Energiespeicher können den Erfolg der Energiewende, die aufgrund des Klimawandels notwendig ist, entscheiden. Pumpspeicherkraftwerke oder Blei-Säure-Batterien haben sich seit Jahrzehnten bewährt. An der Entwicklung, dem Bau und der Integration neuer Energiespeichersysteme in die Energieversorgung wir gearbeitet. Die Energiespeicher sind für die Verbreitung erneuerbarer Energien zur Stromversorgung entscheidend. Es gibt zurzeit verschiedene Energiespeicher, die sich im Aufbau, in der Betriebsart und der Energieform, die sie speichern, unterscheiden.

Die Energiespeicher sind besonders bei einer Dunkelflaute notwendig.

Verschiedene Speicherarten bzw. Speichertechnologien:

• Mechanische Energiespeicher
  Mechanische und thermomechanische Energiespeicher werden für die Langzeitspeicherung von elektrischer Energie durch die Umwandlung in eine andere Energieform genutzt.
  • Pumpspeicherkraftwerke
  • Hydraulischer Energiespeicher
  • Druckluftspeicher
  • Schwungradspeicher
  • Flüssigluft-Energiespeicher
  • Thermopotenzialspeicher
• Thermische Energiespeicher (Wärmespeicher)
  Thermische Energiespeicher gibt es in drei verschiedene Speicherkonzepten:
  1. Sensible Speicher (Wärmespeicherung durch Temperaturveränderung des Speichermediums)
  2. Latente Speicher (Wärmespeicherung hauptsächlich durch die Nutzung von Phasenwechsel von fest zu flüssig)
  3. Thermochemische Wärmespeicher (Wärmespeicherung in Form einer reversiblen thermo-chemischen Reaktion)
  Wärmespeicher werden zur Wärme- und Kälteversorgung sowie zur Kopplung mit unterschiedlichen Wärmenetzsystemen. Diese Lang- und Kurzzeitwärmespeicher werden zentral, dezentral und/oder gebäudeintegriert eingesetzt.
  • Erdbeckenspeicher
  • Erdwärmesondenspeicher
  • Naturstromspeicher
  • Eisspeicher
  • Aquiferspeicher
  • PCM-Speicher (Phase Change Material)
  • Kies-Wasser-Speicher
  • Sorptionsspeicher
  • Gebäudeintegrierte Speicher (kaltes Nahwärmenetz)
  • Heißwasser-Speicher
  • Multifunktionaler Power-To-Heat & Power Speicher "multiTESS")
  • Wasserspeicher für Power-to-Heat-Anlagen
  • SaltX-Anlage
  • ThermalBattery™-Technologie
• Chemische Energiespeicher
  Diese Speicher basieren auf dem Prinzip der Umwandlung von Strom (möglichst erneuerbare Stromüberschüsse), mittels Elektrolyse in Wasserstoff. Zurzeit sind die Methanisierung (Erdgas), Methanolisierung und die Fischer-Tropsch-Synthese (synthetischer Benzin/Diesel/Kerosin) noch am interessantesten.
  • Wasserelektrolyse
  • Power-to-Gas
  • Metallhydridspeicher
  
• Elektrochemische Energiespeicher (Dezentrale und zentrale Batteriespeicher)
  Diese Speicher basieren auf dem Prinzip der Umwandlung von Strom (möglichst erneuerbare Stromüberschüsse), mittels Elektrolyse in Wasserstoff. Zurzeit sind die Methanisierung (Erdgas), Methanolisierung und die Fischer-Tropsch-Synthese (synthetischer Benzin/Diesel/Kerosin) noch am interessantesten.
  • Stromspeicher
  • Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien (z. B. E-Auto-Batterie)
  • Nickel-Kadmium und Nickel-Metallhydrid Batterien
  • Natrium-Schwefel-Batterien
  • Blei-Säure-Batterien
  • Luftsauerstoff-Batterie – Metall-Luft-Batterien
  • ZEBRA-Batterien – Natrium-Nickelchlorid-Batterien
  Redox-Flow-Batterie – Vanadium, Polysulfid-Bromid, Zink-Brom und andere
• Elektrische Energiespeicher
  Die Energiespeicherung in einem Kondensator beruht auf der Aufrechterhaltung eines elektrischen Feldes, in welchem Energie gespeichert ist. Im Zusammenhang der Energiespeicherung sind vor allem Superkondensatoren von Bedeutung.
  Bei Spulen dagegen wird die Energie in elektromagnetischen Feldern gespeichert. Um diese Felder nahezu verlustfrei aufrechtzuerhalten, ist ein sehr geringer Innenwiderstand notwendig. Dies wird z. B. mit Supraleitern realisiert, indem diese auf extrem niedrige Temperatur abgekühlt werden.
  • Kondensatoren
  • Supraleitende magnetische Energiespeicher
  

