Energiespeicher für die Energiewende

Das Konzept, Energie zu einem bestimmten Zeitpunkt zu produzieren und zu einem späteren Zeitpunkt zu konsumieren, ist im Grunde seit Beginn der menschlichen Zivilisation bekannt. Das Mästen einer Martinsgans kann als ein Speichervorgang, der Martinsschmaus als Entladevorgang interpretiert werden. Ganze Industrien leben davon, die Fettspeicher der Menschen zu füllen. Und andere Industrien leben wiederum davon, dafür Sorge zu tragen, dass diese Speicher nicht zu groß werden, oder diese übervollen Speicher auf ein gesundes Maß zu reduzieren.

Obwohl in diesem Buch sehr viele unterschiedliche Speichertechnologien angesprochen werden, ist deren systemtechnische Beschreibung vergleichbar. Ob Elektrofahrzeuge, Pumpspeicherkraftwerke oder Solarstromspeicher – alle diese Systeme lassen sich durch einen einheitlichen Satz von Werkzeugen beschreiben. Dies erleichtert einerseits die Auslegung einzelner Systeme, andererseits auch die Kombination von Technologien zu komplexeren, hybriden Speichersystemen. Eine Reihe von Phänomenen, die bei dieser allgemeinen Betrachtung auftreten, wird auch bei der speziellen Betrachtung der verschiedenen Speichertechnologien wiederkehren. Bereits bei dieser allgemeinen und abstrakten Betrachtung sind einige Phänomene zu beobachten, die bei der Verwendung verschiedenster Speichertechnologien auftreten. Sie werden in diesem Kapitel vorgestellt.

In Kapitel 2 wurden Speichersysteme auf ein einfaches Funktionsprinzip reduziert. Dies erlaubte eine allgemeingültige mathematische Beschreibung, die von den technischen Details abstrahierte. Auf diese Weise konnten Speichersysteme technologieunabhängig beschrieben werden. So war eine Konzentration auf den funktionalen und strukturellen Kern möglich. Tatsächlich ist ein Speichersystem in seinem Aufbau komplexer. In diesem Kapitel wird nun ein weiteres Werkzeug eingeführt, mit dessen Hilfe die Komplexität einer technischen Realisierung beschrieben werden kann.

Mechanische Speicher stellen eine der ältesten Formen der Energiespeicherung dar. Viele mechanische Maschinen arbeiten mit diesen Speichertechnologien. So hat jede mechanische Uhr eine Unruh. Dies ist eine Feder, die regelmäßig „aufgezogen“ werden muss. Der Spannvorgang entspricht einer Speicherung, die Entnahme erfolgt dann durch das Ticken der Uhr.

Morgens im Berufsverkehr trifft man in der U- oder S-Bahn sehr schnell auf thermische Speicher. Meist werden sie dazu verwendet, Heißgetränke warm zu halten: Die Rede ist von der Thermoskanne. Der Speicher wird geladen, indem Wasser erhitzt und mit Aromastoffen versehen wird. Danach wird das aromatisierte Wasser in den Speicher übertragen. Der Nutzer kann dann zu einem späteren Zeitpunkt noch das warme Getränk zu sich nehmen.

Unser Alltag ist ohne elektrische Speicher nicht vorstellbar. Sie sind Bestandteil einer jeden elektronischen Schaltung. Dort dienen sie als Energie- oder Leistungsbuffer oder werden als Filter eingesetzt. In geeigneter Kombination bilden sie Schwingkreise und ermöglichen die Ausstrahlung von modulierten elektromagnetischen Wellen. Die Zeitskalen ihrer Be- und Entladezyklen liegen dabei im Bereich von Millisekunden und darunter. Entsprechend gering sind daher die Kapazitäten dieser Speicher.

Elektrochemische Speicher sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken (Bild 7.1). Nur wenige tragen heutzutage noch eine mechanische Uhr, deren Uhrwerk durch eine Unruh angetrieben wird, die ihre Leistung aus einem mechanischen Speicher bezieht. Weiter verbreitet ist die digitale Uhr, die ihren Zeittakt über einen Quarzkristall erhält, versorgt durch eine kleine Batterie.

Das Speichern von Energie in Form einer chemischen Umwandlung ist ein wesentlicher Prozess im biologischen Leben. Photosynthese kann beispielsweise als ein Speichervorgang angesehen werden, bei dem Sonnenenergie durch die Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser in Sauerstoff und Zucker gespeichert wird. Der gespeicherte Zucker kann dann zu einem späteren Zeitpunkt von anderen organischen Funktionen genutzt werden.

Die bisher dargestellten Speichertechnologien nutzten unterschiedliche physikalische und chemische Prinzipien, um Energie zu speichern. Entsprechend der Anforderung A1 speicherten sie überschüssige Energie, um diese für einen späteren Zeitpunkt bereitzustellen. Diese Speichertechnologien benötigten somit eine positive Residuallast, d. h. eine Überproduktion, damit sie die Energie zeitlich versetzt zum Verbraucher bringen. Die Strategie des Lastmanagements besteht darin, durch geeignete Maßnahmen die Residuallast zu manipulieren. Es folgt der Idee einem Überfluss an Energie einen höheren Verbrauch gegenüberzustellen. Oder, im umgekehrten Fall, einfach weniger zu verbrauchen, wenn weniger Energie zur Verfügung steht.