Kann der nicht genutzte Strom gespeichert werden?

In diesem Sommer herrschten in Sichuan weiterhin hohe Temperaturen, was die angespannte Situation hinsichtlich Angebot und Nachfrage nach Elektrizität weiter verschärfte. Jeder hat den Eindruck, dass Sichuan reich an Wasserressourcen ist und über viele riesige Wasserkraftwerke verfügt . Hinsichtlich der installierten Wasserkraftkapazität und der Stromerzeugung liegt es landesweit an erster Stelle. Warum gibt es im Sommer einen Strommangel?

Die extrem hohen Temperaturen und die Dürre in diesem Jahr sind die Hauptursache . Aufgrund der extrem hohen Temperaturen und der Dürre kam es in Sichuan zu einer Situation, in der sich die höchste extreme Temperatur im gleichen Zeitraum der Geschichte, die niedrigste Niederschlagsmenge im gleichen Zeitraum der Geschichte und die höchste Stromlast im gleichen Zeitraum der Geschichte überschnitten.

Quelle: Veer Gallery

Teil 1

Die moderne Welt kann nicht ohne Elektrizität auskommen.

Als Grundlage der modernen Gesellschaft wird Elektrizität in allen Produktions- und Lebensbereichen umfassend eingesetzt. Kraftwerke wandeln Windenergie, Wasserkraft, in Kohle gespeicherte chemische Energie und andere Energiearten in elektrische Energie um, die dann über das Stromnetz an Tausende von Haushalten übertragen wird. Die elektrische Energie wandeln die Menschen dann je nach Bedarf in andere Energie um. Beispielsweise wird von einem weit entfernten Kraftwerk erzeugter Strom zu Ihnen nach Hause übertragen und Sie nutzen ihn zum Beleuchten (elektrische Energie wird in Lichtenergie umgewandelt), zum Kochen (elektrische Energie wird in Wärmeenergie umgewandelt) und zum Wäschewaschen (elektrische Energie wird in mechanische Energie umgewandelt).

Bildquelle: Referenz 1

Das aktuelle Stromerzeugungsmodell weist eine sehr wichtige Eigenschaft auf: Es produziert so viel, wie es verbraucht. Die Stromerzeugungskapazität des Kraftwerks wird in Echtzeit an den Stromverbrauch am anderen Ende des Stromnetzes angepasst. Wenn nachts alle das Licht einschalten, wird die Stromerzeugungskapazität des Generators in Echtzeit entsprechend den Parametern des Stromnetzes angepasst. Stromerzeugungskapazität und Stromverbrauch stehen in einem dynamischen Gleichgewicht.

Bei den Kraftwerken in der Provinz Sichuan beträgt die installierte Kapazität der Wasserkrafterzeugung 82 Prozent der gesamten installierten Kapazität, während Laufwasserkraftwerke (die Strom auf Grundlage der durch den Fluss fließenden Wassermenge erzeugen und über keine Reservoirs zur Wasserspeicherung verfügen) 60 Prozent der gesamten installierten Wasserkraftkapazität ausmachen. Die Stromerzeugungskapazität eines Wasserkraftwerks wird durch die Wassermenge des Flusses begrenzt.

Während der Hochwassersaison ist der Wasserfluss groß. Nutzt das Wasserkraftwerk das gesamte fließende Wasser zur Stromerzeugung, kann der Strom nicht verbraucht werden, es entsteht ein Energieüberschuss und nur ein Teil des Wassers kann direkt abgegeben werden. Während der Trockenzeit ist die Wasserführung zu gering und selbst wenn das gesamte fließende Wasser zur Stromerzeugung genutzt würde, könnte der Strombedarf nicht gedeckt werden, was zu Energieknappheit führt.

Während des tatsächlichen Betriebs werden Laufwasserkraftwerke zwangsläufig mit den beiden oben genannten Situationen konfrontiert, was manchmal zu einer Verschwendung von Stromerzeugungskapazität führt und manchmal dazu, dass der Strombedarf nicht gedeckt werden kann.

Bildquelle: Autor

Übertragungsleitungen sind hocheffizient, ihre Planung und ihr Bau nehmen jedoch Zeit in Anspruch. Man kann sagen, dass die Technologie meines Landes zur Übertragung elektrischer Energie gegenwärtig die stärkste der Welt ist (Staatliches Stromnetz: unauffällig, unauffällig). In den frühen Phasen der Stromnetzplanung werden der Stromverbrauch verschiedener Regionen und die Stromerzeugungskapazität der Kraftwerke berücksichtigt, um ein geeignetes Layout zu planen, die Nutzung der Stromerzeugungskapazität der Kraftwerke zu maximieren und Energieverschwendung zu reduzieren. Tritt jedoch alle paar Jahrzehnte eine Extremsituation auf, ist das ausgelegte Stromnetz möglicherweise nicht in der Lage, damit umzugehen.