Speicher in Wärmenetzen
Prof. Dr. Eckard Ritterbach, RAMBOLL Deutschland GmbH
Dr. Marius Maximini, EEB ENERKO Energiewirtschaftliche Beratung GmbH
Technologien des Energiespeicherns– ein Überblick
- ingenieur.de, VDI Verlag GmbH
Energiespeicher-Technologien im Überblick
- energie-experten.org, Greenhouse Media GmbH
Energiespeicherung als Element einer sicheren Energieversorgung
- Wiley-VCH GmbH
Der Stromspeicher. Selbst erzeugten Solarstrom jederzeit nutzen.
- Hager Vertriebsgesellschaft mbH & Co. KG
Großwärmespeicher zentraler Baustein einer fexiblen Stron- und Wärmeversorgung
Agentur für Erneuerbare Energien e. V.
Wärmespeicher 2021
Dr. Armin Kraft, EEB ENERKO Energiewirtschaftliche Beratung GmbH
Die Energiewende hat (k)ein Speicherproblem
Gerald Perschke, MDR
Stromspeicher: Grüner Strom rund um die Uhr
EnBW Energie Baden-Württemberg AG

Bei einem Blackout können die zur Zeit vorhandenen Stromspeicher nur für einige Stunden genügend Strom zur Verfügung stellen.

Energiemanagementsystem

Ein Energiemanagementsystem (EMS) ist eine Smart-Home-Anwendung für Haushalte mit Photovoltaik auf dem Dach. Über das Internet verbindet es die Solaranlage und den dazugehörigen Stromspeicher mit Wallbox, Wärmepumpe, Waschmaschine und anderen Elektrogeräten, die sich digital steuern lassen. Zentrales Element ist eine Software, die automatisch die Energieflüsse optimiert. Sie bestimmt, wann welche Geräte Strom bekommen. Im Privatgebrauch wird ein solches Tool auch Home Energy Management System (HEMS) genannt. In modernen Stromspeichern sind sie oft integriert.
Falls nicht, wird eine kleine Kontroll- und Steuerungsbox im Schaltschrank beim Stromzähler installiert. Die Bedienung der Energiemanagementsysteme erfolgt über eine App oder über ein cloudbasiertes Online-Portal. Dort lassen sich Einstellungen vornehmen und Verbräuche überwachen, um den produzierten Solarstrom besonders effizient zu nutzen, den Eigenverbrauch des PV-Stroms zu erhöhen und somit die Stromkosten im Haushalt zu senken.
Ein Home Energy Management System (HEMS) analysiert zunächst die Daten zu Stromproduktion und -verbrauch. Vernetzte Sensoren und Steuerungsgeräte senden Informationen über WLAN an die HEMS-Software. Diese kann über Schnittstellen mit den Haustechnik-Komponenten kommunizieren und Steuerbefehle senden. In Echtzeit ist einsehbar, welche Geräte wie viel Strom verbrauchen und wie viel der selbst erzeugten Solarenergie dafür zur Verfügung steht. Beides lässt sich individuell aufeinander abstimmen und der Stromspeicher etwa in Zeiten von Solarüberschüssen laden.
Die Integration von Batteriespeicher, Heizungsanlage und den anderen großen Stromverbrauchern im Haushalt gelingt oft unkompliziert ohne größere Umbauten – vorausgesetzt, die Kompatibilität ist gegeben. Bei Wärmepumpen weist zum Beispiel das SG-ready-Label darauf hin, dass sie sich in ein intelligentes Stromnetz einbinden lassen. Die Hersteller geben Auskunft über die unterstützten Geräte und Schnittstellen. Ein HEMS lässt sich auch in ein ganzheitliches Smart-Home-System zur Digitalsteuerung von Raumklima, Beleuchtung, Entertainment und Sicherheit zu Hause integrieren.
Das HEMS bezieht neben Verbrauchs- und Produktionsdaten die Wetterprognose ein und entscheidet automatisch, wann die vernetzten Geräte im Haushalt am besten laufen sollen – sofern sich das in Zeiträume verschieben lässt, in denen viel Solarstrom verfügbar ist. So lassen sich moderne Waschmaschinen, Wäschetrockner oder Geschirrspüler häufig über eine App-Steuerung zeitlich flexibel einschalten. Auch die Wallbox lässt sich mit dem HEMS dann zum Laden des E-Autos aktivieren, wenn die Sonne am stärksten scheint und viel Strom aus der PV-Anlage kommt.

