Übersicht über die Effizienz und Wirkungsgrade von Energiespeicher-Anlagen
Ein wichtiger Aspekt ist immer auch die Frage nach der Effizienz, also nach dem Wirkungsgrad. Das ist die Frage, wie viel Energie beim Speichern verloren geht, und viel zur Wiederverwendung übrig bleibt ?
Auch das ist ein Vergleichskriterium, zu dem ich für alle genannten Speicherarten Werte angeben möchte.
Daraufhin gehen wir nun unsere sechs verschiedenen Speicherarten der hier vorliegenden Übersichtsbetrachtung durch. Am unteren Ende folgt der Link zu einer Übersichtstabelle.
-> Potentielle Energie in Wasser
- Einspeichern der Energie:
Auch wenn man im Internet typische Wirkungsgrade klassischer Wasserpumpen zwischen 5 % und 60 % findet (siehe z.B.: https://www.haustechnikdialog.de/SHKwissen/656/Pumpenwirkungsgrad), sollten mit einem Hebewerk wie hier oben dargestellt durchaus Werte von 80 … 90 % erreichbar sein, wenn man das Wasser gezielt hebt, wie etwa mit Gefäßen oder mit Kolben in Zylindern. Der Wirkungsgrad des antreibenden Elektromotors ist mit 90 % keine Seltenheit, und das Hochheben von Gefäßen, wie zum Beispiel von gefüllten Eimern an einem Brunnen, erzielt bis auf wenige Tropfen Verlust nahezu 100 %.
- Aufbewahrung der Energie:
Ist der Hochwasserspeicher ein geschlossenes Gefäß, so bleibt das Wasser mit 100 % Wirkungsgrad darin enthalten. Ist der Hochwasserspeicher ein offener See, so kann einerseits Wasser verdunsten, andererseits Regenwasser hinzu kommen, was zu einem Wirkungsgrad von kleiner oder größer als 100 % führt. Im Mittel gehen wir in unseren Überlegungen von 100 % aus.
- Rückwandlung der Energie:
Auch hier findet man im Internet wieder typische Wirkungsgrade, die in einer realen Anlage leicht zu übertreffen sind. Bei Wasserturbinen mit Wirkungsgraden zwischen 70 % und 80 % (siehe z.B.: https://www.energieagentur.nrw/blogs/erneuerbare/faq/wie-berechnet-sich-die-leistung-einer-wasserkraftanlage/) läuft an den Turbinenschaufeln natürlich immer ein gewisser Anteil des Wassers ungenutzt vorbei, was durch die Konstruktion mit den abwärtslaufenden Eimern im Brunnen verhindert werden kann. Insofern ist der Energie-Rückwandlung in etwa der gleiche Wirkungsgrad zuzutrauen, wie der Energieeinspeicherung.
Gas-Druck-Speicher
- Einspeichern der Energie:
Bei Kompressoren ist die Suche nach Energieeffizienz ein nicht unerhebliches Thema in denjenigen Industriebranchen, die mit Pressluft arbeiten. Während man auf der einen Seite Angaben für den Wirkungsgrad von 5 % findet (http://www.el-com.com/cms/upload/pdf/S28_ELCOM-1.pdf), findet man an anderen Stellen Wirkungsgrade bis zu 60 % (https://energie.ch/kompressoren/). Ganz sicher wird auch der zu erzeugende Enddruck eine Rolle spielen. Wesentliche Verluste sind zum Beispiel unter anderem auch thermische Verluste, die aufgrund der Gesetze der Thermodynamik beim Komprimieren des Gases unvermeidlich sind. Da wir nach einer guten, aber trotzdem realistischen Lösung suchen, entscheide ich mich (nach Bauchgefühl), in der unten stehenden Übersichtstabelle der Wirkungsgrade einen Wert von 50 % einzutragen.
- Aufbewahrung der Energie:
Hier spielen die Leckageraten der Gasbehälter die alles entscheidende Rolle. An dieser Stelle will ich optimistisch sein und davon ausgehen, dass es uns gelingt, einen ideal dichten Gasbehälter herzustellen, setze also einen Wirkungsgrad von 100 % ein.
