Fachgebiet

Speicherung elektrischer Energie

Technisches Feld der Erfindung

Der weitere Ausbau von Wind- und Solaranlagen sorgt dafür, dass Strom aus diesen Quellen selten gleichzeitig mit dem Verbrauch erzeugt werden kann. Deshalb gewinnen

Stromspeichertechnologien wachsende Aufmerksamkeit und sind bei steigendem Ausbau der genannten regenerativen Stromerzeugung eine Voraussetzung für die geplante

Ablösung bisheriger konventioneller Stromerzeugung. Doch welche Energiespeicher sind geeignet, regenerativ erzeugten Strom ins bestehende System von Netzen, Kraftwerken und Verbrauchern zu integrieren? Die Antwort ist heute immer noch offen und bekannte

Konzepte wie Pumpspeicherkraftwerke sind im weiteren Ausbau begrenzt oder

Batteriesysteme großtechnisch zu teuer und neue Konzepte wie Wasserstoffspeicherung noch nicht erprobt und in weiter Ferne.

Die Ausbauplanung sieht vor, dass der Strombedarf in Deutschland im Jahr 2050 zu 80 Prozent aus regenerativen Quellen gedeckt werden soll, was hohe und vielfältige

Anforderung an bekannte und neue Speichertechnologien stellen wird. Für die Speicherung sind Technologien zum Ausgleiche kurzfristiger Fluktuationen im Minuten- und

Stundenbereich bis hin zur Langfristspeicherung in Monatszeiträumen zu suchen.

Zusammen mit einem intelligentem Lastmanagement und neuen Netzstrukturen werden Speichertechnologien künftig die Versorgungssicherheit und Zuverlässigkeit der elektrischen Energieversorgung gewährleisten.

Als eine Antwort auf solche Fragestellungen wird hier eine neue Lösung für

Stromumwandlung in die Wärme und Wärmespeicherung vorgestellt. Die Grundlage der Methode erlaubt eine gleichzeitige (simultane) Wärmeerzeugung und Wärmespeicherung als Ergebnis von Stromfluss durch eine elektrisch leitende dreidimensionale offenzellige poröse Struktur (im Weiteren als Q-Regenerator genannt). Bei dem Q-Regenerator handelt sich um einen Hochtemperatur-Wärmespeicher. Das Konzept des Q-Regenerators ist in Abb. 1 allgemein dargestellt Stand der Technik

Der weitere Ausbau von Wind- und Solaranlagen sorgt dafür, dass Stromerzeugung und Stromverbauch immer häufiger zeitlich auseinander laufen. Der Stromverbauch richtet sich nicht nach den schwankenden Erträgen aus Photovoltaik (PV) und Windenergie und zeigt eine starke Tageszeit- und Ortsabhängigkeit. Die Überbrückung der Diskrepanz von regenerativ erzeugtem Strom und Verbrauch kann sinnvoll nur durch entsprechende Speicherung der regenerativ erzeugten Energie erfolgen.

Bisherige Lösungsversuche und dabei auftretende, technische Probleme

Welche Energiespeichertechnologien sind heute verfügbar und wie weit sind diese geeignet den regenerativ erzeugten Strom ins bestehende System der elektrischen Netze, Kraftwerke und Verbraucher zu integrieren? Es gibt vier Hauptgruppen der Energiespeicherung, die direkt oder indirekt den Strom speichern können (Abb. 2)

Speicher von chemischer Energie: z.B. Akkumulatoren, Redox-Flow-Batterie,

Energiespeicher Wasserstoff

Speicher von elektrischer Energie: Kondensatoren

Speicher von mechanischer Energie: z.B. Schwungrad, Druckluftspeicher,

Pumpspeicherwerk

Speicher von Wärme (thermische Energie): z.B. Wärmespeicherwerk (Niedertemperatur), Latentwärmespeicher, chemische Wärmespeicher, PCM (phase change material)

