Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/energiespeicherung-stabileres-stromnetz-mit-schwung-1605-120854.html    Veröffentlicht: 18.05.2016 12:03    Kurz-URL: https://glm.io/120854

Energiespeicherung

Stabileres Stromnetz mit Schwung

Ein Hersteller von Uran-Zentrifugen hat angefangen, Schwungradspeicher zur Energiespeicherung anzubieten und in Containern auszuliefern. Die Technik nähert sich immer mehr der Praxistauglichkeit.

Es gibt viele Wege, Energie zu speichern, und der Bedarf dafür wächst. Je variabler die Energiequellen und der Verbrauch sind, desto wichtiger ist die Speicherung. Einen universellen Speicher gibt es aber nicht, je nach Zweck werden unterschiedliche Eigenschaften benötigt. Eine hohe Kapazität ist dabei nicht das einzig Wichtige, denn bei kurzfristigen Schwankungen in der Stromerzeugung und im Verbrauch sind vor allem hohe Leistungen und schnelle Reaktionszeiten gefragt.

Schwungradspeicher können genau das. Auf der Hannover-Messe hat die Firma Stornetic solche Speicher vorgestellt. Sie können bis zu 92 Prozent von der gespeicherten Energie wieder abrufen. Allerdings gilt das nur für den Idealfall, nämlich dann, wenn die Energie sofort wieder abgerufen wird.

Ein altes Prinzip

Das Prinzip ist einfach: Eine Masse wird über einen Elektromotor mit möglichst wenig Reibung in Rotation versetzt. Derselbe Motor dient später als Generator, um die Rotationsenergie wieder in Strom umzuwandeln. Schwungräder haben als Energiespeicher bei der Stabilisierung der Leistung von Maschinen eine lange Geschichte.

Vor allem in der Anfangszeit der Dampfmaschinen wurden sie genutzt, um in den Totzeiten zwischen den langsamen Arbeitszyklen der Maschinen eine konstante Kraftabgabe zu gewährleisten.

In den 1950er Jahren dienten Schwungräder auch schon zum Antrieb von Bussen in der Schweiz. Im Motorsport hat Audi seinen Le-Mans-Protoyp R18 mit einem Schwungradspeicher ausgestattet. Entwickelt wurde das System von Williams für das KERS in der Formel 1. Wegen technischer Schwierigkeiten kam es dort jedoch nie zum Einsatz.

In Schwungrädern Energie über längere Zeit zu speichern und so Schwankungen in der Energieversorgung des Stromnetzes auszugleichen, ist aber wesentlich aufwendiger. Mit moderner Technik gehen weniger als drei Prozent der Energie pro Stunde verloren. Das ist nur noch ein Viertel vom Stand der Technik im Jahr 2006. Es gibt inzwischen Firmen, die komplette Speicheranlagen in Schiffscontainern ausliefern. Bei den Speichern von Stornetic drehen sich die Rotoren berührungslos auf Magnetlagern in einem Vakuum, dennoch verlieren sie etwa die Hälfte der Energie pro Tag.

Von der Uranzentrifuge zum Schwungrad

Einen Teil des Know-hows zum Bau der Schwungräder hat Stornetic von seiner Mutterfirma ETC (Enrichment Technology Company), einem Unternehmen für Uran-Anreicherungsanlagen, das aus einer Kooperation der französischen Areva mit der britischen Urenco entstanden ist. Die Zentrifugentechnik ist der ideale Ausgangspunkt für die Entwicklung solcher Speicher. Umgekehrt gilt das aber auch.

Die Rotoren der Schwungradspeicher bestehen fast vollständig aus leichten Kohlefaserverbundwerkstoffen. Das mag überraschen, aber die gespeicherte Energie ist nicht nur abhängig von der Masse des Rotors, sondern auch von der Umlaufgeschwindigkeit. Je größer die Umlaufgeschwindigkeit ist, desto größer wird aber auch die nach außen wirkende Fliehkraft. Sie darf nicht zu groß für das Material werden, sonst wird der Rotor zerstört.

Zusätzliche Gewichte bringen nichts

Es lohnt sich übrigens nicht, zusätzliche Gewichte am Rotor des Speichers anzubringen: Die gespeicherte Energiemenge lässt sich genauso gut durch höhere Rotationsgeschwindigkeiten steigern. Zusätzliche Gewichte würden nichts zur Stabilität des Rotors beitragen und damit auch nichts zur Energiespeicherung. Dieses Kalkül geht natürlich nur auf, weil der Rotor frei schwebend in einem Vakuum rotiert und die Rotationsgeschwindigkeit nicht von Reibung begrenzt wird.

