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Speicherung von PV-Strom (Photovoltaik)

Mit Hilfe einer PV-Anlage mit einer integrierten Speicherlösung können Hausbesitzer mehr Energie über Solarkollektoren erzeugen, wodurch die Abhängigkeit von Strom aus dem Netz verringert wird und die Energiekosten des Systems gesenkt werden. Mit einem Standalone-PV-System werden nur etwa 30 Prozent des erzeugten Stroms vor Ort verbraucht, während die Zugabe von einem Speichersystem den Eigenverbrauch auf 70 Prozent oder mehr erhöht. Um dies erreichen zu können, eignen sich Energiespeichersysteme perfekt als Eigenverbrauch im Vergleich zur Netzeinspeisung. In einer netzgekoppelten Konfiguration arbeitet der Wechselrichter in der Regel als Hauptsteuerpunkt mit integriertem Speichersystem in einer solchen Photovoltaik Anlage. Diese verwaltet die Interaktion zwischen der Batterie, der Solarkollektoren, des Energieversorgungsnetzes und dem Verbraucher. Doch wie funktioniert das System, und sollte die erzeugte Energie an Ort und Stelle verbraucht, gespeichert oder ins Netz eingespeist werden?

Funktionsweise des PV-Stroms

Der Energiefluss zwischen der PV-Anlage, den Haushaltsgeräten, der Batterie und dem öffentlichen Netz wird durch eine zentrale Steuereinheit, die in der Regel in den Wechselrichter integriert wird, verwaltet. Bevor das Gerät entscheiden, wo die Energie zu einem bestimmten Zeitpunkt benötigt wird, müssen die notwendigen Informationen gesammelt werden. Abgesehen von dem aktuellen Energiebedarf der Haushalts- und Energieerzeugungsdaten der PV-Anlage, muss der Wechselrichter die Menge an Energie in der Batterie erkennen, um die Energie aus dem Versorgungs-Haushalt zu speichern. Die zentrale Steuereinheit übernimmt auch Daten aus dem Haushalt, um die Wirksamkeit des Energiestrommanagements anzupassen. Mit Hilfe solcher Intelligenz, ist der Wechselrichter in der Lage, die ordnungsgemäße Verwendung der Batterie zu bestimmen und die Umsetzung eines Grundlast-Managements zu ermöglichen.

Aufgaben einer PV-Anlage

Das Einschalten der Haushaltsgeräte, wie einen Kühlschrank oder einen Gefrierschrank, ist die oberste Priorität des Systems. Wenn die PV-Anlage seine Energieproduktion am Morgen beginnt, wird bereits eine Menge der erzeugten Elektrizität vor Ort bereitgestellt sein, damit Sie die Kaffeemaschine, den Toaster oder das Radio einschalten können. Wenn die Sonnenintensität später am Tag zunimmt, leitet das System die überschüssige Energie zum Aufladen der Batterien zu. Besonders an sehr sonnigen Tagen sollten die Batterien des Speichersystems während der Stoßzeiten um die Mittagszeit aufgeladen werden. Idealerweise sollte eine kleine, fast konstante Menge von Energie über einen längeren Zeitraum durch ein Netz im Gitter innerhalb einer kurzen Zeit eingespritzt werden. Durch ein intelligentes Aufladen der Batterie können PV-Anlagen mit integrierten Storage-Lösungen dazu beitragen, Spitzenlasten zu erzeugen und dadurch das Stromnetz stabilisieren. Nachdem die Batterie abends alle notwendige Energie gespeicherten hat, schaltet sich das System automatisch aus. Wenn die Batteriekapazität in der Nacht nicht ausreicht, kann trotzdem zusätzlicher Strom aus dem Netz bezogen werden. Idealerweise sollte der Akku über genügend Kapazität verfügen, um den Energiebedarf des Haushalts vom Abend bis zum nächsten Morgen auszugleichen, um eine vollständige Energieunabhängigkeit der Haushalte erreichen zu können. Die Zugabe eines intelligenten Lastmanagements in den Wohnbereichen ist dabei in der Lage, eine Interaktion mit der PV + Energiespeicherung zu ermöglichen. Auf diese Weise wird die nächste große Herausforderung für den Eigenverbrauch maximiert. Zusammen mit allen intelligenten Geräten, die ferngesteuert werden können, ist es weiterhin möglich, den Verbrauch zu bestimmten Zeiten zu verringern oder zu vergrößern, wenn eine gewisse Menge an PV-Energie zur Verfügung steht.