Akkumulatoren: Energie kann mittels chemischer Reaktionen gespeichert werden. Die Akkumulatoren sind wieder aufladbar, aber ein gravierender Nachteil ist hohes Gewicht und damit verbunden ihre relativ niedrige Energiedichte bezüglich der Masse (z.B.. Li-Ionen- Technologien 200 Wh/kg) und hohe Kosten. Z. B. mit Lithium-Ionen-Batteriesystemen deckt die Firma Saft in einer Anlage Spitzenlasten bis zu drei Stunden ab. Im kommenden Jahr sollen erstmals bis zu 30 Batteriecontainer mit 560 kWh und über einem Megawatt Leistung gebaut werden. Aufgrund der relativ hohen Speicherkosten eignen sich diese Batterien nur für spezielle Anwendungen wie zum Beispiel Insellösungen. Das gilt auch für Großbatterien mit Vanadium-Redox-Flow-Technologie, die Kraftwerke in Industrie und Kommunen ergänzen können. Auch diese Energiespeicher mit flüssigen Vanadiumsalzen stoßen in die Megawatt-Klasse vor. In der Notstromfunktion, beim Decken von Eigenbedarf oder beim Vermeiden von Netzausbaukosten können sich diese Energiespeicher in Richtung

Wirtschaftlichkeit entwickeln. Die Abbildung 3 stellt die Energiedichte verschiedener Akkumulatoren bezüglich des Gewichts in Vergleich mit Energiedichte flüssiger Kraftstoffes (Benzin) dar.

•Energiespeicher Wasserstoff: Wasser (H ₂ 0) als die Bindung zwischen den zwei

Wasserstoffatomen (H) und dem Sauerstoffatom (O) ist sehr stabil. Wasser kann nur unter Energieaufwand (z.B. Stromüberfluss aus erneuerbaren Stromquellen) in Wasserstoff und Sauerstoff getrennt werden. Die folgende Abbildung zeigt die vielfältigen Möglichkeiten, bei denen der Energieträger Wasserstoff eingesetzt werden kann-Abb. 4.

Nachteilig ist die mittelmäßige Energieeffizienz und geringe Erfahrungen zur Lebensdauer von Brennstoffzellen in energietechnischen Anlagen, für die 20 bis 30 Jahre gefordert wird.

•Kondensatoren: Mit Kondensatoren kann elektrische Energie gespeichert werden.

Gegenüber Akkumulatoren haben Kondensatoren den Vorteil, dass sie nahezu beliebig oft geladen und entladen werden können. Ihr Nachteil ist jedoch die relativ geringe elektrische Energiedichte (auch bei Doppelschichtkondensatoren) und sie kommen daher nur für Kurzzeitspeicherung in Frage kommen.

•Schwungrad: Schwungräder werden i.a. zur Speicherung kinetischer Energie eingesetzt, werden. Z.B. bei Experimenten zur Kernverschmelzung am Institut für Plasmaphysik in Garching bei München wird kurzzeitig eine hohe elektrische Leistung von bis zu 200 MW benötigt. Um diese Leistung bereitstellen zu können betreibt man elektrische Generatoren, die von großen Schwungrädern betrieben werden. Das größte der vier Schwungräder besitzt eine Masse von 230 t. Der damit betriebene Generator kann für 10 Sekunden lang eine elektrische Leistung von 150 MW bereitstellen. Diese Speichertechnologie eignet sich ebenso wie Kondensator-basierte System nur für die Kurzzeitspeicherung im

Sekundenbereich.

Druckluftspeicher: Pressluftspeicher eignen sich sehr gut zum Speichern von

"Stromüberschuss". Die Energie wird in der Form von komprimierter Luft, die in unterirdische Kavernen (z.B. Salzstöcke) gepresst wird, und in Zeiten von "Strommangel" kann man die Energie wieder nutzen, indem man die Turbine mit der komprimierten Luft antreibt. In Zeiten geringen Bedarfs wird die elektrische Energie (z.B. einer Windkraftanlage) durch den elektrisch betriebenen Kompressor (Leistung 60 MW) mit einem Druck von 50-70 bar in Kavernen gepresst. Die Füllung typischer Luftdruckspeicher dauert ca. 8 Stunden. In Zeiten hohen Bedarfs strömt die komprimierte Luft in die Turbinen des Gasturbinenkraftwerks wo z.B. gleichzeitig Erdgas zugeführt und verbrannt wird. Die Druckluft übernimmt die Funktion des Verdichters im konventionellen Gasturbinenkraftwerk, der etwa zwei Drittel der Energie benötigen würde. Ein typisches Druckluftspeicherkraftwerk gibt über zwei Stunden eine Leistung von ca. 200 MW ab, dann sind die Druckluftspeicher leer. Ein Druckluftkraftwerk kann sehr schnell gestartet werden (volle Leistung nach ca. 10 Minuten). Einen Speicher, der Energie in Form komprimierter Luft in unterirdischen Salzhöhlen speichert, gibt es bereits im norddeutschen Huntorf. Die Speicherkapazität entspricht der von einer Million Elektroautos. Der Betreiber EON hält den Bau von weiteren Druckluftspeicherkraftwerken für möglich. Die Wirtschaftlichkeit neuer Speicher mit Wirkungsgraden über 70 Prozent ist allerdings gegenwärtig nicht darstellbar.

