Einleitung
Der Begriff Batterie bezeichnet ursprünglich eine Zusammenschaltung (zumeist die Reihenschaltung) mehrerer als Energiequelle genutzter galvanischer Zellen. Es ist in der Alltagssprache üblich geworden, auch eine einzelne Zelle so zu bezeichnen. Eine solche Zelle ist ein elektrochemischer Energiespeicher und ein Energiewandler. Bei der Entladung wird gespeicherte chemische Energie durch die elektrochemische Red-ox-reaktion in elektrische Energie umgewandelt. Diese kann von einem vom Stromnetz dann unabhängigen elektrischen Verbraucher genutzt werden.
In einer erweiterten Definition des Begriffes lassen sich auch physikalische und chemische Batterien unterscheiden (wie in Abbildung 2) dargestellt.
Abbildung 2: Übersicht über grundlegende Prinzipien der Energiespeicherung
Zu der Solar- und der Brennstoffzelle sei – im Falle einer aufkommenden Frage – bereits an dieser Stelle folgende Bemerkung gemacht:
Die Solarzelle ist ein »instantaner« Speicher, wenn ein Photon ein Elektron in das Leitungsband hebt. Dieses Elektron muss aber durch einen geschlossenen Stromkreis sofort »abgerufen« und »verbraucht« werden.
Die Brennstoffzelle selbst ist in erster Linie ein Energiewandler, der »Tank« (z. B. Wasserstofftank) ist der eigentliche Energiespeicher.
Schwungrad
Ein Schwungrad ist ein Maschinenelement. Es wird unter anderem zur Speicherung kinetischer Energie (Rotationsenergie) genutzt, indem seine Drehbewegung (Rotation) ausgenutzt wird. Die Schwungradspeicherung ist somit eine Methode der Energiespeicherung, bei der ein Schwungrad (in diesem Zusammenhang auch »Rotor« genannt) auf eine sehr hohe Drehzahl beschleunigt wird, und somit die Energie als Rotationsenergie gespeichert wird. Die Energie wird zurückgewonnen, indem der Rotor abgebremst wird.
Die meisten Schwungradspeicherungssysteme arbeiten mit Elektrizität, um den Rotor zu beschleunigen und abzubremsen. Es sind aber auch Systeme in Entwicklung, die direkt mechanische Energie verwenden. Die Rotoren fortgeschrittener Systeme werden aus Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffen gefertigt und rotieren mit 20.000 bis über 50.000 Umdrehungen pro Minute. Um die Reibungsverluste gering zu halten, werden luftleere Gehäuse und Magnetlager verwendet. Solche Systeme können in wenigen Minuten voll aufgeladen werden, im Unterschied zu den Stunden, die immer noch für das Aufladen eines Akkumulators benötigt werden. Manche Notstromaggregate höherer Leistung enthalten ebenfalls ein Schwungrad, das durch einen Elektromotor ständig in Drehung gehalten wird. Als eine Teil-Alternative zur Batterie bietet das Schwungrad eine Kurzzeitüberbrückung als kinetischer Energiespeicher in der Absicherung der Energieversorgung. Die Schwungradsysteme nutzen die kinetische Energie, um kurze Spannungsausfälle und Transferzeiten, die z. B. ein Dieselgenerator zum Starten benötigt, zu überbrücken. Bei Stromausfall wird ein vorgewärmter Dieselmotor über eine elektromechanische Kupplung aus dem Stand rasch in Drehung versetzt. Das Schwungrad liefert zuverlässig die Energie zum Anlassen des Dieselmotors und zur Überbrückung der Zeit, bis der Motor volle Leistung abgeben kann. Ein typisches System besteht aus einem Schwungrad (Rotor), das in einem Vakuumgehäuse auf Magnetlagern gelagert ist und mit einer Elektromotor-Generator-Kombination verbunden ist.
Die vertikale Schwungmasse derartiger Energiespeicher speichert eine Energie von bis zu 16,5 MWh, welche typische Überbrückungszeiten von 15 Sekunden bis zu 2 Minuten ermöglichen, ein sehr beachtenswerter Wert, denn bei 97 % aller Störungen in der Versorgung auf der Endkundenseite sind die Unterbrechungen weniger als drei Sekunden, also typischerweise nur leichte Netzschwankungen und keine totalen Stromausfälle. Folgendes Beispiel »Jährliche Netzversorgungsausfälle beim Kunden nach Ausfallzeit« soll dies verdeutlichen:
Bei modernen auf Schwungmasse basierenden Energiespeichern sind die Schwungmasse und der Generator auf einer Welle installiert. Die Energieerzeugung erfolgt mit Drehstrom-Synchron-Maschinen und getrennter Wicklung von Motor und Generator.
Zu den großen Vorteilen des Schwungrades gegenüber Akkumulatoren gehört, wie bereits erwähnt, die hohe Wiederaufladegeschwindigkeit. Dies ist angesichts der Tatsache, dass 97 % aller Stromausfälle weniger als drei Sekunden dauern, von entscheidender Bedeutung. Das Schwungrad kann eine große Menge an Energie in weit kürzerer Zeit als ein Akkumulator ansammeln und ist damit insbesondere für kurze, aber häufig wiederkehrende Stromausfälle daher sehr gut geeignet.