Teil 2

Energiespeichertechnologie ist die Stütze des Stromnetzsystems

Was passiert, wenn das Stromnetz nicht mehr ausreicht? Zurzeit müssen Energiespeicheranlagen Abhilfe schaffen. Wofür werden Energiespeicher eingesetzt? Um es analog auszudrücken: Es handelt sich um eine Art kleine Schatzkammer, die überschüssigen Strom im Energiespeicher speichert und bei Bedarf entnimmt. Dies ist die Lösung mit der höchsten Energienutzungsrate. Es gibt viele Arten von Energiespeichersystemen, jedes mit seinen eigenen Eigenschaften. Die wichtigsten sind Pumpspeicher, Schwungradspeicher, Druckluftspeicher, elektrochemische Energiespeicher und Superkondensator-Energiespeicher.

Der Netzenergiespeicher mit der derzeit weltweit größten installierten Kapazität ist das Pumpspeicherkraftwerk. Bei geringem Stromverbrauch nutzt das Pumpspeicherkraftwerk die überschüssige Stromerzeugung des Netzes, um Wasser aus tiefer gelegenen Reservoirs in höher gelegene Reservoirs zu pumpen und dort zu speichern. Wenn der Stromverbrauch seinen Höhepunkt erreicht, wird das aus den höher gelegenen Reservoirs gepumpte Wasser zur Stromerzeugung genutzt. Auf diese Weise kann der überschüssige Strom im Pumpspeicherkraftwerk gespeichert werden. Wenn das Kraftwerk den Strombedarf nicht decken kann, erzeugt das Pumpspeicherkraftwerk Strom, um den Druck des Kraftwerks zu verteilen.

Pumpspeicherkraftwerk Anhui Xiangshuijian

(Fotoquelle: Nachrichtenagentur Xinhua)

Die Stromerzeugung aus Wind- und Solarenergie kann stark und schnell schwanken. Der Wind weht eine Zeit lang und hört dann auf, oder die Wolken verdecken für eine Weile die Sonne, und die Stromerzeugung beider schwankt wie bei einer Achterbahn. Dies ist auch ein wichtiger Grund dafür, dass der Energienutzungsgrad bei der Stromerzeugung aus Windkraft und Photovoltaik derzeit nicht hoch ist. Die Schwankungen sind zu schnell und das Stromnetz kann sie nicht verkraften. (Grid: Mein kleines Herz kann diese Art von Aufruhr nicht ertragen). Eine wirksame Möglichkeit, die Auslastung dieses Stroms zu verbessern, ist der Bau von Energiespeichern. Bei redundanter Stromerzeugung wird der Strom gespeichert und anschließend entladen, um die Entladung zu unterstützen, wenn die Stromerzeugung nicht ausreicht, um die Stromerzeugung zu „glätten“, sodass das Stromnetz sie verkraften kann.

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Sind Pumpspeicherkraftwerke der Aufgabe gewachsen? Nein, bei Photovoltaik und Windkraft ist die Reaktionsgeschwindigkeit von Pumpspeicherkraftwerken immer „einen halben Takt zu langsam“ und kann den Anforderungen nicht gerecht werden. Die Speicherung von Energie in einem Pumpspeicherkraftwerk dauert in der Regel mehrere Tage und auch die Errichtung eines Pumpspeicherkraftwerks stellt vergleichsweise hohe Umweltanforderungen. Daher werden die heutigen Pumpspeicherkraftwerke fast ausschließlich dazu genutzt, den Druck bei der Stromerzeugung zu verteilen, wenn das Stromnetz stark ausgelastet ist.

Chemische Batterien sind derzeit am vielversprechendsten, um die oben genannten Anforderungen zu erfüllen. Chemische Batterien verfügen über eine schnelle Lade- und Entladeumschaltung und eine extrem schnelle Reaktion. Der in unserem Leben am häufigsten vorkommende Energiespeicher ist die chemische Batterie. Die Energiespeicher in Mobiltelefonen, Tablets und Elektrofahrzeugen sind allesamt chemische Batterien. Trotz der guten Leistung der Batterie ergeben sich bei großflächiger Nutzung dennoch Kostenprobleme. Am Beispiel der üblicherweise genutzten Handy-Powerbank werden unter Idealbedingungen und ohne Berücksichtigung von Verlusten 7,5 Powerbanks mit einer Kapazität von 10.000 mAh benötigt, um eine Kilowattstunde Strom zu speichern. Dies gilt sogar bei der Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien, die eine sehr hohe Energiedichte aufweisen (und natürlich sehr teuer sind).