Pumpspeicherwerk: Wenn nachts der Bedarf an elektrischer Energie zurückgeht, wird der Energieüberschuss dafür verwendet, Wasser von einem niedrigen Niveau auf ein höheres Niveau zu heben. Untertags kann die potentielle Energie, die im angehobenen Wasser steckt, abgerufen werden. Der Wirkungsgrad für die Speicherung elektrischer Energie im Pumpspeicherwerk ist ca. 75%. Wollte man allerdings die nach dem geplanten massiven Ausbau der regenerativen Quellen erforderliche Energiespeicherung nur mit

Pumpspeicherwerken lösen, so stünde in den meisten Ländern nicht der hierfür erforderlich Raum zur Verfügung. Pumpspeicherwerke sind gut geeignet um auftretende Spitzenlasten im Stundenbereich abzudecken, aber Aufgrund ihrer vergleichsweise geringen

Speicherkapazität und "Flächenverbrauch" eignen sie sich aber nicht zur langfristigen Abdeckung eines großen Energiebedarfs.

Wärmespeicherwerk (rel. Niedertemperatur): Wärmespeicher sind im Haushaltsbereich schon seit längerer Zeit bekannt (z.B. Nachtspeicherheizung). Als Speichermedium dient z.B. Schamott oder Wasser. Eine Kombination solarer Energie und Warmwasserspeicher ist auch möglich - siehe Abb. 5 und 6. Es gibt auch größere Wärmespeicher, welche die

Energie auch über längere Zeit mit nur geringen Verlusten speichern können. Z.B. der Heißwasser-Wärmespeicher in Friedrichshafen (12.000 m3 Speichervolumen) dient im Endausbau der Versorgung von bis zu 570 Wohneinheiten eines Neubaugebiets - siehe Abb. 7. Latentwärmespeicher: Die Speicherung geschieht in erster Linie nicht durch eine

Temperaturerhöhung des Mediums, sondern durch eine Änderung des Aggregatszustande (meist von Festkörper nach Flüssigkeit). Chemische Wärmespeicher: Hier wird die Wärme zunächst dazu verwendet eine chemische Reaktion auszulösen, die nur stattfindet, wenn Wärme zur Verfügung steht: A + B + Energie -^ C + D ; C + D ^ A + B + Energie

Zu Grunde liegende Aufgabe

Die oben dargestellte kurze Beschreibung der Speichertechnologien zeigt, dass das Thema noch nicht zufriedenstellend gelöst worden ist und es besteht ein großer Bedarf nach neuen Speichermethoden, die eine hohe Energiedichte und effiziente und schnelle

Energieumwandlung erlauben, insbesondere für dezentrale Speichersysteme. Ein großes Potential zur Erfüllung solcher Bedingungen könnte ein Hochtemperatur-Speicher darstellen, in welchem der Strom direkt in die Wärme umgewandelt wird. Eine neue Methode die diese Ziele erreichen sollte ist das Hauptziel der Erfindung, die unten detailliert beschrieben wird.

Lösung der Aufgabe der Erfindung

Das Konzept stellt eine neue Methode vor um Stromüberschuss aus regenerativen

Energiequellen (z.B. aus Wind/Solar/Wasser-kraftanlage) in Wärme umzuwandeln und diese Wärme zu speichern. Die Grundlage der Methode erlaubt eine gleichzeitige (simultane) CD- Erzeugung und Q-Speicherung als Ergebnis von Stromfluss durch eine elektrisch leitende dreidimensionale offen-zellige poröse Struktur, die in weiterem als Q-Regenerator genannt wird, sowie eine Wärmeentkoppelung aus der Inneren des Regenerators. Der CD- Regenerator besitzt eine hohe Wärmekapazität, eine große spezifische Oberfläche, diese ist elektrisch leitend und hat eine Porosität. Diese Porosität erlaubt ein effizientes Durchströmen wärmetragender Fluide (z.B. Gas) durch den Q-Regenerator, um die gespeicherte Wärme aus dem Speicher nach außen zu entkoppeln und die Wärme weiter zu nutzen. Der Q- Regenerator besteht aus (Abb. 8): Q-Regenerator, Wärmestrahlungsschirm und