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Druckluft als Speicher im Visier

 

Die Wassersportler kennen das Problem, den Wind zum richtigen Zeitpunkt nutzen. Das ist keine einfache Aufgabe und ein solches Problem gibt es auch beim Betrieb von Windkraftwerken. Diese Anlagen sind stark vom Wind abhängig. Die Aufgabe ist es, den bedarfsorientierten Strom zu erzeugen. Es ist in der Praxis so, erzeugt der Wind Strom so wird dieser in diesem Moment nicht benötigt. Aber auch umgekehrt stehen die Windräder still, wenn der Bedarf an Strom hoch ist.

Damit dieser Zwiespalt beseitigt wird, stehen Druckluftspeicher im Fokus von Regierung und Stromproduzenten. Ein Druckluftspeicher für elektrische Energie funktioniert ähnlich wie ein Wasserpumpspeicher. Zuerst wird Strom verbraucht, um die Luft zu komprimieren und diese Druckluft wird in unterirdischen Großlagern gespeichert. Wird Strom benötigt, wird die Druckluft zusammen mit Erdgas in eine Brennkammer geleitet. Dabei entsteht ein Luft-Gas-Gemisch und diese wird verbrannt. Durch diese Verbrennung wird eine Gasturbine angetrieben. Ein Generator erzeugt aus der Bewegungsenergie der Turbine Strom.

Vor- und Nachteile des Druckluftspeichers

Ein Druckluftspeicher hat den großen Vorteil, das Stromangebot und Stromnachfrage besser aufeinander abgestimmt werden kann. Sie funktionieren als Netzregler, ohne in die Natur einzugreifen. Anders wie bei einem Pumpspeicherkraftwerk, wo Einschnitte in die Landschaft hingenommen werden müssen.

Druckluftspeicher besitzen die Möglichkeit, die Anteile der Windenergie als Strommix auszuweiten. Vorgesehen ist auch in der Zukunft die Fotovoltaik auszubauen.

Ein weiterer Vorteil des Druckluftspeichers ist die Spitzenlastfähigkeit. Diese Energie kann in wenigen Minuten zur Verfügung gestellt werden. Ein weiterer Pluspunkt ist, dass bei einem gefüllten Speicher sofort hochgefahren werden kann, ohne selbst Strom zu benötigen. Das ist von großer Bedeutung, denn fallen in anderen Kraftwerken der Strom aus so können diese mithilfe des Druckluftspeichers hochfahren können.

Ein Nachteil des Druckluftspeichers ist, es wird mehr Strom verbraucht als regeneriert wird. Die volle Leistung kann nur über einen gewissen Zeitpunkt gewährleistet wird. Das Kraftwerk in Deutschland kann über zwei Stunden vollen Strom liefern. Das Kraftwerk in den USA über 26 Stunden.

Ein weiterer Minuspunkt ist, dass ein Druckluftspeicher an bestimmte geologische Standorte gebunden ist. Nach der heutigen Entwicklung muss dieser Speicher in einem Salzstock platziert werden. Außerdem benötigt ein Druckluftspeicher Erdgas. Somit sind die Stromkosten an die Preise der fossilen Rohstoffe gebunden. Der Strom aus Druckluftspeichern ist im Moment noch teuer und wird deshalb nur zu Spitzenlastzeiten verwendet.

Die Herausforderung der heutigen Zeit ist Strom sicher und effizient in großen Mengen zu speichern. So werden heute Projekte weltweit in Auftrag gegeben. In Deutschland wird das Projekt ADELLE angegangen und hier soll der Bau eines adiabatischen Druckluftspeichers erfolgen. Das ist das Kraftwerk der Zukunft und an dieser Stelle wird die Elektrizitätsversorgung zu Zeiten eines hohen Stromangebots zu Luft komprimiert und in Kavernen gepresst. Die dabei entstandene Wärme wird einem Wärmespeicher zwischengespeichert. Steigt der Strombedarf, wird die Druckluft unter der Rückgewinnung der Wärme zur Stromerzeugung genutzt. Ein Konzept für die Zukunft.

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Besonderheiten des Druckluftspeicherkraftwerks

Die eingeläutete Energiewende steht vor einer großen Belastung. Die Entwicklung von Stromspeichern stockt und auf den effizienten Druckluftspeicher müssen die Verbraucher noch einige zeit warten. Zwar hat der Energieversorger RWE ein Projekt in das Leben gerufen. Mit dem Projekt Adele soll ein leistungsfähiger Druckluftspeicher entwickelt werden. Das Projekt verzögert sich leider. Zum einen sind die hohen Kosten und die werden auf rund 10 Millionen Euro veranschlagt. Aber auch von Ergebnissen ist der Anbieter bei diesem Projekt meilenweit entfernt. Mit den Bauarbeiten sollte 2012 begonnen werden aber jetzt wird es erst ab 2015, eventuell.

