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 Veröffentlicht: 24. August 2006, aktualisiert: 4. Juli '12

Warum lässt sich Strom nicht bzw. nicht in nennenswertem Umfang speichern?

Welche Rolle spielen dabei Supraleiterkabel und Pumpspeicher-Kraftwerke?

Von Eberhard Wagner und Eike Roth
Eberhard.Wagner@Energie-Fakten.de, und Eike.Roth@Energie-Fakten.de, Lebenslauf

Wagner
Dipl.-Ing.
Eberhard Wagner
Wagner
Dr. Eike Roth
 

Quellen für Bilder und Grafiken zum Thema Energiespeicherung finden Sie im Bereich Siehe auch im unteren Bereich dieser Seite.

Das Phänomen elektrischer Strom

Das physikalische Phänomen „elektrischer Strom“ beruht prinzipiell und bildlich veranschaulicht auf der Bewegung von positiven oder negativen Ladungsträgern. In Festkörpern sind das Elektronen oder „fehlende Elektronen“ (sogenannte „Löcher“), in Flüssigkeiten sind das sog. Anionen und Kationen, in Gasen sog. Ionen (die positiv oder negativ geladen sein können). Die Bewegung der Ladungsträger wird dabei durch unterschiedlich hohe elektrische Potentiale (man spricht von „Potentialdifferenzen“ oder „Spannungsdifferenzen“) als treibende Kraft ausgelöst bzw. aufrecht erhalten. Die elektrischen Potentiale kann man sich als Maß der Konzentration von elektrischen Ladungsträgern vorstellen: Je höher diese ist, desto höher ist das Potential. Den Antrieb für die Bewegung der Ladungsträger kann man sich aus zwei Überlegungen heraus veranschaulichen, die letztlich auf dasselbe hinauslaufen: Erstens stoßen sich gleichnamige Ladungsträger gegenseitig ab und ungleichnamige Ladungsträger ziehen sich an (man denke an Magnete). Und zweitens will die Natur immer Anhäufungen (Konzentrationen) beseitigen und überall gleiche (gleich gut gemischte) Zustände herstellen. Beides führt dazu, dass bei bestehenden Spannungsdifferenzen (was nach obigem gleichbedeutend ist mit bestehenden Konzentrationsunterschieden von Ladungsträgern) bewegliche Ladungsträger „auf die Reise geschickt werden“. Gleichgerichtet geladene Ladungsträger bewegen sich voneinander weg (was zu einer Verringerung ihrer Konzentration führt). Entgegengesetzt geladene Ladungsträger bewegen sich aufeinander zu. Beim Zusammentreffen neutralisieren sie sich gegenseitig oder sie vermischen sich, bis keine erhöhte Konzentration einer Sorte mehr übrig bleibt.

Stromspeicherung

Strom speichern kann man daher entweder, indem man (irgendwie) die Bewegung der Ladungsträger aufrecht erhält. Das wäre gewissermaßen eine direkte Stromspeicherung. Oder indem man zumindest die treibende Kraft für diese Bewegung, also Konzentrationsunterschiede von Ladungsträgern, aufrecht erhält. Das ist zwar keine Stromspeicherung im strengen Sinne, aber immerhin eine Speicherung der Antriebskraft für Strom.

Supraleitung

Die direkte Speicherung fließenden Stroms ist prinzipiell durch Supraleitung möglich. Manche Materialien verlieren bei tiefen Temperaturen den Widerstand für fließenden elektrischen Strom praktisch vollkommen. Das heißt, einmal in Bewegung gesetzte Ladungsträger können - etwa in einem ringförmigen Leiter - ohne neuen Antrieb unendlich lange weiterfließen. Die Supraleitung selbst wird - für andere Zwecke - heute vielfach technisch eingesetzt, wenngleich dieses infolge der benötigten tiefen Temperaturen (meist weit unter minus 200 Grad Celsius) immer sehr aufwändig ist. Wie allerdings für eine großtechnische Speicherung genügend Strom in einem supraleitenden Leiterring „ins Fließen gebracht“ werden kann und wie die so gespeicherte Energie im Bedarfsfall wieder herausgeholt werden kann, ist heute noch nicht gelöst. Eine befriedigende Lösung scheint auch nicht vor der Tür zu stehen, ist aber längerfristig vielleicht doch erreichbar.