Wärmedämmung. Die Wärmedämmung ist in dieser Abbildung in zwei Varianten aufgeführt:

Ausführungsbeispiele: Variante 1

Variante 1 : Besteht auch aus einer Art von„optischem Schirm" (Wärmestrahlung) und einem Wärmedämmungsschicht (Betriebstemperatur des Q-Regenerators ist wg. Wärmedämmung Variante 2

Variante 2: Besteht auch aus einer Art von„Photonenspiegel", der dafür sorgt, dass kein strahlungsbasierter Wärmeaustausch (Photonenbasierter Energietransport ~ 0) mit der Umgebung stattfindet (Betriebstemperatur des Q-Regenerators kann sehr hoch sein und dadurch ist die Energiedichte des Speichers sehr hoch).

Vorteile der Anwendung der Erfindung

Weil eine erneuerbare Energiequelle (Wind/Sonne/Wasser) als Primärenergie benutzt wird, ist der C02-Bilanz nahezu Null und die Schadstoffemissionen ist ebenfalls auf nahezu Null reduziert.

In Abb. 9. ist eine allgemeine Darstellung des Gesamtsystems angegeben. Die Eigenschaften des Q-Regenerators sind im Vergleich zu anderen Energiespeicherungs- systemen in Abb. 10 dargestellt.

Ein Beispiel der elektrisch leitenden dreidimensionalen offen-zelligen porösen Struktur in deren der Strom in die Wärme umgewandelt und gespeichert wurde ist in der Abb. 1 1 dargestellt.

Die Abb. 1 1 zeigt die folgenden Merkmalle des Prozesses (System ohne Wärme bzw.

Strahlungsdämmung): Der Strom kann in die Wärme in Innerem einer elektrisch leitenden porösen Struktur umgewandelt werden

Die erzeugte Wärme kann direkt in der Struktur gespeichert werden. Die erzeugte Wärme kann homogen im Volumen der Struktur verteilt (gespeichert) werden. Die erzeugte Struktur- Temperaturen sind hoch (deutlich über 1200 K sind möglich). Die Wärmeerzeugungs- und Speicherungsprozesse laufen simultan ab

Die gespeicherte Wärme kann wegen der hoher Porosität der Struktur effizient aus dem Volumen des Speichers nach außen zur Nutzung entkoppelt werden

Die Wärmspeicherungskapazität einer porösen Struktur lässt sich grob über die Masse und die Temperatur des Speichers berechnen. Dieses Beispiel zeigt das Speicherpotential des Q-Regenerators. In einem Kubikmeter Speichervolumen lassen sich mehrere hundert Megajoule Wärme speichern.

Berechnungsbeispiel:

Beispiel;

Q = m _M x c _v x 1T _? z.B. Q-Speicher mit Im ³ Speichervolumen: mit m _PM =350kg; ΔΤ _ΡΜ =1000

Q = 35Qfc$ X IQWJfkgK X m®QM = 350MJ z.B. Q-Speicher mit Im ³ Speichervolumen: mit m _PM =350kg; ΔΤ _ΡΜ =1500Κ

Q = 3So "x mmj/kgK x - 525. ^" ;;

Der Q-Regenerator kann aus Q-Erzeuger oder Wärmeerzeuger und Q-Speicher oder Wärmespeicher (poröse Struktur), äußere Wärmestrahlungsschirm und äußere

Wärmedämmung bestehen. Der Q-Regenerator kann aus Q-Erzeuger und Q-Speicher (poröse Struktur) und einem„Photonenspiegel" bestehen. Strom fließt durch eine elektrisch leitende offenporige poröse Struktur und erzeugt Wärme, die im Festkörper des Q- Regenerators gespeichert wird.

Die Eigenschaften der porösen Struktur erlauben variable Stromparameter (Strom fließt durch die poröse Struktur) und variable Betriebstemperatur des Q-Regenerators. Die

Eigenschaften der porösen Struktur des Q-Regenerators erlauben variable Temperaturen bei Erzeugung und Speicherung der Wärme: von Umgebungstemperatur bis hin zu hohen Temperaturen (je nach Werkstoff T > 1500K) - je nach Art der„Wärmedämmung".