Das Schwungrad zeigt auch eine wesentlich geringere zyklische Alterung, denn so verliert das Schwungrad im Gegensatz zu Akkumulatoren nicht nach vergleichsweise wenigen Zyklen (je nach Akkumulatorentyp) Energiespeicherfähigkeit, weshalb das Schwungrad auch nicht nach einer bestimmten Zeit ausgetauscht werden muss.
Es gibt aber noch weitere technische Vorteile. Das System arbeitet in einem wesentlich größeren Temperaturbereich von typischerweise –20 °C bis +50 °C. In diesem Temperaturbereich ist die Leistung von Akkumulatoren, insbesondere bei tiefen Temperaturen, teilweise schon sehr stark begrenzt. Das Schwungrad benötigt aufgrund seines einfachen Aufbaus nur wenig Wartung im Vergleich zu Akkumulatoren.
Auch Fahrzeuge mit einem Schwungradantrieb, insbesondere im öffentlichen Nahverkehr, waren in der Vergangenheit im Einsatz, haben sich aber nicht in der breiten Anwendung durchgesetzt.
Ein derartiges Fahrzeug mit Schwungradantrieb ist im Vergleich zu Dieselfahrzeugen leiser und erzeugt keine Abgase entlang der Fahrstrecke, ist also von dem Umweltaspekt sehr positiv zu bewerten, und im Vergleich zu Oberleitungsbussen sind die Investitionen in die Fahrstrecke vergleichsweise gering. Als Nachteil wirken sich aber die begrenzte Reichweite und das relativ hohe Gewicht im Vergleich zu Dieselfahrzeugen aus, denn das Schwungrad bringt ein relativ hohes Gewicht mit und benötigt aufgrund der (sehr) hohen Drehzahlen entsprechende Schutzmaßnahmen. Auch größere Streckenänderungen durch Baustellen usw. können durch das Fahrzeug mit reinem Schwungradantrieb aufgrund der begrenzten Reichweite nur schwierig bewältigt werden.
Das Fahrzeug wird vor Betriebsbeginn am Busbahnhof und je nach Fahrstrecke an bestimmten Zwischenhaltestellen und vor allem während des längeren Aufenthalts an den Endstationen über eine Verbindung mit dem Stromnetz in Betrieb gehalten. Das Schwungrad wird mit Dreiphasenwechselstrom mit einem Elektromotor beschleunigt. Auch die Bremsenergie kann wie bei Hybridfahrzeugen wieder zurück gewonnen und auf das Schwungrad übertragen werden.
Darüber hinaus werden Schwungräder zur Stabilisierung von Satelliten oder Flugzeugen (Kreiselkompass) und in Spielzeug-Kreiseln eingesetzt. Der wesentliche Unterschied gegenüber einem Akkumulator besteht darin, dass ein Schwungrad mechanische Energie speichert (Abbildung 3), ein Akkumulator chemische Energie.
Abbildung 3: Grundprinzip eines Schwungrades
Solarzelle
Eine Solarzelle oder photovoltaische Zelle (Abbildung 4) ist ein elektrisches Bauelement, das kurzwellige Strahlungsenergie, in der Regel Sonnenlicht, direkt in elektrische Energie wandelt. Die physikalische Grundlage der Umwandlung ist der photovoltaische Effekt, der ein Sonderfall des inneren photoelektrischen Effekts ist.
Abbildung 4: Grundprinzip einer Halbleiter-Solarzelle
Allen Solarzellen (Dickschicht-, Dünnschicht-, Silizium-, Cadmium-Indium-Selenid- oder Halbleitersolarzellen) ist gemein, dass durch Licht induzierte Anregung von Elektronen ein äußerer Stromfluss erzeugt wird. Es kann bei diesem Typ von Energieerzeugung auch von einer Batterie gesprochen werden, die gleichzeitig geladen und wieder entladen wird, aber nicht in der Lage ist, diese Ladung zu speichern. Der Motor für diese anhaltende Ladung im inneren Stromkreis ist das Licht, und für die Entladung über den äußeren Stromkreis ist es der Verbraucher. Fehlt einer dieser zwei Bestandteile, so bricht der Kreislauf zusammen.
Elektrostatische Energiespeicher
Die Speicherung der Energie erfolgt bei dieser Speicherform über die Oberfläche aktiver Materialien (Abbildung 5). Das heißt, es findet kein Masseumsatz statt. Dabei entsteht eine Leistungssymmetrie bei Ladung und Entladung, und es werden eine sehr hohe Zyklenfestigkeit und weitgehende Temperaturunempfindlichkeit erreicht.
Abbildung 5: Schematische Gegenüberstellung von elektrostatischen und elektrochemischen Energiespeichern
Die bekannteste Bauform eines elektrostatischen Energiespeichers ist der Kondensator. Ein Kondensator (von lateinisch »condensare«, deutsch »verdichten«) ist ein passives elektrisches Bauelement mit der Fähigkeit, elektrische Ladung und damit zusammenhängend Energie zu speichern. Er besteht aus zwei elektrisch leitenden Flächen in meist geringem Abstand, den Elektroden. Dazwischen befindet sich immer ein Bereich mit isolierender Eigenschaft, ein Dielektrikum.
Die einfachste Bauform des Kondensators besteht aus zwei glatten, parallelen...
