Hochspannungsprüfbereich und Transformatorprüfbereich an der Außenseite des Energiespeicherlabors ESL, Bucht 3 der Energy Systems Integration Facility ESIF des National Renewable Energy Laboratory. [Bildquelle : Dennis Schroeder / NREL ]
Energiespeicherung wird zunehmend zu einem wichtigen Bestandteil des Einsatzes erneuerbarer Energietechnologien, vor allem aufgrund der zeitweiligen Natur bestimmter erneuerbarer Energiesysteme, insbesondere von Wind und Sonne, die selten Energie erzeugen, wenn sie am meisten nachgefragt wirdEnergiespeicherung soll den durch diese Unterbrechung verursachten Ungleichgewichten entgegenwirken.
Derzeit verwenden Versorgungsunternehmen Grundlastkraftwerke, um die Versorgung aufrechtzuerhalten. Viele davon sind Kohle- und Kernkraftwerke und werden von Lastfolge- oder „Kreislaufanlagen“ unterstützt, bei denen es sich typischerweise um Erdgas oder Wasserkraft handelt.
Gespeicherte Energie hat den Vorteil, dass sie schneller verfügbar ist als eine Turbine, die sich einschaltet, überschüssige Energie speichert und bei Bedarf freigibt. Bisher wurde die vorherrschende Form der Energiespeicherung auf der Grundlage von Reservoirs gepumpt, in denen das Wasser durch Generatoren fließtBei geringem Bedarf wird überschüssige Erzeugungskapazität verwendet, um Wasser von einem niedrigeren Niveau in ein höheres Reservoir zu pumpen. Wenn der Bedarf steigt, wird das Wasser zurück in das untere Reservoir geleitet und durch eine Turbine geleitet, die erzeugtDieser Ansatz ist am stärksten mit Ländern wie Norwegen, Teilen der USA und Wales verbunden. In Norwegen hat der Pumpspeicher eine sofortige Kapazität von 25 bis 30 GW, die auf 60 GW erweitert werden kann.
Derzeit sind weltweit mindestens 140 GW Energiespeicher in großem Maßstab in Stromnetzen installiert, von denen die überwiegende Mehrheit 99 Prozent aus gepumptem Wasserkraftwerk PSH besteht, der Rest aus einem Batteriemix, Druckluftspeicherspeicher CAES, Schwungräder und Wasserstoff. Die Dekarbonisierung des Elektrizitätssektors würde nach Angaben von in den USA, Europa, China und Indien geschätzte 310 GW zusätzlichen netzgekoppelten Stromspeicher erfordern. Energietechnologische Perspektiven ETP 2014 .
Es gibt jedoch zunehmend globale Diskussionen darüber, zum einen, unter welchen besonderen Umständen Energiespeicher tatsächlich erforderlich sind, um die Integration erneuerbarer Energien zu unterstützen, und zum anderen, welche Arten von Energiespeichertechnologie wir voraussichtlich durch die Forschung schaffen werdenund Entwicklungsprozess zur Kommerzialisierung.
Zum Beispiel in Bezug auf die erste Frage, Amory Lovins an der Rocky Mountain Institute in Colorado, USA, argumentiert, dass Energiespeicherung möglicherweise nicht erforderlich .
Trotz aller Kritik an Sonne und Wind aus einigen Bereichen des Energiesektors a Studie von Wissenschaftlern der Stanford University Im März 2014 wurde festgestellt, dass Windkraft tatsächlich genug überschüssigen Strom produzieren kann, um bis zu 72 Stunden gespeicherte Energie zu unterstützen.
Der Windpark am Rio Grande do Sul in Brasilien [Bildquelle : Eduardo Fonseca, Flickr ]
Dies bedeutet, dass die Windindustrie die dreitägige Flaute der Windverfügbarkeit leicht bewältigen kann und daher mit Hilfe der Energiespeicherung sowohl wachsen als auch sich selbst erhalten kann. Für Solar ist jedoch mehr Arbeit erforderlich, da einige Solartechnologien, wie zKristall-Silizium wächst so schnell, dass sie zu Nettoenergiesenken werden und im Wesentlichen mehr Strom verbrauchen, als sie an das Netz zurückgeben. Die Stanford-Studie hat gezeigt, dass sich die meisten PV-Technologien nur bis zu 24 Stunden Speicher leisten können, dies bedeutet jedoch immer nochdass Solar-PV-Systeme mit genügend Speicher eingesetzt werden können, um nachts Strom zu liefern.
Ein weiterer Vorteil von Wind ist, dass der Energy Return on Investment EROI viel besser ist als der von Solarenergie. Eine Windkraftanlage kann innerhalb weniger Monate genug Strom erzeugen, um die gesamte für ihren Bau erforderliche Energie zurückzuzahlen. Mit SolarenergieEnergie beträgt die Amortisationszeit eher zwei Jahre.
Noch ermutigender ist die Tatsache, dass derzeit, falls sich herausstellt, dass Energiespeicher erforderlich sind, alle möglichen neuartigen Technologien entwickelt werden, von denen viele in der Tat sehr vielversprechend aussehen.
