Energiesp. (Kurzzeitsp: Pumpsp, Bat., Druckluftsp, Schwungmassensp., Kond., Spul.) Flashcards
Energiespeicher sind in den zukünftigen Netzen mit dezentralen Energiequellen eine unverzichtbare Komponente, um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten.
Sie dienen zur Lösung der folgenden Problemstellungen: ?? (4)
Ausgleich der zeitlichen Schwankungen von Energiebedarf und Energieerzeugung
Entlastung der Versorgungsnetze durch Spitzenlastdeckung
Verringerung der Übertragungsverluste (-> Reduzierung der Investitionskosten für Energieübertragungsanlagen)
Verbesserung der Netzqualität durch dezentrale Pufferung bei Fehlerquellen
Definiere was man unter einem Energiespeicher versteht?
Ein Energiespeicher ist eine energietechnische Einrichtung, welche die drei folgenden Prozesse beinhaltet:
- Einspeichern (Laden)
- Speichern
- Ausspeichern (Entladen)
Was versteht man unter einem Energieträger?
Ist ein Stoff, der Energie gespeichert hat.
-> Er befindet sich in der Speichereinheit eines Energiespeichers
Was versteht man unter primären Energiespeichern und was unter sekundären Energiespeichern?
Primäre Energiespeicher: Energiespeicher, die nur einmal geladen und entladen werden.
Sekundäre Energiespeicher:
Energiespeicher, die mehrfach geladen und entladen werden können.
Wie können Speicher nach ihrer Speicherdauer klassifiziert werden? Nenne je drei Beispiele! (Probeexam)
Kurzzeitspeicher (sec bis days):
- Batterien
- Druckluftspeicher
- Kondensatoren
Langzeitspeicher (Wochen-Saisonal):
- Gasspeicher
- Brenn- und Kraftstoffe
- Pumpspeicher (auch als Kurzzeitspeicher denkbar)
Speicherbedarf - In der Stromversorgung
Definition Speicherbedarf: Ein Stromspeicherbedarf im Erzeugungsausgleich ergibt sich nach Abwägung aller vorrangigen Ausgleichsmaßnahmen und Flexibilitätsoptionen
Ergibt sich aus was?
Residuallast:
1. Überschuss bei Überdeckung
2. Defiziten bei Unterdeckung
(Residuallast = Stromnachfrage - Strom aus EE)
Residuallast = ??
Stromnachfrage - Strom aus EE
Skizziere kurz den Aufbau eines Pumpspeicherkraftwerks mit den wesentlichen Komponenten! (Altex.)
siehe Abb. Zsmf. !! (o. slide 9)
Nenne jeweils zwei Vor- und zwei Nachteile von Pumpspeicherkraftwerken! (Probeex.)
Vorteile:
- hohe Lebensdauer
- gute Regelbarkeit
Nachteile:
- stark abhängig von den örtlichen Bedingungen
- hohe Investitionskosten
Batterien
-> Welche Komponenten beinhaltet eine Zelle/Element?
Fertige auch eine Skizze an.
Zelle/Element:
Galvanische Zelle mit:
- Elektrodenpaar
- Elektrolyt
- Separator
- Gehäuse
(Skizze siehe slide 13)
1) Skizziere den allgemeinen Aufbau einer Primärbatterie.
2) Nenne 3 wesentliche Eigenschaften
3) Nenne eine Beispielzelle!
(Probeex.)
1) Skizze siehe slide 14!
2) Eigenschaften:
- irreversible Reaktion
- nicht wieder aufladbar
- Zusammenbau im geladenen Zustand
3) Beispiel: Zink/Kohle Batterie
(-> oder: Alkali/Mangan; Lithium)
1) Skizziere den allgemeinen Aufbau einer Reservebatterie.
2) Nenne 2 wesentliche Eigenschaften
3) Nenne eine Beispielzelle!
1) Skizze siehe slide 16
2) Eigenschaften:
- Ein Teil der Batterie fehlt (z.B. Aktivmaterial)
- Zusammenbau kurz vor dem Einsatz, dann wie Primärenergie (Einwegnutzung)
3) Beispiele: Zink/Luftbatterie
(-> oder: Magnesium/Wasser)
1) Skizziere den allgemeinen Aufbau einer Sekundärbatterie.
2) Nenne 3 wesentliche Eigenschaften
3) Nenne eine Beispielzelle!
(Altex.)
1) Skizze siehe slide 15!