Speicherung der Antriebskräfte

Die Stromspeicherung mit Hilfe von Konzentrationsunterschieden von Ladungsträgern ist leichter möglich. Wenn man die einmal (unter Energieaufwand) hergestellt hat, muss man sie nur noch konservieren, die Ladungsträger also gewissermaßen einsperren oder blockieren. Dann ist die eingebrachte Energie auch gespeicherte Energie. Benötigt man die Energie, muss man die Blockade der Ladungsträger wieder aufheben. Die konservierte Antriebskraft setzt die Ladungsträger dann in Bewegung - Strom fließt. Das Herstellen der unterschiedlichen Konzentrationen von Ladungsträgern ist deswegen mit Energieaufwand verbunden, weil man hierzu die Abstoßungskraft der (gleichnamigen) Ladungsträger überwinden muss. Die dafür benötigte Energie (Beladung, Ladevorgang) ist dann mit den unterschiedlichen Ladungsträgerkonzentrationen gespeichert und wird bei deren Abbau (Entladung) wieder freigesetzt.

Kondensatoren

Ein typisches technisches Gerät zur Stromspeicherung ist ein Kondensator. In ihm wird beim Laden in zwei räumlich getrennten Bereichen (Kondensatorplatten) die Konzentration von positiven und im anderen Bereich von negativen Ladungsträgern vergrößert . Die beiden Bereiche sind innerhalb des Kondensators elektrisch gegeneinander isoliert, das heißt, die Ladungsträger können nicht von einem Bereich zum anderen "fließen" und dadurch ihre unterschiedlichen Konzentrationen ausgleichen. Ist der Kondensator „außen offen“, sind die Ladungsträger in ihrem jeweiligen Bereich eingesperrt. Wird an den Kondensator ein Verbraucher angeschlossen, können die Ladungsträger über den Verbraucher von einem Bereich zum anderen fließen und so ihre Konzentrationsunterschiede abbauen. Sind die Konzentrationen ausgeglichen, ist der Kondensator leer und es fließt kein Strom mehr. Die mit Kondensatoren speicherbaren Energiemengen sind sehr klein.

Batterien

Grundsätzlich nach ähnlichem Prinzip, wenn auch im Detail etwas komplizierter, arbeiten Batterien. Auch in ihnen werden in zwei räumlich getrennten Bereichen unterschiedliche Ladungsträger aufkonzentriert, wobei für deren Speicherung allerdings auch chemische Prozesse mit herangezogen werden. Bei „abgeklemmter“ Batterie bleiben die Ladungsträger-Konzentrationsunterschiede erhalten, wird ein Verbraucher angeschlossen, gleichen sie sich über diesen aus. Batterien sind aus der Technik (Alltag) nicht mehr wegzudenken, doch sind die Strommengen, die in ihnen gespeichert werden können, energiewirtschaftlich gesehen recht klein und diese Art der Speicherung ist sehr teuer. An Verbesserungen wird weltweit intensiv gearbeitet. Durchschlagende Erfolge sind leider noch nicht in Sicht. Das ist auch das Dilemma des Elektroautomobils.

In Berlin wurde von 1986 bis etwa 1992 eine Batterieanlage zur Stromspeicherung mit einer Leistung von etwa 17 Megawatt (MW) und einer Kapazität von 14 Megawattstunden betrieben. Diese Anlage war nur durch die politische Inselsituation zu rechtfertigen. Vergleicht man die genannte Batterieleistung mit dem derzeitigen durchschnittlichen Strom-Leistungsbedarf in Deutschland von etwa 45.000 MW (Sommer, Wochenenden) bis etwa 76.000 MW (Höchstlasttag im Winter, Dezember oder Januar), so werden die Grenzen der Speicherbarkeit von Strom in Batterien offensichtlich.