Aktuell gibt es nur zwei Druckluftspeicherkraftwerke eines davon wird in Deutschland betrieben und das andere in den USA. Aber dort sind weitere Anlagen geplant.

In Elsfleth-Huntorf wird seit 1978 ein 290-MW-Kraftwerk betrieben. Es ist das erste seiner Art und erreicht einen Wirkungsgrad von 42 Prozent. Das zweite Kraftwerk wurde 1991 in McIntosh in den USA errichtet. Dieses 110-MV-Kraftwerk erreicht einen Wirkungsgrad von 54 Prozent.

Was ist eigentlich ein Druckluftspeicherkraftwerk?

Ein Druckluftspeicherkraftwerk ist ein Gasturbinenkraftwerk das die Energie als Speicher nutzt. Dazu wird diese Luft komprimiert und wird als Spitzenlaststrom bereitgestellt. Steht genügend Strom zur Verfügung, dann wird die Luft in einem Druckluftspeicher verdichtet. Bei einem hohen Stromverbrauch also zu Spitzenlastzeiten wird mit der Druckluft eine Turbine betrieben. Diese Turbine treibt einen Generator an und so wird der Spitzlaststrom erzeugt.

Druckluftspeicherkraftwerke werden auch als Druckluftspeicher-Gasturbinen-Kraftwerke bezeichnet. Die englische Bezeichnung lautet: Compressed Air Energy Storage als CAES-Kraftwerke.

Die Windstromerzeugung und der weitere Ausbau besitzen in Deutschland oberste Priorität. So besteht der Bedarf an schnell regelbaren Kraftwerken, um auf das fluktuierende Stromangebot zu reagieren. Diese Spitzenleistungskraftwerke besitzen, das geeignete Potenzial um diesen Anspruch gerecht zu werden. Allerdings gibt es bei den meteorologischen Prognosewerten Unsicherheiten aber mit diesen Kraftwerken kann darauf besonders gut reagiert werden.

Das Potenzial für geeignete Pumpspeicherkraftwerke ist in geografisch begrenzt und fast ausgeschöpft. Somit sind Druckluftspeicherkraftwerke eine gute Alternative für die zukünftige Stromversorgung Deutschlands. Es werden unterirdische Kavernen verwendet als Druckluftspeicher und diese besitzen den Vorteil, das sie nur einen geringen oberirdischen Flächenbedarf benötigen.

Ein weiterer Pluspunkt von dem Druckluftspeicher ist, dass diese in Küstennahe und somit in unmittelbarer Nähe zu den Offshore-Windparks entstehen können. Damit werden auch die Stromnetztrassen reduziert. Die Wirkungsgrade der heute betriebenen Druckluftspeicherkraftwerke liegen bei etwa 50 Prozent. Wird die Weiterentwicklung dieser Technologie weiter vorangetrieben, dann sind Wirkungsgrade von 70 bis zu 75 Prozent möglich.

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Was ist überhaupt ein Druckluftspeicher?

Druckluft zur Energiespeicherung gewinnt immer mehr an Bedeutung. Gerade in Zeiten der beabsichtigten Energiewende muss die Industrie neue Wege gehen. Der Druckluftspeicher ist ein Energiespeicher in einem großen Format und es gibt zurzeit zwei Einsatzmöglichkeiten.

Bei der ersten Methode kann ein Druckluftspeicher direkt an das Stromnetz angeschlossen werden. Das erfolgt durch den Netzregler und dieser entzieht dem Netz in Überhangzeiten Strom. Wird dann der Strom benötigt, dann wird dieser mit geringen Verlusten wieder dem Netz zuzuführen. So kann ein Druckluftspeicher im Bedarfsfall schnell Strom liefern. Allerdings mit der Einschränkung, dass dies nur eine gewisse Zeitspanne erfolgen kann. Nur solange wie der maximale Luftdruck vorhält. Der Strom aus Druckluftspeichern ist somit spitzenlastfähig.

Eine weitere Möglichkeit ist der Druckluftspeicher als Teil eines Windparks einzusetzen. Die Druckluftspeicher eignen sich sehr gut dazu, das wechselnde Stromangebot von Windkraftanlagen regelbar zu machen. Das erfolgt aber auch nur über einen kurzen Zeitraum. Bei starken Winden wird oft mehr Strom erzeugt als benötigt wird. Dieser Strom fließt dann automatisch in einem Druckluftspeicher. Ist dann Windflaute, so geht dann die gespeicherte Energie als Strom zurück in das Netz.