2) Eigenschaften:
- Reversible Reaktion
- wieder aufladbar ((wie Akkus))
- Zusammenbau im entladenen Zustand
3) Bsp.: Lithium-Ionen
(-> oder: Bleibatterie; NiMH)
Batterien - Grundlagen
1) Für was steht SOC und für was DOD?
2) Wie erfolgt die Umrechnung?
1)
SOC - State of Charge:
-> Verhältnis noch entnehmbarer Ladung / Kapazität
DOD - Depth of Discharge:
-> Verhältnis entnommener Ladung / Kapazität
2)
SOC = 100% - DOD
DOD = 1 - DOD
(1 = 100%)
1) Kapazität einer Batterie stellt was dar?
2) Was ist die Maßeinheit?
1) Ladungsinhalt einer Batterie
(-> Def.: Integral(Umin; Umax) Idt)
2) Ah, As und Coulomb
Kapazität
1) Welche Gesetzmäßigkeiten gelten für Verschaltung?
2) Was würde man machen, um die Kapazität zu erhöhen?
1)
Reihenschaltung von n-Zellen: CsubReihe = min(Csubi)
Parallelschaltung von n-Zellen: Csubparallel = Summe aus Csubi
(Maßeinheit: Ah, As und Coulomb)
2) Man würde Batterien parallel schalten, weil bei Reihenschaltung würde weiterhin die Batterie mit der geringsten Kapazität die Gesamtkapazität darstellen!
Was versteht man unter der Ruhespannung (engl. Open cell voltage, OCV)?
Differenz der Elektrodenpotentiale im Gleichgewicht
-> Veränderung der Ruhespannung durch Selbstentladung über längere Zeit (Tage bis Jahre)
Wovon ist die Ruhespannung abhängig und warum?
Vom Ladezustand, da Änderung der chemischen Zusammensetzung (Konzentration) der Batterie mit dem Ladezustand.
(-> Nach einer Belastung ist eine Messung erst nach einer Ruhephase möglich, damit sich das Gleichgewicht einstellen kann (Minuten bis Stunden))
Nenne wichtige Parameter im Zusammenhang mit Batterien!
COD und DOD
Ruhespannung (engl. Open Cell Voltage, OCV)
Stromrate, C-Rate
Kapazität
(…)
Stromrate, C-Rate:
1) Maßeinheit für was?
2) Angabe für was?
3) Formel?
1) Maßeinheit für Strom, normiert auf die Batteriekapazität
2) für Batterieströme unabhängig von der Batteriegröße
3) M = I / Csubn
(mit I: Entladestrom)
(Schreibweise: z.B. 1C , 0,2 C, …)
Batterien - Grundlagen elektrochemische Reaktion
Was versteht man unter Anode und Kathode, was passiert dort?
Anode:
- Elektrode an welche die Anionen A- wandern
- Oxidation der Anionen
- Anionen geben Elektronen an Anode ab
Kathode:
- Elektrode an welche die Kationen K+ wandern
- Reduktion der Kationen
- Kationen nehmen Elektronen von der Kathode auf
Batterien - Blei Batterien
Beschreibe das Konzept!
Positive Elektrode:
- Aktiv-Material: Blei(IV)oxid, PbO2
- Ableiter: Metallisches Blei
Negative Elektrode:
- Aktiv-Material: Metallisches Blei
- Ableiter: Metallisches Blei
2 unabhängige Redoxreaktionen
Große Energiedifferenz zwischen geladenen und entladenen aktiven Materialien
Abnahme der Kapazität mit der Zeit aufgrund teil auch irreversibler Reaktionen (!)
(Skizze slide 18, Reaktionsformeln slide 19)
Batterien
Skizziere und beschreibe das Konzept der Redox-Flow Cell (bzw. Redox-Flow-Batterie)!!
(wohl gut zu lernen!!!)
Skizze Abbildung slide 20!
Einzelne Zelle ist durch eine Membran in zwei Halbzellen, mit je einer Elektrode geteilt
Diese Halbzellen werden von unters. Elektrolytflüssigkeiten durchströmt.
Beim Laden wird über die Elektroden in die Halbzellen elektrische Energie zugeführt und eine Redox-Reaktion ausgelöst, die die chemische Energie der Flüssigkeit verändert.
Beim Entladen wird die chemische Energie der Flüssigkeiten durch Umkehr der Redox-Reaktion und Entnahme elektrischer Energie an den Elektroden wieder in den Ausgangszustand gebracht.
Die flüssigen Energieträger werden im Betrieb ständig im Kreis zwischen elektrochemischem Reaktor und Tanks gepumpt.