Teil 3

Die Entwicklung der Batterietechnologie – es gibt kein Mooresches Gesetz

Das Mooresche Gesetz ist die Erfahrung von Gordon Moore, einem der Gründer von Intel. Ihr Kerninhalt lautet: Die Zahl der Transistoren, die auf einem integrierten Schaltkreis untergebracht werden können, wird sich etwa alle 18 bis 24 Monate verdoppeln. Mit anderen Worten: Die Prozessorleistung verdoppelt sich etwa alle zwei Jahre, während die Preise auf die Hälfte ihres vorherigen Niveaus sinken.

In der Batterieindustrie lässt sich dies folgendermaßen formulieren: Etwa alle zwei Jahre verdoppelt sich die Energiedichte einer Batterie bzw. der Preis reduziert sich bei gleicher Energiedichte um die Hälfte. Natürlich ist dies in der Batterieindustrie lediglich eine Fantasie. Seit mehr als zwei Jahrzehnten konzentriert sich die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterieindustrie auf die Kommunikations-, Unterhaltungselektronik- und Elektrofahrzeugbranche. In der Energiespeicherbatteriebranche, die einen größeren Anwendungsbereich hat, blieb die Anwendung von Energiespeicherbatterien im großen Maßstab aufgrund der hohen Kosten von Lithiumbatterien und ihrer Schwierigkeiten, mit besonderen Umgebungen wie Durchstichen, Kollisionen sowie hohen und niedrigen Temperaturen zurechtzukommen, immer im experimentellen Stadium. Die Entwicklung der Batterietechnologie hat noch einen langen Weg vor sich.

(Bildquelle: Referenz 2)

Derzeit liegt die Hauptforschungsrichtung der Energiespeichertechnologie im In- und Ausland auf der elektrochemischen Energiespeicherung, und einige neue Technologien haben auch im Laborstadium erfreuliche Fortschritte erzielt. Bis neue Technologien den Weg vom Labor in die Praxis finden, ist es allerdings noch ein weiter Weg. Wenn sich die Energiespeicher- und Übertragungstechnologie auf ein völlig neues Niveau entwickelt, besteht die Hoffnung, dass wir unsere starke Abhängigkeit von fossiler Energie überwinden können. Jeder große Durchbruch in der Energiebranche bringt die Menschheit auf eine neue Entwicklungsstufe. Wie wird die Zukunft aussehen? Welche Veränderungen werden die technologischen Fortschritte für das Leben gewöhnlicher Menschen wie uns mit sich bringen? Warten wir es ab.

Quellen:

[1]Hosein, Stefan & Hosein, Patrick & Kattick, Walter & Ratan, Varma. (2016). Webanwendung für das Fehlermanagement im Stromnetz. 1-5. 10.1109/ICIAS.2016.7824052.

[2] Wu Haowen, Wang Jun, Gong Yingli et al. Analyse zum Entwicklungsstand und den Anwendungsaussichten der Energiespeichertechnologie[J]. Journal of Electric Power, 2021, 36(5):10.

[3] Zhu Xueyan. Analyse der Ursachen und Gegenmaßnahmen zur Wasserverweigerung in Wasserkraftwerken in der Provinz Sichuan[J]. Industrielle Innovationsforschung, 2019(9):2.

[4]Lai, Sing C, McCulloch et al. Stromgestehungskosten für Photovoltaik und elektrische Energiespeicherung[J]. Angewandte Energie, 2017.

[5]https://world-nuclear.org/information-library/current-and-future-generation/electricity-and-energy-storage

[6] Wu Haowen, Wang Jun, Gong Yingli et al. Analyse zum Entwicklungsstand und den Anwendungsaussichten der Energiespeichertechnologie[J]. Journal of Electric Power, 2021, 36(5):10.

Produziert von: Science Popularization China

Produktion: Gesalzener Fisch aus dem Meer

Hersteller: China Science Expo

Der Artikel gibt nur die Ansichten des Autors wieder und repräsentiert nicht die Position der China Science Expo

Dieser Artikel wurde zuerst in der China Science Expo (kepubolan) veröffentlicht.

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