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Welcher mechanischen Energiespeicher gibt es?

Mechanische Speicher

Auch die mechanischen Speicher dienen der effizienten Energiespeicherung. Sie zählen derzeit zu den bekanntesten Speicherformen in Bezug auf großtechnische Speicher. Sie unterteilen sich in fünf Varianten:

  1. Druckluftspeicher
  2. Pumpspeicherkraftwerke
  3. Schwungräder
  4. Stationäre Speicher für stoffliche Energieträger
  5. Mobile Speicher für stoffliche Energieträger

Der Druckluftspeicher

In ihrer Funktionsweise agieren Druckluftspeicher alle nach einem Grundprinzip:

Elektrische Energie wird beim Ladevorgang zum Komprimieren der Umgebungsluft verwendet.
Die kinetische Energie, die dabei in Luftmoleküle umgewandelt wird, wird in unterirdischen Kavernen gespeichert, wobei ein Druck von 50 bis 70 bar herrscht.
Bei der Entladung (Energierückgewinnung) kommt es zum Verbrennen der komprimierten Luft mit Erdgas.
Der Verbrennvorgang findet in einer Brennkammer einer Gasturbine statt.
Heiße Rauchgase entstehen dabei und expandieren in der Gasturbine.
Dadurch wiederum wird ein nachfolgender Generator angetrieben.
Dieser erzeugt elektrische Energie, oftmals als Spitzenlaststrom.

Die Druckluftspeicher bieten dabei verschiedene Vor-, aber auch Nachteile:

Vorteile Nachteile
Energie kann sehr schnell zur Verfügung gestellt werden Geringer Wirkungsgrad (ca. 50%)
Sehr geringe Leckverluste Hohe Kosten – mehrere 100 Euro / Kilowatt

Die Pumpspeicherkraftwerke

Die zweite Variante der mechanischen Speicher sind Pumpspeicherkraftwerke, die eigentlich Wasserkraftwerke darstellen. Auch sie folgen einem klaren Grundprinzip hinsichtlich ihrer Wirkungsweise:

Wasser dient als Speichervorrat und liegt in einem höher liegenden Becken.
Es wird durch Pumpen bereitgestellt.
Die potenzielle Energie des Wassers wird bei Bedarf umgewandelt und genutzt.
Je höher dabei das obere Becken liegt und je größer dessen Abmessungen sind, umso höher ist die Speicherkapazität bei Pumpspeicherkraftwerken.
Die Fallhöhen liegen durchschnittlich zwischen 70 und 600 Meter.
Durch die Erdanziehungskraft wird Strom erzeugt.
Dafür wird das Wasser durch eine Druckleitung geführt und durchströmt eine Turbine.
Diese Turbine treibt einen Generator an, der Strom erzeugt.

Bei Pumpspeicherkraftwerken zeigen sich natürlich ebenso Vor-, wie auch Nachteile:

Vorteile Nachteile
Sehr schnelle Verfügbarkeit der gespeicherten Energie Bei Füllung und Entleerung hohe Verluste möglich
Hoher Wirkungsgrad (70 – 80 %) Geringe Energiedichte (max. 1 kWh / m³)
Geringe Speicherverluste Abhängigkeit von topographischen Bedingungen (Gewährleistung der Fallhöhe)

Schwungräder als Energiespeicher

Auch Schwungräder haben sich mittlerweile als wichtige Energiespeicher durchgesetzt, die nach klaren Grundprinzipen agieren:

Die Speicherung elektrischer Energie als kinetische Energie erfolgt über einen rotierenden Körper.
Das Schwungrad wird dafür beim Ladevorgang mittels eines Elektromotors in Bewegung gesetzt.
Dieser Elektromotor wirkt im Entladevorgang als Generator und erzeugt elektrische Energie.
Angetrieben wird er vom Schwungrad selbst.

Weiterhin sollten Schwungräder stets auf Lagern laufen und in einer Vakuumkammer untergebracht sein. So werden hohe Reibungsverluste vermieden. Die Drehzahl ist beim Laden und Entladen nicht gleich, sondern ändert sich. Damit sie an die konstante Netzfrequenz angepasst werden kann, ist zusätzlich ein Frequenzrichter notwendig.

Die Vor- und Nachteile des Schwungradspeichers zeigt folgende Tabelle auf:

Vorteile Nachteile
Sehr kurze Zugriffszeiten im Bereich von Millisekunden Hohe Ruheverluste (bis zu 20%)
Gut geeignet als Kurzzeitspeicher Hohe Kosten (bis zu 300 US-Dollar / kW)
Tiefenentladung, also fast vollständige Abgabe der gespeicherten Energie, möglich  
Hohe Wirkungsgrade bei Kurzzeitspeicherung (90 – 95 %)  
Geringe Betriebskosten