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Ein Energiemanagementsystem steuert die Energieflüsse im Haushalt
Quelle: Verbraucherzentrale NRW e.V.

Grundvoraussetzung ist eine Internetverbindung im Haushalt. Sein volles Potenzial kann das HEMS erst in Verbindung mit einem Stromspeicher entfalten. Er speichert überschüssigen PV-Strom, der gerade nicht benötigt wird. Steht später kein neuer Sonnenstrom aus der PV-Anlage zur Verfügung, gibt die Steuertechnik den Überschuss aus dem Speicher frei. Zu den technischen Anforderungen zählen außerdem ein kompatibler Wechselrichter und eine Anbindung an den Stromzähler. Ein intelligenter Stromzähler, der sogenannte Smart Meter, ist allerdings kein Muss.
Quelle: André Gieße, ADAC

Energiemanagementsystem für zu Hause: Funktion und Nutzen
André Gieße, ADAC
Energiemanagementsystem für zu Hause: Mehr eigenen Strom selber nutzen
Verbraucherzentrale NRW e.V.
Home Energy Management System - So funktioniert ein Energiemanagementsystem
GASAG AG
Energiemanagementsystem
gridX GmbH
Energiemanagementsysteme
Umweltbundesamt

Phasenumschaltung

Die Phasenumschaltung im smarten E-Auto-Laden bezieht sich auf den Prozess des Wechsels zwischen verschiedenen Phasen des Stroms, der an das Ladegerät geliefert wird. Stromnetze arbeiten normalerweise mit drei Phasen – jede Phase liefert zu unterschiedlichen Zeiten Strom über einen spezifischen Leiter. Durch den Wechsel zwischen diesen Phasen während des Ladevorgangs kann das System den Stromverbrauch optimieren, Lastanforderungen ausgleichen und die Ladezeiten auf diese Weise insgesamt verkürzen. Diese Flexibilität stellt sicher, dass die Energienutzung effizient bleibt, insbesondere wenn mehrere E-Autos gleichzeitig geladen werden, ohne die elektrische Infrastruktur zu überlasten.

Hausanschlüsse mit einem dreiphasigen Stromanschlüssen sind ideal für schnelles E-Auto-Laden. Anschlüsse in älteren Häusern oder ländliche Gegenden nutzen jedoch möglicherweise noch immer einphasigen Strom, was für die gewünschte Kompatibilität unter Umständen Aufrüstungen erfordern kann. Dies lässt sich am Stromzähler überprüfen. Wenn der Zähler eine 220V/230V-Verbindung hat, ist er nur für einphasiges Laden geeignet. Höhere Werte (380V oder 400V) unterstützen drei Phasen.
Das E-Auto und das Wallbox-Ladegerät müssen über die Fähigkeit zur Phasenumschaltung verfügen, um dynamisch zwischen einphasigem und dreiphasigem Laden wechseln zu können.

Eine Phasenumschaltung steuert den Ladeprozess, indem sie die verfügbare Leistung optimal verteilt. Wer effizient laden möchte, muss den verfügbaren PV-Überschuss theoretisch immer minutengenau im Auge behalten und manuell zwischen den Phasen wechseln, sonst wird Potenzial verschenkt. Hier setzt die automatische Phasenumschaltung an. Die automatische Phasenumschaltung überwacht automatisch den verfügbaren PV-Überschuss und wechselt bei sich ändernder verfügbarer Ladeleistung zwischen der Einphasigkeit und Dreiphasigkeit - ganz automatisch. Sie müssen sich um nichts kümmern. Somit können Sie automatisch Ihren PV-Überschuss so effizient wie möglich nutzen.
In vielen Wallboxen, die einphasiges und dreiphasiges Laden ermöglichen, ist die Umschaltung manuell möglich. Das ist jedoch aufwändig, erfordert ein hohes Maß an Aufmerksamkeit und Flexibilität und nicht selten großer technische Versiertheit. Die automatische Phasenumschaltung hingegen funktioniert durch intelligente Steuerungselektronik innerhalb des Chargers, die kontinuierlich die vorhandene Strommenge und den Ladezustand des Fahrzeugs überwacht. Sobald sie erkennt, dass eine Phase überlastet ist oder zusätzliche Phasen zur Verfügung stehen, wechselt sie selbstständig zwischen ein-, (zwei-)* oder dreiphasigem Laden. Beim einphasigen Laden kann bereits ab 1,4 kW Überschuss geladen werden, deutlich früher als mit dem dreiphasigen Laden. Wenn mehr als 4,2 kW aus der PV-Anlage zur Verfügung steht, wechselt eine Wallbox mit automatischer Phasenumschaltung automatisch in den dreiphasigen Betriebsmodus. Wir sprechen hier von einem smarten Ladevorgang, der automatisiert bestehenden PV-Überschuss bestmöglich nutzt.
Mit dieser Technologie ausgestattet bieten Charger so einen flexibleren, auf die PV-Stromproduktion ausgelegten Ladevorgang.
* Zweiphasiges Laden ermöglicht Ladeleistungen von 2,8 – 14,7 kW. Diese Art der Ladung ist aber nicht weit verbreitet, da mit ein- oder dreiphasigen Ladeleistungen fast alle Anwendungen abgedeckt werden können.
Quelle: Content Team - sonnen GmbH

