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Energiespeichersysteme

Energiespeicher ermöglichen eine zeitliche Anpassung der Nutzenergiebereitstellung an den Bedarf an Nutzenergie. Sie dienen der Verhinderung von Engpässen bei der Energieversorgung und Dissipation (qualitative Abwertung) von Energie aufgrund von Überangebot.

Energiespeicher können nach der gespeicherten Energieform unterschieden werden

  • Elektrische und elektrochemische Energiespeicher
  • Mechanische Speicher
  • Chemische Energiespeicher
  • Thermische Speicher (Wärmespeicher)

Viele Energiespeicher speichern gar keine Energie im physikalischen Sinn, sondern nur ein "Potential(Link => Potential und Energie)", mit dem die Qualität der Energie (z.B. die Temperatur von Wärmeenergie) verändert werden kann (z.B. die Umwandlung von Umgebungswärme in nutzbare Heizwärme). So wird bei Absorptionsspeichern(Link => Sorptionsspeicher) z.B. ein chemisches Potential in Form einer konzentrierten Salzlösung gespeichert. Gegenüber direkten (autarken) Wärmespeichern werden dadurch zum einen sehr viel höhere Energiedichten erreicht und andererseits kann das chemische Potential verlustlos über beliebig lange Zeiträume gespeichert werden, da dies bei Umgebungstemperatur erfolgt.

Autarke thermische Speicher

Thermische Energie wird dem Speicher direkt zugeführt. Dies führt zu einer Anreicherung der thermischen Energie im Speicher in Form von

  • Wärmeenergie => Temperaturerhöhung => Sensible Wärmespeicher
  • Bindungsenergie => Phasenänderung => Latentwärmespeicher

Temperatur des Speichermediums liegt oberhalb oder unterhalb (Kältespeicher) der Umgebungstemperatur => thermische Speicherverluste durch Wärmeaustausch mit der Umgebung

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Nicht-autarke thermische Speicher

Umwandlung thermischer Energie in ein "Potential" (Arbeitsfähigkeit, Exergie), welches bei Bedarf dazu genutzt werden kann, thermische Energie (unter Bezug von Anergie aus der Umgebung) zu erzeugen.

Thermochemische Speicher (reversible chemische Reaktion, Adsorptions- / Absorptionsspeicher)

Wärmekraftmaschine / Wärmepumpe + Mechanischer Energiespeicher

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Vorteile Nicht-autarker Systeme: Hohe Energiedichte, da nur der Exergieanteil gespeichert wird und Anergie an die Umgebung abgeführt bzw. der Umgebung entnommen wird. Ausserdem keine thermischen Speicherverluste, da Speicherung bei Umgebungstemperatur erfolgt.

Nachteil Nicht-autarker Systeme: Konverter ist erforderlich (Energiewandlung) => thermodynamische Verluste.

Prinzipieller Aufbau von Energiespeichern

Speicherbehälter mit Speichermedium

  • Speicherung thermischer Energie => Änderung der inneren Energie / Enthalpie
  • Speicherung mechanischer Energie => Änderung der äußeren Energie (kinetisch / potentiell)

Lade- und Entladevorrichtung

  • Elektromotor – Generator => Energieumwandlung elektrisch – mechanisch
  • Pumpe / Verdichter – Turbine => Energieumwandlung potentiell – kinetisch
  • Wärmeübertrager => Übertragung thermischer Energie zwischen Speichermedium und Wärmeträgermedium (Transport thermischer Energie)

Kenngrössen von Energiespeichern

Speicherkapazität: Energiemenge, die das Speichermedium bei einer bestimmten Zustandsänderung des Speichermediums in vorgegebenen Grenzen (Temperaturänderung, Höhenunterschied) aufnehmen kann

Lade- und Entladeleistung: Energiemenge, die dem Speicher pro Zeiteinheit (dE/dt => Wärmestrom, Leistung) zu- bzw. abgeführt werden kann (bestimmt durch Lade- / Entladevorrichtung, Transportmedium)

Nutzungsgrad: Verhältnis der abgeführten Energiemenge zur zugeführten Energiemenge, bezogen auf einen Betriebszyklus (Energieinhalt des Speichers vor und nach dem Zyklus ist konstant)

Energiedichte: Speicherbare Energiemenge bezogen auf das Volumen oder die Masse des Speichers bzw. Speichermediums

Spezifische Kosten: Kosten des Speichers bezogen auf die Speicherkapazität oder die Lade- bzw. Entladeleistung