Pumpspeicher-Kraftwerke

In energiewirtschaftlich bedeutsamen Mengen lässt sich Strom heutzutage nur indirekt speichern. Die elektrische Energie wird dabei in eine andere Energieform überführt, in der sie gespeichert und bei Bedarf dann wieder in Strom zurückgewandelt werden kann. Das bekannteste und mit Abstand am häufigsten eingesetzte Verfahren ist das der sog. Pumpspeicher-Kraftwerke. Hierbei wird durch den Einsatz von Strom, Wasser von einem tief gelegenen Wasserbecken (sog. Unterbecken) in ein möglichst hoch gelegenes Wasserbecken (Oberbecken) gepumpt. Aus dem Oberbecken wird dann im Bedarfsfall über Turbinen und Generatoren wieder Strom erzeugt . Pumpspeicher-Kraftwerke sind technisch ausgereift. Der sog. Umwälzwirkungsgrad beträgt bei ihnen etwa 75 Prozent. D. h. aus 100 Kilowattstunden Pumpstrom können dem Versorgungsnetz später 75 Kilowattstunden „Nutzstrom“ wieder zugeführt werden. Näheres siehe "Inwiefern haben Pumpspeicher-Kraftwerke eine Bedeutung für die Sicherheit der Stromversorgung ?" (PDF, 36 kB).

Druckluftspeicher-Kraftwerke

Eine andere Form der indirekten Stromspeicherung sind Druckluftspeicher-Kraftwerke. Sie arbeiten nach dem gleichen Grundsatz wie Pumpspeicher-Kraftwerke, nur wird bei ihnen zur Zwischenspeicherung der Energie nicht Wasser in ein höher gelegenes Becken gepumpt, sondern Luft in einen Druckbehälter gepresst (z. B. in eine unterirdische Kaverne). Die Stromrückgewinnung in Spitzenlastzeiten erfolgt dann entweder (zukünftig vielleicht) mittels Druckluftmotoren, die direkt einen Generator antreiben (Druckluftmotoren sind extrem schnell regelbar, können bisher allerdings nur in sehr kleinen Einheiten gebaut werden), oder indem die Druckluft einer Gasturbine (ähnlich einem Flugtriebwerk) als (bereits hoch komprimierte) Verbrennungsluft zugeführt wird. Dadurch kann die Gasturbine ohne Verdichter arbeiten. Normalerweise werden etwa zwei Drittel der in der Gasturbine erzeugten Energie für die Verdichtung der Verbrennungsluft benötigt . In diesem Fall wird Erdgas (oder Heizöl) als zusätzlicher Energieträger benötigt, nur eben weniger als ohne Druckluft. Es gibt bisher zwei derartige Anlagen in Betrieb: Eine in Huntorf in Niedersachsen in Deutschland und eine in McIntosh in Alabama, USA. Das Kraftwerk in Huntorf hat eine Erzeugungsleistung von 320 MW, die bei vollgefülltem Speicher (2 Kavernen in Salzgestein in ca. 700 m Tiefe mit zusammen 300.000 m3 Volumen, Speicherung bei einem Druck von etwa 50 bis 70 bar) zwei Stunden lang zur Verfügung gestellt werden kann. Die Investitions-Kosten sind sehr hoch und der heute erreichte Umwälzwirkungsgrad liegt bei etwa 45 %. An ihrer Weiterentwicklung wird gearbeitet.

Dieser Beitrag wurde am 4. Juli 2012 aktualisiert. Die Erstfassung stammt vom 24. August 2006 . Ein aktuellerer Artikel „Energiespeicherung – die Achillesferse der Energiewende“ ist im Bereich „Siehe auch“ weiter unten verlinkt.


Siehe auch