- Rückwandlung der Energie:
Druckluftmotoren (= pneumatische Antriebe) haben in der Regel einen derart mäßigen Wirkungsgrad, daß ich keinen Hersteller finden konnte, der auf seiner Internetseite Absolutwerte für den Wirkungsgrad angibt. Die Hersteller vergleichen immer nur die Motoren untereinander, wobei es kein Problem ist, daß ein Hersteller angibt, 90 % weniger Energie zu verbrauchen als der Durchschnitt der anderen Hersteller. Ob das realistisch ist vermag ich nicht zu beurteilen, aber es erlaubt mir die nachfolgende Abschätzung: Gehen wir von einem Wirkungsgrad im schlechten Fall von 5 % aus, ähnlich wie bei schlechten Kompressoren, dann führt ein Zehntel des Energieverbrauchs zu einem Wirkungsgrad von 50 % im Optimalfall. Vermutlich ist dies noch eine ziemlich optimistische Abschätzung.
Chemische Energie (Wasserstoff)
- Einspeichern der Energie:
Bei der Elektrolyse von Wasser findet man im Internet einen typischen Wirkungsgrad von 70 … 80 %, im Teillastbetrieb der Elektrolyseure sogar darüber (https://www.energie-lexikon.info/elektrolyse.html).
- Aufbewahrung der Energie:
Wasserstoff lässt sich bekanntlich nicht perfekt speichern, also nicht ohne Leckage. Um die Verluste zu minimieren, wurden sogenannte Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC) entwickelt, die den Wasserstoff an einem flüssigen Trägermedium speichern. Das gilt als deutlich günstiger, als die Speicherung des Wasserstoffs in einem Gasdruckbehälter. Damit wird das Problem der Speicherung von Wasserstoff deutlich. Sogar die Verflüssigung des Wasserstoffs wurde thematisiert (https://emcel.com/de/wasserstoffspeicherung/). Offensichtlich klar ist, dass die Verluste als prozentuale Angabe des vorhandenen Wasserstoffs pro Lagerzeit zu verstehen sind, dass also der Wirkungsgrad der Aufbewahrung des Wasserstoffs umso schlechter wird, je länger man den Wasserstoff lagern muß.
- Rückwandlung der Energie:
Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle wird normalerweise vergleichbar oder geringfügig günstiger angegeben, als der Wirkungsgrad des Elektrolyseurs, also auch im Bereich von 60 … 70 … 80 %.
(https://www.sfc.com/glossar/wirkungsgrad-der-brennstoffzelle/)
Typische Abschätzungen für den Gesamtwirkungsgrad der Energiespeicherung mittels Wasserstoff liegen aufgrund der Aufbewahrungsverluste im Bereich von 40 … 50 %. Im Übrigen bin ich mir absolut sicher, dass unsere Wasserstoff-Konzepte deutlich bessere Wirkungsgrade liefern.
Phasenübergangs-Energie
Da nur elektrische oder mechanische Energie in thermodynamische Energie gewandelt wird, aber eine Rückwandlung in elektrische oder mechanische Energie nicht vorgesehen ist, ist für derartige Systeme die Angabe eines Wirkungsgrads nicht sinnvoll bestimmbar. Sinnvollerweise wollen wir unsere Wirkungsgrad-Betrachtung immer auf eine gleiche Energieform im Input wie im Output beziehen.
Akkumulatoren (elektrisch Energie)
Bei Akkumulatoren wird im Internet zwar meistens mit einem Wirkungsgrad (gesamt, vom Input bis zum Output) von knapp 100 % geworben, doch halte ich einen derartigen Wert für unrealistisch zu gut.
https://de.wikipedia.org/wiki/Lithium-Ionen-Akkumulator#Wirkungsgrad
Erinnere ich mich zum Beispiel daran, dass ich im Flugmodellbau kleine Mignon-Akkus 10 Stunden mit einem Entladestrom von 250 mA betreiben konnte, zum Aufladen aber 12 … 15 Stunden mit 280 mA laden mußte, dann komme ich aus eigener Erfahrung auf einen (gemittelt abgeschätzten) Wirkungsgrad von (10h·250mA)/(13,5h·280mA) ≈ 2/3. Da ich diese Erfahrungen an Nickel-Metallhydrid Akkus gesammelt habe, Blei-Schwefelsäure-Batterien oder Lithium-Ionen Batterien hingegen durchaus besser vorstellbar wären, will ich die gemittelte “Abschätzung über alles“ in der Tabelle auch noch nach oben erweitern (siehe unten). Speziell bei Blei-Schwefelsäure-Batterien werden im Optimalfall Wirkungsgrade von knapp über 80 % angegeben.