Diese Alternativen existiert noch nicht es gilt aber eine gute Möglichkeit mit viel Potenzial. Im Augenblick existieren nur zwei Druckluftspeicher weltweit. Eines davon gibt es in Deutschland. Es kann eine Leistung von 290 MW für zwei Stunden bereithalten. Danach wird die Leistung wegen des sinkenden Luftdrucks geringer. Ein weiterer großer Luftdruckspeicher gibt es in der USA. Dieser arbeitet mit einer sehr hohen Leistung von über 2000 MW. Weitere Druckluftspeicher sind in den USA im Bau oder in Planung.

In Deutschland ist die Windenergie ein wichtiger Energieträger. Mit dem Ausbau dieser Windenergie gewinnen die Druckspeicherkraftwerke an Bedeutung. So investieren Unternehmen in diese Technik und im Blickpunkt steht das Druckluftspeichersystem. Dabei soll der Wirkungsgrad bis auf 70 % erhöht werden. Aber diese Anforderung an dieses System stellt an alle hohe Ansprüche. So werden weitergehende Entwicklungsprogramme erarbeitet und alle sind sich einig, diese Energiegewinnung gehört die Zukunft.

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Druckluft als Energiespeicher

    Energiespeicher bekommen immer mehr eine größere Bedeutung. An dieser Stelle wird Energie für die späte Nutzung gespeichert. Viele Energiespeicherungen sind nicht möglich. Der Grund sich technische Probleme oder auch eine geringe Kapazität. Auch Stillstandsverluste können auftreten. Deshalb erfolgt die Speicherung in einer anderen Energieform und dabei wird diese umgewandelt. Im Bedarfsfalle wird dann die Energie zurück gewandelt.

Druckluft als Energiespeicher ist keine Erfindung der heutigen Zeit. Diese Form der Speicherung wurde schon von den Menschen immer genutzt. Die Anfänge reichen in die Mitte des 3. Jahrtausends vor Christus. In dieser Zeit wurde der erste mechanische Kompressor entwickelt. Das war der handbetriebene Blasebalg. Einige Jahre später, etwa um 1500 vor Christus wurde der fußbetriebene und deutlich leistungsfähigere Blasebalg entwickelt.

Mit Beginn der 1900er Jahre nutzten deutsche und österreichische Unternehmen Druckluft als Energiespeicher. So wurden universell einsetzbare Druckluftwerkzeuge betrieben. In den Bereichen wo Funkenbildung zur Explosion führen kann wurde es bevorzugt eingesetzt. Die Druckluftspeicherung ist eines der sichersten und kostengünstige Art der Energiepufferung.

Die absolute Dichte stellt bei Speichern, welche Druckluft aufnehmen, die wichtigste Bedingung dar. Im Jahr 1978 wurde das erste Druckluftspeicherkraftwerk in Betrieb genommen. Es war das erste der Welt. Der Vorgänger des heutigen E.ON Kraftwerke AG errichtete es in einem kleinen Ort
im niedersächsischen Landkreis Wesermarsch. Die Firma NWK AG errichtete ein Kraftwerk mit einer Leistung von 290 Megawatt. Die Baukosten beliefen sich damals auf rund 92 Mio. Deutsche Mark. An dieser Stelle wird der kostengünstige Nachstrom genutzt, um mit einem 60-MW-Elektromotor einen Kompressor anzutreiben. Dabei wird Luft in zwei Salzstöcken zusammengepresst. Ein Salzstock umfasst ein Volumen von etwa 150.000 m³ und liegt in einer Tiefe von etwa 700 Metern. Läuft das Kraftwerk auf Spitzenlast, dann wird die gepresste Luft der Energieverbrennung zugeführt. Ist die Anlage im Turbinenbetrieb, so kann eine Leistung von 290 MV erzeugt werden. Diese Erzeugung erfolgt innerhalb zwei Stunden. Der innerhalb dieser Zeit von 70 auf 45 bar abgesunkene Druck in den Salzkammern, kann innerhalb von acht Stunden wieder aufgebaut werden. Das Druckluftspeicherkraftwerk besitzt einen Wirkungsgrad von 42 %.

Zum heutigen Zeitpunkt existiert ein zweites Druckluftkraftwerk. Seit 1991 betreibt die Alabama Electric Corporation in McIntosh, Alabama (USA) ein 110-MW-Kraftwerk. Das Kraftwerk mit einer Salzkaverne von 538.000 Kubikmetern Fassungsvermögen erreicht einen Wirkungsgrad von 54 Prozent.

Jedoch die Entwicklung der Druckluftspeicherung zur Energiegewinnung geht weiter und ist nicht abgeschlossen. Jedes Jahr werden neue Patente angemeldet. Druckluftspeicher werden in der Öffentlichkeit akzeptiert. Sie besitzen kein gesundheitliches Risiko und greifen auch nicht in die Natur ein. Das ist eine ökologische Art der Energiegewinnung für die Zukunft.