Zusätzlich zu diesen neuen Technologien gibt es einige sehr interessante innovative Ideen, die von einer Reihe sehr erfahrener Leute in der Branche präsentiert werden. Nehmen Sie zum Beispiel den Blog des Anonymen schottischer Wissenschaftler der eine einzigartige Speicherlösung befürwortet, die mithilfe von wasserstoffgefüllten Beuteln unter Wasser Energie aus Sonne und Wind speichert.
Scottish Scientist argumentiert, dass PV-Module entweder einzeln oder in den Zwischenräumen zwischen Turbinen in Windparks auf Plattformen montiert werden können. Die PV-Module würden über dem Wasserspiegel, aber unter dem Niveau gehalten, auf dem ihre Anwesenheit das Wasser stören würdeWindstrom. Wasserstoffgas würde dann verwendet, um die von den Plattformen für erneuerbare Energien erzeugte Energie zu speichern.
Das faszinierende Konzept der schwimmenden Wind-, Solar- und Wasserstoff-Energiespeicherung von Scottish Scientist Bild : schottischer Wissenschaftler
So würde es funktionieren. Überschüssiger Wind- und Sonnenstrom würde über ein Seekabel zur Unterwasser-Hochleistungselektrolyse geleitet, die dann zur Herstellung von komprimiertem Wasserstoff verwendet würde. Dieser würde in aufblasbarem Unterwasser gespeichertGassäcke, die vom Gassack bis zur Plattform geleitet werden, wo sie gasbefeuerte Turbinengeneratoren oder Wasserstoffbrennstoffzellen befeuern und bei jedem Wetter bei Bedarf Strom erzeugen.
Lufthebebeutel werden bereits bei Tauch- und Bergungsarbeiten verwendet und sind in Mengen von bis zu 50 Kubikmetern erhältlich. Daher sollte es laut Scottish Scientist möglich sein, viel größere Gassäcke herzustellen oder mehrere Gassäcke zusammenzubauen.
Diese Art von Ansatz wird in tieferen Meeren viel besser durchgeführt, da der Wasserdruck proportional zur Tiefe ist, wodurch der Wasserstoff dichter komprimiert werden kann. Dadurch könnten mehr Wasserstoff und mehr Energie im aufblasbaren Gas gespeichert werdenBeutel. In der Zwischenzeit könnte der Sauerstoff aus dem Elektrolyseprozess entweder einfach wegsprudeln oder gespeichert werden, um die Effizienz des Systems zu erhöhen und gleichzeitig die Nebenprodukte der Stickoxidverbrennung zu reduzieren, die von den wasserstoffbefeuerten Generatoren erzeugt werden.
Für die Unterwasserelektrolyse müsste eine spezielle Elektrolytlösung verwendet werden, um Sauerstoff als Anodengas zu erzeugen, da bei der direkten Elektrolyse von Meerwasser Chlorgas an der Anode entsteht. Dies ist giftig und schwer zu entsorgen. Daher die konzentrierte Elektrolytlösungmüsste durch eine semipermeable Membran vom Meerwasser getrennt werden, damit reines Wasser durch Osmose aus dem verdünnten Meerwasser hindurchtreten kann.
Angesichts des Drucks, den das Meer unter Wasser ausübt, wäre kein Hochdruckbehälter für den Elektrolyten erforderlich, wie dies bei Hochdruckelektrolysesystemen erforderlich ist, die an der Oberfläche arbeiten. Die semipermeable Membran würde ausreichen, um zu haltendie enthaltene Elektrolytlösung.
Scottish Scientist schlägt vor, dass Offshore-Solarenergie vor der Westküste Afrikas zwischen den Kanarischen Inseln und den Caper Verde-Inseln eingesetzt werden könnte. Ein weiteres potenzielles Gebiet für den Einsatz dieses Systems könnte sich irgendwo in der Nähe von Spanien oder im Mittelmeer befindenaus diesen Gebieten durch Unterwasser-Verbindungsleitungen wie bei Offshore-Windparks transportiert werden.
Tiefsee, die für die Wasserstoffspeicherung erforderlich ist, beispielsweise in einer Tiefe von mehr als 4.000 Metern, befindet sich hauptsächlich in bestimmten Gebieten des Atlantischen Ozeans südwestlich des Golfs von Biskaya. Auf dieser Grundlage argumentiert der schottische Wissenschaftler, dassEin Gebiet, das für diese Art von Betrieb besonders geeignet ist, könnte sich westlich und südwestlich der Kanarischen Inseln und nördlich der Kapverdischen Inseln befinden. Dies könnte jedoch angesichts der Kosten nicht nahe genug sein, um Westeuropa zu versorgenvon längeren Verbindungskabeln.