Ein Laderegler steuert den Energiefluss zum Reaktor (Laden), während ein Inverter die elektrische Energie für die Endnutzung passend umwandelt (Entladen)
Zeichne einen Druckluftspeicher und benenne die Komponenten!
(Altex.)
siehe slide 27!!
CEAS: Compressed Air Energy Storage
Druckluftspeicher
Erkläre das Konzept!
Schwachlastzeit: Motor nutzt überschüssige Energie zur Kompression von Druckluft im untertägigen Speicher.
In Zeiten hoher Nachfrage: Druckluft wir der Brennkammer zugeführt und treibt in Verbindung mit dem verbrennenden Erdgas Turbine an.
Wirkungsgrad = 55%
Speicherung erfolgt z.B. in Salzkavernen
Wird häufig für den Regelenergieeinsatz verwendet.
-> Bereits nach 10min. kann volle Leistung zur Verfügung stehen
Schwungradspeicher
Nenne 2 Vor- und 2 Nachteile!
Vorteile:
- Lebensdauer über 20 Jahre im Dauerbetrieb
- Ladezustand aus der Drehzahl des Schwungrades sofort erkennbar
Nachteile:
- relativ hohe Investitionskosten
- Selbstentladung beträgt 50% innerhalb von 2-4h
Schwungradspeicher
Fertige technische Skizze des Konzeptes an!
slide 32
Schwungradspeicher wird bereits als Energiespeicher für die Zwischenspeicherung von Bremsenergie der Straßenbahn eingesetzt.
-> Steuerelektronik erfasst Zustand des Bahnnetzes, regelt Aufladen oder Rückspeisen der Energie
-> siehe slide 36 an!!
…
Kondensatoren, Spulen
Supraleitende Magnetische Energiespeicher (SMES)
Beschreibe das Konzept und die Anwendung in der Praxis!
Speichern Energie in einem durch Gleitstrom in einer supraleitenden Spule erzeugten Magnetfeld
Supraleiter können Strom unterhalb einer kritischen Temp. ohne Widerstand leiten (Kühlung notw.)
Wenn einmal geladen, fällt die Spannung nicht ab und Speicherung kann über längere Zeit erfolgen.
(…)
Aufgrund des hohen Energieaufwandes für die Kühlung und die hohen Kosten von Supraleitern werden SMES zur Zeit vor allem zur kurzzeitigen Speicherung von Energie verwendet.
Kondensatoren, Spule
Warum werden SMES zur Zeit vor allem zur kurzzeitigen Speicherung von Energie verwendet? (2)
hoher Energieaufwand für die Kühlung
hohen Kosten von Supraleitern
Langzeitspeicher - Gasspeicher
Gasometer arbeiten wie?
Arbeiten bei geringem Überduck als Konstantdruckspeicher bei variablem Volumen
Langzeitspeicher - Gasspeicher
Gasdruckbehälter werden wie betrieben?
bei konstantem Volumen, aber variablem Druck zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert.
(-> die nutzbare Gasmenge zwischen diesen Drücken wird als Arbeitsgas und die bei Minimaldruck verbleibende Gasmenge als Kissengas bezeichnet, wobei das Verhältnis von Arbeits- und Kissengas bei den einzelnen Druckspeicherverfahren unterschiedlich ist)
Gasspeicher
Nenne unterschiedliche Speicherbehälter!
Gasometer
Gasdruckbehälter
Kugelgasbehälter
Röhrenspeicher
Untertage-Gasspeicher (in Slazkavernen)
Gasspeicher - Speicherbehälter
Was ist der Vorteil von Kugelgasbehältern?
Erlauben wesentlich höhere Betriebsdrücke und damit höhere Energiespeicherdichten
-> aufgrund der günstigen Geometrie
Haben den geringsten spezifischen Materialverbrauch für den Behälter
Gasspeicher - Speicherbehälter
?(1)? sind im Boden in geringer Tiefe verlegte Gaspipelines
-> können im Gegensatz zu Untertagespeichern in geologischen Formationen in fast jeder Region installiert werden
Die Verwendung von Stahlrohren erlaubt im Vergleich zu Kugelgasbehältern einen wesentlich ?(2)?.
Kapazität nur von der Gesamtlänge der Rohre abhängig.
Jedoch bei gleichem Volumen höheren Stahlverbrauch als Kugelspeicher
-> damit höhere spezifische ?(3)?
(1) Röhrenspeicher
(2) höheren Druck
(3) Investitionskosten
Gasspeicher - Speicherbehälter
Röhrenspeicher sind eher für was geeignet?