Schwungmassen-Energiespeicher
- Einspeichern der Energie:
Elektromotoren zum Antreiben der Schwungmasse findet man mit typischen Wirkungsgraden von 90-95 %, große Motoren auch mit 96 % oder 97 %.
- Aufbewahrung der Energie:
Daß das Wasser-Lager reibungsärmer läuft, als die besten Stahl-Kugellager ist bekannt. Wäre es anders, dann würden wir einfach gute Stahl-Kugellager verwenden. Deren Rollreibungskoeffizient wird angegeben mit µ R≈5·10 -4 (https://de.wikipedia.org/wiki/Rollwiderstand) Diesen Wert in unsere Berechnungen einzusetzen, wäre die pessimistischst mögliche Sichtweise, also eine ungünstige Abschätzung.
Bei unserer Dimensionierung der Schwungscheibe mit einer Masse von 1.2 Tonnen (Zahlenbeispiel siehe oben), hätten wir dann einen Normalenkraft für die Gleitpaarung von F N=12kN. Daraus folgt eine Reibungskraft von F R=µ R·F N≈5·10 -4·12kN=6N. Bei einem mittleren Radius des Schwungrad-Ringes von R=1.05m (siehe obiges Zahlenbeispiel) erhalten wir ein bremsendes Drehmoment von M=R·F R≈1.05m·16N=6.3Nm.
Die entnommene Leistung ist damit natürlich abhängig von der Drehzahl, und beträgt bei der Maximaldrehzahl von 7500 Umdrehungen/min (=> Winkelgeschwindigkeit ω=785rad/sec.) dem Betrage nach P=M·ω=785·1/sec·6.3Nm≈4,9kW. Solche Verluste sind eigentlich zu hoch für eine längerfristige Energiespeicherung. Verbessern könnte man die Situation nur, wenn man den Radius der Schwungscheibe deutlich erhöht, und damit die Drehzahl massiv absenkt. Bei einer (größeren aber) langsamer laufenden Schwungscheibe sähe die Situation natürlich wesentlich günstiger aus.
Da die Schwungscheibe während des Auslaufens (ohne Energiezufuhr) permanent langsamer wird, liegt der Energieverlust an der Obergrenze der Drehzahl innerhalb der ersten Minute bei 4.9kW·1Min./(100kW·1Std.)≈0.08% der vorhandenen Energie, und sinkt beim langsamer werdender Drehscheibe permanent ab (geht zum Stillstand hin gegen Null). Schwungscheiben mit größerem Durchmesser liefern natürlich günstigere Werte, aber das Problem, dass Schwungscheiben nur als kurzfristige Energiespeicher geeignet sind, wird auch anhand der hier gezeigten Beispieldimensionierung klar erkennbar. Bei Maximaldrehzahl gehen pro Stunde realistisch geschätzt ½ … 1 … 2 % der gespeicherten Energie verloren, was im Laufe der Betriebsdauer günstiger wird, und bei anderer Scheibendimensionierung noch verbessert werden kann.
- Rückwandlung der Energie:
Stromgeneratoren zum Wandeln der kinetischen Energie aus der Schwungmasse in elektrische Energie findet man mit typischen Wirkungsgraden von 90-95 %, große Motoren auch mit 96 % oder 97 %.
Was man allerdings noch bräuchte wäre eine Steuerung, die bei stark variieren der Drehzahl (je nach Energiegehalt in der Schwungscheibe) eine konstante elektrische Leistung auf den Output bringt. So etwas zu entwickeln ist noch eine offene Aufgabe.
BESSER: SCHWUNGSCHEIBE mit MAGNETLAGERUNG
Mit einem einfachen selber gebastelten Magnetlager mit einem Trägheitsmoment der Rotation von J=0,022 kg·m² habe ich einen simplen Versuch des Abbremsens durch Reibung gemacht, und gefunden, daß die Bremskraft einem Reibungskoeffizient von µ R≈8·10 -5 entspricht. Das ist um einen Faktor 6,25 besser als die Wasser-Lagerung.
Kann man mit der Wasser-gelagerten Schwungscheibe die Energie bei vertretbaren Verlusten für einen Tag aufbewahren, so lässt sich mit der Magnet-gelagerter Schwungscheibe die Energie bei vergleichbaren Verlusten über eine ganze Woche aufbewahren. Das sind vernünftig anwendbare Werte.
Eine Übersichtstabelle habe ich hier aufgestellt.
Fazit:
Es gibt reichlich Möglichkeiten, Energie preisgünstig zu speichern. Wir müssen nur Gebrauch davon machen.