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Ladeleistung (kW) = PV Überschuss
Quelle: Content Team - sonnen GmbH
Automatisierte Phasenumschaltung & PV-Überschussladung bei Wallbox und E-Auto:
Wie PV-Strom-Eigenverbrauch optimieren?
Content Team - sonnen GmbH
Phasenumschaltung
gridX GmbH
1/3-Phasenumschaltung
neoom germany gmbh

Seltene Erden

Erfahren Sie hier alles über Seltene Erden
TRADIUM GmbH

Dunkelflaute
Die Dunkelflaute (wenig oder keine Sonne, wenig oder kein Wind) und die "kalte" Dunkelflaute (wenig oder keine Sonne, wenig oder kein Wind, hohe Stromnachfrage [Winter]) sind eine Hürde der Energiewende, denn ein Totalausfall von Wind und Sonne gefährden die Versorgungssicherheit mit Strom und Wärme.
Im Rahmen der Energiewende, die aufgrund des Klimawandels notwendig ist, werden die Erneuerbare Energien (Windkraft, Photovoltaik) den Hauptanteil der Energieversorgung übernehmen und die konventionellen Energieträger (Erdöl, Erdgas, Kohle, Holz, Atomkraft) ersetzen. Wie sieht es aber aus, wenn über Tage hinweg kein Wind weht und es eine längere Zeit keine Sonne scheint? Die bestehenden Biogasanlage und die eventuell vorhandene Wasserkraftwerke werden den notwendigen Bedarf energetischer Nutzung (Strom, Wärme, Verkehr, Produktherstellung und Grundstoffindustrie) nicht zur Verfügung stellen können. Hier ist der Einsatz von Energiespeichern notwendig.
In systemrelevante Bereichen (z. B. Krankenhäuser, Arztpraxeb, Altenheime, Wassererke, Tankstellen) sind auch Netzersatzanlagen (Notstromaggregate) installiert. Diese sind nicht für eine dauerhafte und klimaneutrale Stromerzeugung geeignet, können aber reaktionsschnell kurzfristig auftretende Spitzen abfangen. Die Netzersatzanlagen werden in Virtuellen Kraftwerken (Ein Zusammenschluss von dezentralen Einheiten im Stromnetz, die über ein gemeinsames Leitsystem koordiniert werden) zum Ausgleich von Netzfrequenzschwankungen genutzt. Im Notfall kann auch Wärme und Kälte gemietet werden.

Ausgleich in der "kalten Dunkelflaute"
Kalte Dunkelflaute - Robustheit des Stromsystems bei Extremwetter
- F. Huneke, C. Perez Linkenheil, M. Niggemeie - Greenpeace Energy eG
Dunkelflaute: Wie ernst ist der Ausfall von Wind & Solar?
- Florian Blümm, Tech for Future

Blackout

Blackout - Wahrscheinlich oder Panikmache? Eine Antwort auf diese Frage ist nicht einfach. Auch die Experten sind sich hier nicht einig. Auf jeden Fall darf die Diskussion in den Medien nicht zu einer Panik führen. Wichtig sind leichtverständliche Informationen über das Thema "Blackout". Schon der Begriff kann in der Bevölkerung zur Panik führen. Leider sind zunehmend "schlechte Nachrichten" in den Medien die "besten Nachrichten" >((
In vielen Fällen ist es aber kein totaler Stromausfall, sondern ein "Brownout* ".
* Ein Brownout bezeichnet eine zu geringe Spannung im Stromnetz, sozusagen die Vorstufe eines Stromausfalls. Brownouts entstehen bei einem Ungleichgewicht im Stromnetz.

>>> hier ausführlicher - Stromnetzstörungen <<<

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