Das Material des Rotors wird von chemischen Bindungen zusammengehalten. Die maximale Energie, die in einem Rotor gespeichert werden kann, ist die maximale Energie der chemischen Bedingungen. In der Theorie gilt für Schwungräder damit das gleiche physikalische Prinzip wie für Batterien. In der Praxis bestimmt die schwächste Stelle des Rotors, wie viel Energie maximal in seinen chemischen Bindungen gespeichert werden kann. Dazu kommt das notwendige Material für Antrieb, Elektronik und den Vakuumbehälter. Der Behälter übernimmt auch den Schutz für den Fall, dass der Rotor bei seiner maximalen Geschwindigkeit von 45.000 Umdrehungen pro Minute reißt.

Per Container zum Verbraucher

Der Einsatz dieser Technik kann sich nur lohnen, wenn zwischen Speicherung und Abruf der Energie wenig Zeit liegt. Speicher dieser Art werden beispielsweise in Forschungsanlagen für Kernfusion benutzt, um kurzfristig den Strom für die starken Magnetfelder bereitzustellen. Für langfristiges Speichern größerer Energiemengen sind sie ungeeignet. Das liegt nicht nur an den Verlusten während der Speicherzeit, sondern auch an der mangelnden Wirtschaftlichkeit.

Um die Speicher flexibel einsetzen zu können, werden sie von Stornetic in Standardschiffscontainern angeliefert. Ein Container mit 16 Schwungradspeichern hat eine Nennleistung von einem Megawatt bei einer Kapazität von 57 Kilowattstunden. Auf Anfrage nannte das Unternehmen Kosten in der Größenordnung von etwa einer Million Euro, je nach Lieferzeit. Je seltener der Speicher benutzt wird, desto weniger lohnt sich die Investition. Anders als Batterien sollen die Schwungradspeicher, je nach Bauart, deutlich über 100.000 Speicherzyklen aushalten. Die Mechanik soll 20 Jahre lang halten (also etwa 175.000 Stunden).

Die Preise für die Speicherung liegen bei hoher Auslastung im Bereich von mehreren Cent pro Kilowattstunde. Die Preise sind damit ungefähr mit Batterien vergleichbar, die aber nicht die gleiche Energiemenge in kurzer Zeit bereitstellen können.

Teure Elektrik

Ein großer Teil der Kosten für einen Schwungradspeicher entsteht nicht durch die Konstruktion der Speicher, sondern durch die notwendige Leistungselektronik. Die hohe Leistung aus den Generatoren muss von einer hohen Frequenz, die im Lauf der Zeit immer weiter abnimmt, auf eine stabile Netzfrequenz gebracht und auf Netzspannung transformiert werden.

Die Kosten für die Elektronik sind dabei im Wesentlichen abhängig von der maximalen Leistung und nicht von der gespeicherten Energie. Wenn eine Kilowattstunde in zwei Minuten abgerufen werden soll, muss die Elektronik eine Leistung von 30 Kilowatt aushalten können. Wenn eine Batterie mit einer Kapazität von einer Kilowattstunde über zwei Stunden langsam geleert wird, ist es dagegen nur ein halbes Kilowatt Leistung, für die die Elektronik ausgelegt werden muss. Umso wichtiger ist es, dass die Schwungradspeicher gut ausgenutzt werden, damit sich die Investition rentiert.

Jedoch ist irgendwann jeder Bedarf für kurzfristiges Speichern und Bereitstellen von Strom gedeckt. Weder Schwungräder noch Batterien können über längere Zeit ausbleibende Kapazitäten ersetzen. Dann müssen entweder konventionelle Kraftwerke einspringen oder andere Speicherformen beansprucht werden, die ihre eigenen Nachteile haben. Entweder haben sie Umwandlungsverluste von weit über 50 Prozent - wie bei der Speicherung mit Wasserstoff und anderen chemischen Trägerstoffen -, oder sie haben einen enormen Platzbedarf wie Pumpspeicherbecken. Den optimalen Speicher für alle Fälle wird es wohl nie geben.

In einem Pilotprojekt mit Narando vertonen wir in den kommenden Wochen zwei bis drei Golem.de-Artikel pro Woche. Die Texte werden nicht von Robotern, sondern von professionellen Sprechern vorgelesen. Über Feedback unserer Zuhörer freuen wir uns - im Forum oder an redaktion@golem.de.  (fwp)


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