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Regenerative Energiequellen

Eine Übersicht der aktuell eingesetzten Energiespeicher

01.03.2012
Abb. 1: Der Klassiker unter den mechanischen Speichern: Das Pumpspeicherkraftwerk.
Abb. 1: Der Klassiker unter den mechanischen Speichern: Das Pumpspeicherkraftwerk. Weiter
Abb. 1: Der Klassiker unter den mechanischen Speichern: Das Pumpspeicherkraftwerk. Abb. 2: Energy Bags nutzen den natürlichen Wasserdruck für die Kompression von Luft. Ein in 500 m ... Abb. 3: Elektrochemischer Energiespeicher: Prinzip einer Redox-Flow-Batterie Abb. 4: Störmeldung oder Stationsüberwachung: die kompakten To-Pass-Module übertragen Daten und ... Abb. 5: Fernwirksteuerungen kommunizieren mit der Leitstelle gemäß IEC60870-5-101/-104 sowie ... Abb. 6: Beim Automatisierungssystem lassen sich I/O-Module mit digitalen und analogen Eingängen ... Abb. 7: Das Automatisierungssystem, Speedway 767, in IP67 ist für den schaltschranklosen Einsatz ... 

CITplus - Regenerative Energieträger haben den großen Vorteil, dass die Quelle nicht messbar versiegt. Aber es gibt auch einen nicht zu unterschätzenden Nachteil: Diese Energie steht nicht auf Knopfdruck zur Verfügung, so wie es bei den fossilen Energieträgern Kohle, Gas und Uran der Fall ist. Mit der stärkeren Nutzung regenerativer Energiequellen müssen daher auch Speichermöglichkeiten geschaffen werden, die Produktionsengpässe abfangen und damit den Energiefluss aufrecht erhalten.

Energiespeicher stabilisieren den Energiefluss in einem Versorgungsnetz mit regenerativer Energieerzeugung und machen sie noch effizienter, da dann die Energie jeder Brise und jedes Sonnenstrahls gespeichert werden kann. Hierfür stehen schon heute sowie mittelfristig verschiedene Energiespeicher zur Verfügung. Sie lassen sich physikalisch in drei große Gruppen unterteilen: mechanische, chemische und elektrochemische Energiespeicher.

Mechanische Energiespeicher
Pumpspeicher
Die älteste mechanische Speicherart ist das Pumpspeicherkraftwerk. Es fördert Wasser bei einem Stromüberhang in höher gelegene Becken und in Zeiten des Strommangels erzeugt das Laufwasser über Generatoren Strom. Dieses Prinzip erzielt Wirkungsgrade von 75 - 85%.
Druckluftspeicher
Alternativen sind Druckluftspeicher, in denen Kompressoren Luft in geschlossene Behälter fördern. Diese Behälter können große Tanks aber auch unterirdische Kavernen sein. Bei einem vorhersehbaren Energiedefizit im Netz wird die Luft aus den Behältern oder Kavernen kontrolliert auf Turbinen mit Generatoren geleitet. Der Wirkungsgrad dieses Verfahrens liegt bei 45-55 %.
Energy Bags
Eine neue Form, speziell für den Offshore Betrieb, sind „Energy Bags". Sie basieren auf dem Prinzip der Druckluftspeicher. Diese noch in der Entwicklung befindliche Methode speichert Luft in große Blasen (Energy Bags) unter Wasser und nutzt den natürlichen Wasserdruck für die Kompression. Die Position der Energy Bags ist in genau kalkulierter Tiefe, so dass der Wasserdruck dem Speicherdruck entspricht.

Anwendungen in 500 m Tiefe entsprechen z. B. einem Druck von 50 bar. Bisherige Anlagen laufen sehr erfolgversprechend und erreichen Wirkungsgrade von über 90 %. Anschaffungs- und Betriebskosten sind im Vergleich zum Druckluftspeicher um 80 % geringer. Energy Bags eignen sich daher besonders in Kombination mit Offshore-Windenergieanlagen.
Schwungradspeicher
Ebenfalls neu sind Schwungradspeicher. Sie basieren auf dem Prinzip der Massenträgheit. Ein Elektromotor beschleunigt ein Schwungrad auf 20 - 50.000 Umdrehungen pro Minute. Um Reibungsverluste zu vermeiden, befindet sich das Schwungrad in einem Vakuum und ist magnetisch gelagert. Wird Energie benötigt, treibt das Schwungrad einen Generator an. Eine erste Großanlage steht in New York mit einer Speicherleistungsfähigkeit von 20 MW.

Chemische Energiespeicher
Wasserstoffspeicher
Der Wasserstoffspeicher spaltet durch Elektrolyse Wasserstoff von Wasser und speichert den gewonnen Wasserstoff. Im Gegenzug erfolgt die Stromgewinnung durch die Verbrennung des Wasserstoffs. Der Wirkungsgrad liegt bei 50 - 60 %. Nachteilig ist die aufwendige Speicherung des Wasserstoffs.
Wasserstoff-/Methanspeicher
Wird dem Wasserstoff jedoch CO2 zugeführt ergibt sich CH4, also Methan. Methan entspricht dem herkömmlichen Erdgas und kann somit gasbetriebenen Autos und Gasanlagen zugeführt werden. Auch könnte das Gasnetz als verlängerter Speicher verwendet werden. Jedoch verschlechtert sich der Wirkungsgrad durch die nachgeschaltete Methanisierung um ca. 10 %, sodass der Gesamtwirkungsgrad nur 40-50 % beträgt.

