. Der Vorteil: Die Dimensionen solcher Kraftwerke erlauben das Speichern wirklich großer Energiemengen. Die Speicherdauer wird nicht durch eine Selbstentladung begrenzt. Und der Wirkungsgrad liegt bei etwa 80 Prozent. Pumpspeicherkraftwerke sind deshalb die einzigen wirklich großen Speicher für elektrische Energie, die wir aktuell in großem Maßstab betreiben. Und da zeigen sich dann die Nachteile der Technologie. Sie ist – zumindest in Deutschland – nicht in dem Maße ausbaufähig, wie wir es brauchen könnten. Zurzeit speichern sie rund 40 Gigawattstunden elektrische Energie und könnten Deutschlands Stromversorgung damit 30 Minuten aufrechterhalten. Um eine 7 Tage Reserve aufzubauen, müssten die Kapazitäten um den Faktor 280 erhöht werden. Dazu fehlen hierzulande die geeigneten Standorte. Ob Skandinavien die Rettung für uns sein könnte, darüber streiten sich noch die Experten. Neben der Standortfrage stellen Pumpspeicherkraftwerke auch einen großen Eingriff in die Landschaft dar. Das zu verhindern, versprechen sich Forscher vom Osmose-Pumpspeicher. Aktuell existiert er nur auf dem Papier. Die Idee: Es gibt zwei Wasserreservoirs – eines mit Salz und eines ohne. Zwischen beiden liegt eine Membran, die nur die Wassermoleküle durchlässt. Normalerweise ist ein solches System bestrebt, den Salzgehalt in beiden Gefäßen auszugleichen. Süßwasser drängt also durch die Membran und erzeugt einen Druck. Der lässt sich in elektrische Energie umwandeln. Zum Aufladen wird das Wasser dann wieder zurück auf die „süße Seite“ gedrängt, damit die Salzkonzentration auf der anderen steigt. Zusätzlich – und hier kommt der Pumpspeicher ins Spiel – sollen beide Wassermassen in die Höhe gefördert werden. Das alles – so die Idee – könnte im Turm eines Windrades stattfinden. Damit würde es seinen eigenen Speicher für windstille Zeiten erhalten. Bis es so weit ist, wird aber wahrscheinlich noch einige Zeit vergehen. Aktuell sind die Forscher der Technischen Universität Darmstadt dabei, eine zehn Meter hohe Pilotanlage zu bauen. Nach dem gleichen Prinzip wie Pumpspeicherkraftwerke arbeiten Schwerkraft- oder Lageenergiespeicher – nur mit einem anderen Trägermedium. Aktuell ENERGY POLICY, ECONOMY ENERGY AND SYSTEMS LAW 29 Energie Systems Energiespeicher – Ein Überblick ı Kai Dürfeld
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