Eher für kleinere Kapazitäten und damit für den Ausgleich geringer Verbrauchsschwankungen im Gasnetz geeignet.
Untertage-Gasspeicher
Was ist der Vorteil von Untertage-Gasspeichern gegenüber Obertage-Gassspeichern?
es können kostengünstiger wesentlich größere Speichervolumen realisiert werden
geringerer Flächenverbrauch
–
(Speicherkapazität hängt vom Produkt aus Volumen und Druck ab -> darum Untertage-Speicherung bevorzugt)
Gasspeicher
Die Speicherkapazität von Speichern Obertage ist grundsätzlich begrenzt durch: ?? (3)
das ökonomisch sinnvolle geometrische Volumen
den realisierbaren Speicherdruck
-> Materialkosten der entscheidende Fakor
Untertage-Gasspeicher
In der Praxis sind Speicherdrücke bis 200bar realisierbar.
Speicherkapazität hängt von was ab?
Vom Produkt aus Volumen und Druck -> Untertage-Speicherung wird bevorzugt
Salzkavernen:
- künstlich erstelle Hohlräume
- es wird eine Bohrung mit einem Durchmesser von d < 1m in das Salzgestein abgesenkt (abgeteuft) und mit einem einzementierten Stahlrohr abgedichtet
- Die Erstellung des Hohlraums erfolgt nach dem Solprozess
-> Was ist der Vorteil des Verfahrens?
Es muss kein aufwändiger Schacht abgeteuft werden und es werden weder Personal noch Maschinen Untertage benötigt
Solprozess:
Um das für den Lösungsprozess erforderliche Wasser in die Bohrung injizieren zu können, werden zunächst zwei konzentrische Rohre in die Bohrung gehängt.
Durch das innere Rohr wird Wasser eingepresst, welches das Salzgestein auflöst.
Durch den Ringraum zwischen den Rohren wird die entstehende Sole nach Obertage verdrängt und dort entweder als Rohstoff genutzt oder ins Meer abgeleitet.
Zusätzlich wird in den äußeren Ringraum ein Schutzfluid (Blanket) injiziert (z.B. Stickstoff), das ein unkontrolliertes Solen nach oben verhindert.
Hat die Kaverne das gewünschte Volumen erreicht, erfolgt…
(siehe gesamte Beschreibung mit Abbildung slide 50+51)
…
Gasspeicher - Untertage-Gasspeicher
Nenne 2 geologische Voraussetzungen!
Verfügbarkeit einer Salzformation mit ausreichender Ausdehnung
Ein begrenzter Anteil an unlöslichen Bestandteilen im Salz
(…)
Gasspeicher - Untertage-Gasspeicher
Typische Dimensionen:
100.000m^3 bis maximal etwa 1.000.000 m^3
Betriebsdrücke zwischen etwa 60 - 180 bar
–
Für eine einzelne 500.000m^3 ergibt sich eine Arbeitsgasmasse von 4900t Wasserstoff oder 46.000t Methan
…
1) Wärmespeicher können unterteilt werden in: ?? (3)
2) Ordne diese hinsichtlich der Energiedichte in kWh/m^3 (gering -> hoch)
3) Ordne diese hinsichtlich des Entwicklungsstandes (gering -> hoch)
1)
Sensible Wärmespeicher
Latente Wärmespeicher
Thermochemische Wärmespeicher
2)
Sensible Wärmespeicher
<
Latente Wärmespeicher
<
Thermochemische Wärmespeicher
3)
Thermochemische Wärmespeicher
<
Latente Wärmespeicher
<
Sensible Wärmespeicher
Sensible Wärmespeicher
Was wird unter sensibler Wärme verstanden?
Die Wärmeaufnahme oder Wärmeabgabe, die eine fühlbare Änderung der Temperatur zur Folge hat
Q = m * csupp * (T2 - T1)
csubp: spezifische Wärmekapazität
Verglichen mit latenten und thermochemischen Speichern weisen sensible Wärmespeicher eine eher geringe Energiedichte aus.
Wahr/Falsch?
Wahr
Sensible Wärmespeicher haben im Vergleich zu den beiden anderen Wärmespeichertechnologien (latent, thermochemisch) eher hohe Investitionskosten, sind am wenigsten entwickelt und am Markt wenig etabliert
Wahr/Falsch?
FALSCH
haben eher GERINGE Investitionskosten, sind am WEITESTEN ENTWICKELT und am MARKT ETABLIERT (!)