Elektrochemische Energiespeicher
Ein typischer und bekannter elektrochemischer Speicher ist die Batterie. Bei einer neuen Variante, der Redox-Flow-Batterie, werden zwei Elektrolyte aus getrennten Behältnissen durch eine Zelle gepumpt. Über die Membrane ist nur ein Ionenaustausch zwischen den Elektrolyten möglich und verursacht einen positiven und einen negativen Ladungszustand der Zellen. Die Abnahme der Energie erfolgt durch Elektroden in den Zellen. Der Wirkungsgrad für eine solche Redox-Batterie liegt bei über 75 %, sie wird bereits in einem großen japanischen Windkraftprojekt eingesetzt. Bei einem Windausfall stellt die Redox-Flow-Batterie eine Leistung von 6 MW für 10 Stunden zur Verfügung.


Versorgungsstationen effizient betreiben
Energiespeicher müssen genauso wie die dezentralen Energieerzeuger überwacht oder an eine zentrale Leitestelle angebunden werden. Hierfür hat Wago verschiedene Systeme im Produktprogramm. Sie reichen von einfachen Störmelde- bis zu genormten Fernwirksystemen und von klassischen Feldbus- bis hin zu leistungsfähigen Automatisierungssystemen. Je nachdem ob Messwerte und Daten vor Ort aufgenommen und weitergeleitet oder in einer programmierbaren Steuerung vorverarbeitet werden sollen, stehen das kompakte To-Pass-System, skalierbare Fernwirk- und Wago-Steuerungen, sowie das schaltschranklose Speedway-767-System zur Verfügung.
Wird für eine Applikation ein Störmelder benötigt, enthält To-Pass verschiedene Module mit analogen und digitalen Ein- und Ausgängen sowie einem GSM-Modem. Mit diesen Kompaktmodulen lassen sich Störmeldesysteme einfach vor Ort installieren. Voraussetzung ist ein Stromanschluss sowie die Erreichbarkeit des Standortes per Mobilfunk. Das To-Pass-Outdoor-Modul ist in einem IP67-Gehäuse vorinstalliert und damit für die Außenmontage geeignet. Bei dieser Variante ist die Stromversorgung durch einen Akku abgesichert. Eine weitere Variante, To-Pass-Mobil, enthält zusätzlich einen GPS-Empfänger. Mit diesem Modul lassen sich Transporte nachverfolgen und Kühlketten überwachen.
Soll ein Standort mit einem Energiespeicher oder einer dezentralen Stromerzeugung über ein genormtes Protokoll mit der Leitstelle kommunizieren, hat Wago skalierbare Fernwirksteuerungen im Programm. Der Fernwirkcontroller sowie eine IPC-Variante setzen Daten und Messwerte gemäß IEC60870-5-101/-104 sowie IEC61850 und IEC61400-25 um. Diese Steuerungen lassen sich über ein Konfigurationstool einfach in CoDeSys parametrieren. Zudem können sie mit einer Vielzahl an unterschiedliche I/O-Modulen kombiniert werden, sodass sich nahezu jede Applikation realisieren lässt.
Beinhaltet eine Applikation bereits ein Feldbussystem, reicht es oft aus, Daten und Messwerte mittels Feldbuskoppler und I/O-Modulen an eine übergeordnete Steuerung zu übertragen. Das Automatisierungssystem von Wago enthält hierfür Koppler zu den gängigsten Feldbusprotokollen und Ethernet-Standards. Das gleiche gilt für die kompakten Steuerungen aus diesem System. Sie lassen sich gemäß IEC 61131-3 programmieren und können je nach Kanalbedarf entsprechend konfiguriert werden. Vielfältige Potentiale und Signalformen stehen zur Auswahl (von 1- bis 16-kanalig). I/O-Module mit digitalen und analogen Eingängen sowie Sonderfunktionen, wie eigensichere Klemmen für Signale aus explosionsgefährdeten Bereichen (Ex), können frei kombiniert werden. Einspeiseklemmen erlauben die Handhabung beliebiger Potentialgruppen innerhalb eines Systems.
In rauen Umgebungen und wenn eine Anlagen weit verteilt ist, bietet sich das Speedway-767-System an. Dieses leistungsfähige Automatisierungssystem in IP 67 wird ohne Schaltschrank in der Nähe der Sensoren und Aktoren installiert, denn die I/O-Module lassen sich bis zu 500 m vom Feldbuskoppler absetzen. Das reduziert den Montageaufwand erheblich und verkürzt die Leitungswege. Speedway unterstützt die Feldbusprotokolle Profinet, Profibus CANopen, DeviceNet, Modbus/TCP sowie EtherNet/IP.

Autor(en):
Ulrich Hempen, Leiter Market-Management Energie- und Prozessautomation bei Wago

Schlüsselwörter : CITplus Energiespeicher Energieträger Wago Kontakttechnik

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