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Die Physik der Speicherung von Windenergie

Windenergie steht gratis und in enormem Umfang zur Verfügung, aber oft nicht dann, wenn sie auch gebraucht wird. Das Problem ist also die Speicherung der Windenergie. Die Physik stellt Ideen bereit, die dann technisch und wirtschaftlich umsetzbar sein müssen.

Batterie als Speicher von elektrischem Strom

Geht es um die Speicherung von erneuerbarer Energie, denken viele spontan an Batterien. Das ist verständlich, wenn die Energie als elektrischer Strom aus Photovoltaik stammt. Ohne weitere Umwandlung liegt dann eine Speicherung in einer Batterie nahe.

Unterschiede zwischen Wind- und Sonnenenergie

Im Gegensatz zu Sonnenenergie wird Windenergie durch eine Turbine zuerst in mechanischer Form bereitgestellt. Erst dann erfolgt eine Umwandlung in Strom durch einen Generator. Die Speicherung kann aber nicht erst dann, sondern schon in der mechanischem Form durchgeführt werden.
Ein weiterer Unterschied besteht in der Energiedichte. Im Verhältnis zur Leistung ist eine Windturbine wesentlich kleiner als eine Photovoltaikanlage, deren Leistung proportional zur Fläche ist. Eine Speicherung in kinetischer oder potentieller Energie erfolgt dann in einem Objekt, das schnell bewegt oder im Schwerefeld der Erde angehoben wird.

Speicherung von potentieller Energie

Dafür gibt es zwei technische Umsetzungen, das Pumpspeicherkraftwerk und einen Hubspeicher. Die ersteren haben eine wesentlich längere Tradition und erfordern eigene landschaftliche Gegebenheiten. Im Gebirge wird durch eine Staumauer ein See angelegt, der über Wasserleitungen mit einem Kraftwerk im Tal verbunden ist. Die Turbinen des Kraftwerks können auch als Pumpen betrieben werden, die Wasser aus einem Speicher im Tal nach oben in den Stausee befördern. Praktisch wird das dann durchgeführt, wenn gerade überschüssiger Strom im Netz verfügbar ist. Gibt es einen Strommangel, wird das Wasser auf die Turbinen geschickt, die dann Strom erzeugen. Die Anlage wird Kraftwerk genannt, weil sie auch ohne Pumpen mit Regenwasser Strom erzeugen kann.
Ein Hubspeicher hat dieselbe Grundlage aus der Physik, aber die technische Umsetzung ist wesentlich verschieden. Ein schweres Objekt, das sich oft in einem Schacht bewegen kann, wird angehoben, wenn Energie verfügbar ist. Soll dann Energie erzeugt werden, lässt man die Schwerkraft auf das Objekt wirken, das im Sinken einen Generator antreibt.

Speicherung von Bewegungsenergie

In einem solchen Speicher wird ein Objekt in eine möglichst schnelle Bewegung versetzt und so Energie gespeichert. Nachdem sich das Objekt nicht vom Standort des Speichers wegbewegen soll, kommt dafür praktisch nur eine Drehung in Frage. Daraus ergibt sich auch die Bezeichnung RKS oder rotationskinetischer Speicher. In einem solchen setzt Windkraft über ein mechanisches Getriebe ein Schwungrad in Bewegung.
Ein solcher Speicher hat zahlreiche Vorteile.
– Standort. Dieser ist flexibel wählbar, ein RKS kann praktisch überall aufgestellt werden. Insbesondere sind im Gegensatz zu einem Pumpspeicherkraftwerk keine Gebirge notwendig.
– Energiedichte. Diese ist hoch im Vergleich zu Batterien.
– Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad ist wesentlich besser als bei alternativen Speichertechnologien und beträgt 85 bis 90 Prozent.
– Lebensdauer und Ladezyklen. Die Vorrichtung ist relativ einfach und kann deshalb ohne Weiteres über mehrere Jahrzehnte betrieben werden. Bei Batterien ist die erreichbare Zahl von Ladezyklen der beschränkende Faktor für die Lebensdauer. Solange die Mechanik funktioniert, kann ein RKS weiter betrieben werden.
– Reaktionsfähigkeit. Um Schwankungen in einem elektrischen Netz ausgleichen zu können, muss ein Speicher schnell von Aufnehmen auf Abgeben von Energie umgeschaltet werden können. Bei einem RKS oder auch einem Hubspeicher ist diese Möglichkeit einleuchtend.

Grundlagen aus der Physik für die Möglichkeiten mechanischer Speicherung

Bei einem Hubspeicher hängt die Menge der speicherbaren Energie von der Masse des Objekts und von der Länge der möglichen Anhebung ab. Praktisch wird das die Tiefe des Schachtes sein, in dem sich das Objekt bewegt.
Bei einem RKS ist die Speicherkapazität von der Masse des Objekts und der Drehgeschwindigkeit abhängig. An diesem Punkt wird klar, dass die technische Umsetzung eines RKS anspruchsvoller als die eines Hubspeichers ist.

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