Diese Idee stieß unweigerlich auf Kritik. Beispielsweise deutet einer der Kommentare im Blog darauf hin, dass die Airbags auslaufen würden. Der schottische Wissenschaftler argumentiert jedoch, dass der Druck außerhalb des Beutels der gleiche wie innerhalb sein würde, um dies zu verhindern.Im Wesentlichen besteht die einzige Möglichkeit für Gasmoleküle oder Atome im Fall von Helium, durch den Airbag zu lecken, in der Diffusion, die einen Druckgradienten erfordert, um die Energiebarriere zu überwindenvon Wasserstoff, der auch im Wasser vorhanden ist, wäre sehr gering und das, weil Wasserstoffmoleküle so klein sind, werden sie diffus durch die meisten Materialien.
Als Reaktion darauf schlägt Scottish Scientist vor, dass Experimente mit wasserstoffgefüllten Tauchertaschen verwendet werden könnten, um diese Möglichkeit zu bewerten und weitere Daten zu sammeln. Ein weiterer Kommentar im Blog stellt fest, dass es bereits Patente für ionisch geladene Polymermembranen gibt, diewürde alle Probleme überwinden, die mit der Diffusion von Gas aus dem Beutel verbunden sind. Metallorganische Gerüste MOFs Verbindungen, die aus Metallionen oder Clustern bestehen, die an organische Moleküle koordiniert sind und ein-, zwei- oder dreidimensionale Strukturen bilden, die zur Speicherung von Gasen wie Wasserstoff und Kohlendioxid verwendet werden können.
Scottish Scientist führt weiter aus, dass die Druckdifferenz über die Wand des Beutels von „überhaupt keine am Boden des Gassacks“ bis zur Differenz des Wasserdrucks zwischen dem höheren Wasserdruck am Boden des Beutels variieren würdeden Beutel auf den niedrigeren Wasserdruck und die Oberseite des Beutels entsprechend dem Höhenunterschied mit einer Rate von einem Atmosphärendifferenz pro 10 Meter. Bei einem Höhenunterschied von 5 Metern zwischen Boden und Oberseite des Gassacks ist dies der DruckDer Unterschied würde 0,5 Atmosphären am oberen Rand des Beutels betragen. ”
Mit anderen Worten, der Druckgradient wäre ziemlich niedrig.
Ein weiteres potenzielles Problem wäre die Entfernung, über die der Strom transportiert werden soll. Der schottische Wissenschaftler schlägt vor, dies durch die Entwicklung von Übertragungsleitungen mit noch höherer Spannung zu überwindenEin entfernter Standort würde auch die Entwicklung eines kombinierten Stromerzeugungssystems ermöglichen, das selbst die maximale Stromkapazität der Übertragungsleitung bereitstellen würde.
Die Diskussionen und Debatten um solche Ideen werden unweigerlich noch viele Jahre andauern. Diese Diskussion veranschaulicht jedoch insbesondere das innovative Denken, das derzeit in Bezug auf die Energiespeicherung betrieben wird, und es handelt sich lediglich um WasserstoffHier - es gibt viele andere vielversprechende Ideen, die mit einer Vielzahl unterschiedlicher Ansätze erforscht werden. Addieren Sie das alles und es sieht so aus, als würde sich in den kommenden Jahren ein sehr interessanter Markt für Energiespeichertechnologien entwickeln, wenn dies nicht der Fall istbereits.
Aber schauen wir uns das etwas genauer an. Was ist da draußen schon los?
Erst kürzlich, am 19. Januar th dieses Jahr IHS gab bekannt, dass die Reduzierung der Batteriekosten zusammen mit staatlichen Finanzierungsprogrammen und Ausschreibungen für Versorgungsunternehmen im Verlauf des vierten Quartals 2015 Q4 zu einem Anstieg der globalen Energiespeicherpipeline um 45 Prozent im Vergleich zum Vorquartal geführt hat1,6 GW im vierten Quartal 2015.
Die Ankündigung mehrerer großer Projekte Ende 2015 zeigt, dass die Speicherindustrie allmählich von der Forschungs- und Entwicklungsphase mit Demonstrationsprojekten zu wirtschaftlich tragfähigen Projekten übergeht. Dazu gehörte ein 90-MW-Auftrag von STEAG für die PrimärreserveMarkt in Deutschland und 75 MW Aufträge, die von PG & E an eine Reihe von Unternehmen vergeben wurden, die verschiedene etablierte und aufstrebende Technologien einsetzen.
IHS geht davon aus, dass 2016 rund 900 MW globaler netzgebundener Batterieprojekte in Betrieb genommen werden, was eine prognostizierte Verdoppelung des weltweit installierten netzgebundenen Energiespeichers unterstützt. Von den geplanten Installationen werden 45 Prozent in den USA sein, weitere 20Prozent in Japan.
Leider ist dies ein wirklich umfangreiches Thema, das in Bezug auf die meisten Technologien außerhalb von Batterien und Pumpspeichern noch in den Kinderschuhen steckt. Daher würde ein wirklich umfassender Überblick über die Entwicklungen im Energiespeichersektor mehrere weitere in Anspruch nehmenErwarten Sie daher in Kürze weitere Artikel zum Thema Energiespeicherung, die einen tieferen Einblick in einige der dortigen Forschungsarbeiten geben.