Der Q-Regenerator kann eine Vorrichtung besitzen, um ein wärmetragendes Medium (Q- Träger, z.B. Gas, Flüssigkeit) durchströmen zu lassen um die im Regeneratorvolumen gespeicherte Wärme nach„Außen" zu transportieren und weiter zu nutzen. Eine

Q-Entkoppelung über die Wärmestrahlung ist ebenfalls möglich. Die poröse Struktur des Q- Regenerators kann aus einzelnen Segmenten gebaut werden. Die Einzelsegmente können elektrisch verbunden werden. Die Einzelsegmente können unterschiedliche elektrische, thermische und physikalische Eigenschaften haben. Die poröse Struktur des Q-Regenerators kann aus unterschiedlichen Werkstoffen variabel gebaut werden.

Eine (oder mehrere) elektrische Verbindung des Q-Regenerators mit Stromquellen (z.B. Solar-, Wind- oder Wasserkraftanlage) ist vorhanden und erlaubt eine definierte und kontrollierbare Stromverteilung in der poröse Struktur. Die Stromverteilung und die entsprechende Wärme- und Temperatur-Verteilung in der porösen Struktur des Q- Regenerators können homogen oder inhomogen ausgeführt werden. Die poröse Struktur des Q-Regenerators besitzt eine Porosität, welche eine Durchströmung des Q-Trägers (z.B. Gas) erlaubt. Eine gleichzeitige Q-Erzeugung/Q-Speicherung und Q- Entkoppelung ist möglich. Die Struktur des Q-Regenerators kann eine beliebige Geometrie und Größe haben: eine praktische Realisierung kann die segmentierte und/oder modulare Bauweise nutzen.

In Poren der Struktur des Q-Regenerators (d.h. im freiem Raum im Innerem der Struktur) kann sich ein Medium mit niedrigerer Wärmekapazität (z.B. Luft) oder mit hoher

Wärmekapazität (z.B. Flüssigkeit) befinden. Die Struktur des Q-Regenerators kann zusätzlich auch indirekt von außen zugeheizt werden. Eine kombinierte direkte- und indirekte Q-Erzeugung ist möglich.

Die Wärmedämmung des Q-Regenerators kann mit der Q-Erzeugung/Q-Speicherung Struktur und/oder mit dem Wärmestrahlungsschirm integriert werden. Es kann auch als „Außenwand" separat gebaut werden. Der Wärmestrahlungsschirm (z.B. in Form von optischen Reflektionsschichten) des Q-Regenerators kann mit der Q-Erzeugung/Q- Speicherung Struktur integriert werden. Es kann auch als„Außenwand" separat gebaut werden.

Der Wärmestrahlungsschirm des Q-Regenerators kann mit der Q-Erzeugung/Q- Speicherung-Struktur integriert werden. Es kann auch als„Außenwand" separat gebaut werden. Eine Kombination der Wärmedämmungsmethoden ist möglich.

Die Struktur des Q-Regenerators kann verschiedene Eigenschaften haben: Porosität, Porengröße, Porenverteilung, Porenstruktur, Wärmekapazität, spezifische Oberfläche, Wärmeübertragungseigenschaften (Leitung und Strahlung), elektrische Eigenschaften, maximale Betriebstemperatur, maximaler Betriebsdruck, Thermoschock. Die Wärme kann bei beliebiger Temperatur (von Tmin bis Tmax) erzeugt und gespeichert, sowie entkoppelt werden.

Der Q-Regenerator besitzt einen Wandler, der die entsprechenden elektrischen Parameter zu Q-Erzeugung/Q-Speicherung regelt. Der Q-Regenerator mit dem Wandler kann mit unterschiedlichen Stromquellen verbunden werden (z.B. Wind-, Solar- oder Wasserkraft- Anlage, elektrisches Netz).

Der Q-Regenerator besitzt notwendige Sensoren um energietechnische, elektrische, thermodynamische und strömungstechnische Parameter und Zustandsgroßen zu regeln und sicherheitstechnische Anlagenbedingungen zu erfassen. Je nach Betriebsbedingungen bzw. Bedarf können nur ein Teil oder die gesamte Struktur zur Q-Erzeugung und Q-Speicherung genutzt werden. Der Q-Regenerator kann stationär oder mobil aufgebaut und betrieben werden. Mehrere mobile oder stationäre Anlagen können im Verbund betrieben werden. Der Q-Regenerator kann in eine übergeordnete Steuerung oder in moderne Netzstrukturen (z.B. smart grid) eingebunden werden und als Subsystem betrieben werden.