Sensible Wärmespeicher
Auswahl des Speichermaterials erfolgt nach folgenden Kriterien: ?? (5)
Betriebstemperatur des Systems
Wahl des für den Wärmetransport geeigneten Materials
Eignung des gleichen Materials für Transport und Speicherung
Verfügbarkeit und Preis des Materials
Umweltverträglichkeit des Materials
Sensible Wärmespeicher
Neben der spezifischen Wärmekapazität wird insbesondere im Gebäudebereich häufig die ?(1)? angegeben, da dort weniger das Gewicht als das benötigte Raumvolumen von Bedeutung ist.
Das am häufigsten verwendete Medium bei sensiblen Wärmespeichern ist ?(2)?
(1) volumetrische Wärmekapazität
(2) Wasser (Pufferspeicher bei Heizungsanlagen)
Sensible Wärmespeicher
Wärmespeicherung über ?(1)? bis hin zur ?(2)? im Temperaturbereich ?(3)? sind mit sensiblen Speichern möglich
(1) mittlere Zeiträume (Wochen/Monate)
(2) saisonalen Wärmespeicherung (Sommer/Winter)
(3) 0-100 °C
Sensible Wärmespeicher
Wärme- und Kältespeicherung über längere Zeiträume findet größtenteils ?? statt
unterirdisch
Sensible Wärmespeicher
Wärme- und Kältespeicherung über längere Zeiträume findet größtenteils unterirdisch statt
-> dabei bieten sich vor allem folgende Speichertypen an: ?? (6)
Aquiferspeicher
Kavernenspeicher
Erdwärmesonden-Speicher
Erdwärmekollektor-Speicher
Kies/Wasser-Speicher
Erdreich/Wasser-Speicher
Sensible Wärmespeicher
Warm- und Heißwasserspeicherung in Beton-, Stahl- und Kunststoffbehältern
Saisonale Speicherung nur durch große ?(1)? realisierbar.
Innovative ?(2)? wichtig
Geeignete Schichtladeeinheiten, die bei direkter Beladung das Wärmeträgerfluid in der passenden Temperaturschicht einspeichern
(siehe Skizze slide 59)
(1) Wasserspeicher
(2) Dämmkonzepte
Latente Wärmespeicher
Nenne 1 Vor- und 2 Nachteile von latenten Wärmespeichern!
Vorteile:
- gut für Kältespeicherung geeignet
-> Latentwärmespeicher kann bei kleinen Temperaturänderungen mehr Wärme speichern als ein sensibler Wärmespeicher (Voraussetzung: Phasenwechsel im Temp.bereich)
Nachteile:
- komplexe technische Umsetzung
- häufig teurer als vergleichbare sensible Speicher
- (…)
Latenter Wärmespeicher kann bei kleinen Temperaturänderungen mehr Wärme speichern als ein sensibler Wärmespeicher, vorausgesetzt es findet ein Phasenwechsel im Temperaturbereich statt.
Wahr/Falsch?
WAHR
Ein sehr geeignetes Feld für Latentwärmespeicher ist?
Kältespeicherung
-> Bei der Gebäudekühlung (weil meist nur eine Temp.differenz von um die 6K)
Latente Wärmespeicher
1) In der Praxis wird hauptsächlich welcher Phasenwechsel verwendet?
fest zu flüssig
-> der Phasenwechsel von flüssig zu gasförmig wird trotz hoher Phasenübergangsenthalpien aufgrund der großen Volumenänderung gemieden
((Einige Materialklassen zeigen beim Abkühlen der flüssigen Phase eine sogenannte Unterkühlung))
Latente Wärmespeicher - Materialien
Kriterien für die Materialwahl sind:
Nenne jeweils 2 physikalische Kriterien und 2 technische Kriterien!
physikalische Kriterien:
- hohe Phasenübergangsenthalpie und spezifische Wärmekapazität
- beherrschbare Unterkühlung
technische Kriterien:
- physikalische und chemische Stabilität
- beherrschbare Volumenänderung
(alle slide 64)
Nenne 3 ökonomische Kriterien für die Materialwahl bei latenten Wärmespeichern
Niedriger Preis
Verfügbarkeit
Umweltverträglichkeit; geringe Toxizität
Nach welchen 3 Kriterien wird ein Wärmespeicher allgemein ausgewählt?
Physikalische Kriterien
Technische Kriterien
Ökonomische Kriterien
Energiespeicher Zusammenfassung
Präge dir slide 66+67 ein!!!
…
