Nicht elektrische Energiespeicher

Energiespeicher dienen generell dazu, überschüssige Energie zwischenzuspeichern für eine später gezielte Verwendung. Dabei können neben den bekannten elektrischen Akkumulatoren auch verschiedene alternative Systeme eingesetzt werden. In erster Linie wird dabei die Schwerkraft genutzt, indem eine Masse aus großer Höhe (mit hoher potentieller Energie) auf eine geringere Höhe gebracht wird unter Abgabe der enthaltenen potentiellen Energie.

So ist jeder Stausee, jeder Fluss oder jeder Wasserfall ein Energiespeicher, sofern die Energie mittels Wasserrädern oder Turbinen nutzbar gemacht werden kann. Das gilt auch für mechanische Systeme, bei denen große Gewichte frei fallen können und dabei einen Generator antreiben.

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Mechanisce EnergiespeiHer

Die Schächte stillgelegter Bergwerke eignen sich sehr gut, um große Gewichte mit erneuerbarer elektrischer Energie in die Höhe zu transportieren, um sie bei Spitzenbedarf herabfallen zu lassen und dabei einen Generator anzutreiben.
Die vorhandene Infrastruktur ist lediglich um einige Zusatzbauten zu ergänzen. Die Stromkosten dürften gering sein bei Nutzung von billigem Nachtstrom und/oder aus erneuerbaren Quellen.
Gerade im Ruhrgebiet mit seiner ausgeprägten Industrie und der großen Anzahl stillgelegter Zechen dürfte sich die Anwendung von Fallgewichten für Spitzenbedarfe lohnen.

Das gilt auch für Speicherseen, deren Rohrleitungen einige hundert Meter lang sind.
Die schiefe Ebene vom Obersee zum Untersee müsste mit Schienen überbaut werden, auf  denen Gewichte herabgelassen werden, die jeweils Generatoren antreiben.

Auch hier ist die Infrastruktur vorhanden und die Zusatzbauten wären ein einmaliger überschaubarer Aufwand. Der Nutzen jedoch wäre permanent.

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Ein möglicher Kurzzeitspeicher wäre eine Schwungscheibe, die in einem evakuierten Gehäuse läuft.  
Angetrieben mit geringem Stromverbrauch wird die Scheibe auf die Solldrehzahl gebracht und bei Bedarf der Generator mit magnetischer Kupplung zugeschaltet. Die Schwungscheibe wird bis auf eine Mindestdrehzahl abgebremst, wobei der Generator elektrischen Strom erzeugt.
Auch hochgespannte Pressluft kann ein Speicher sein, jedoch dürfte der Wirkungsgrad relativ gering sein wegen der Abhängigkeit von der Temperatur bei Pressluft.

Hydraulischer Energie Speicher

Energiespeicher mit hydraulischem Hochdruck alternativ zu elektrischen Akkumulatoren.
 Permanent gewichtsbelastete Hydraulikstempel mit standardisiertem Betriebsdruck. Abhängig vom eingesetzten Gewicht und dem Durchmesser des Hydraulikstempels herrscht immer der gleiche Betriebsdruck im Hydrauliksystem.
 Der Hydraulikspeicher kann gleichzeitig zugefüllt werden und zum Antrieb eines Hydraulikmotors genutzt werden, der einen Generator antreibt.
Je nach Verfügbarkeit können mehrere Hydraulikzylinder parallel geschaltet werden.  
Die Vorgänge Füllen und Entnehmen können gleichzeitig ablaufen, so dass der eingesetzte Hydraulikmotor immer im Bereich der besten Wirtschaftlichkeit betrieben wird.
Die Kosten für den Betrieb eines hydraulischen Speichers dürften relativ gering sein. Strom aus PV oder Windenergieanlagen kostet ca. 0,3 €/kWh, die Beschaffungskosten einer Anlage fallen einmalig an und dürften innerhalb von 5 Jahren abgeschrieben werden können. Das Hydrauliköl (ca. 2,5 €/L) sollte alle 5 Jahre ausgetauscht werden. Wartungsarbeiten fallen kaum an.
Soweit dürften die Kosten mit denen elektrischer Akkumulatoren direkt vergleichbar sein.

Die direkte wirtschaftliche Anwendung eines hydraulischen Energiespeichers wäre eine autonome Energietankstelle. Eine solche Anlage wäre permanent in der Lage, Wind und Sonne zur Erzeugung elektrischer Energie zu nutzen. Damit würde ein Hydraulikmotor die Hydraulikzylinder füllen und das Speichergewicht anheben.
Zwei gegenläufige Durchströmturbinen könnten die Windenergie nutzen, unabhängig von der Windrichtung, darüber ein breites Dach mit PV‑Flächen, so dass die ganzjährige Versorgung mit regenerativer Energie gegeben wäre. Die seltenen Zeiten der „Dunkelflaute“ könnten aus dem Netz versorgt werden. Überschüssiger Strom wäre in das Netz einzuspeisen.  

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Mechanisch/hydraulischer Energiespeicher

Autonome E‑Tankstelle für dezentrale Versorgung

Mechanische Speichersysteme

Nutzung potentieller und dynamischer Energie

Senkrecht fallende Masse

Masse auf schiefer Ebene

Schwungmasse

Masse auf Hydraulikkolben

Hochdruck Hydraulik Speichereinheit

Universell einsetzbar
für Versorgung durch Solar‑, Wasser‑ oder Windenergie

Ausbaubar bei Masse und Kapazität der Hydraulikzylindern

Standardbauteile
Hoher Wirkungsgrad
Hohe Standzeit
Geringer Platzbedarf
Geringe Umweltbelastung

Pumpen Wirkungsgrade

Maschine

Wirkungsgrad

Fördermenge
L/min.

Druck
bar

Drehzahl
1/min.

Außen 
verzahnte Zahnradpumpe

0,5 – 0,9

300

120 - 250

500 - 3500

Innen 
verzahnte Zahnradpumpe

0,6 – 0,9

100

100 – 300

300 - 3000

Schraubenpumpe

0,6 – 0.8

1000

160

500 – 3500

Flügelzellenpumpe

0,65 – 0,85

200

100 – 200

1000 - 2000

Radialkolbenpumpe

0,8 – 0,9

200

300 – 650

200 - 3000

Axialkolbenpumpe mit Taumelscheibe

0,8 – 0,9

100

250

500 – 2000

Axialkolbenpumpe mit Schrägtrommel

0,8 – 0,9

2000

400

500 – 6000

Axialkolbenpumpe mit Schrägscheibe

0,8 – 0,9

5000

400

1000 - 3000

Linearmotor

0,93 – 0,98

200

200 - 400

-

Gesamt Wirkungsgrade

P V Speisung

WEA  Speisung

E - Motor

0,96

-

Kupplung

0,99

-

Hydraulikpumpe

0,9

0,9

Druckleitung

0,98

0,98

Hydraulischer Linearmotor

0,97

0,97

Kupplung

0,99

0,99

Generator

0,96

0,96

Gesamtwirkungsgrad

0,77

0,8

Baugrößen

100 t als Masse 

Material

Wichte
t/ m³

Volumen
m³ / 100 t

Preis
€ / t

Fläche
m²/ 100 t

Bemerkung

Blei

11,3

8,0

1000

2,25

Bauhöhe 3,5 m

Gusseisen

7,3

13,1

200

4

Bauhöhe 3,3 m

Beton

2,4

31,2

80

10

*

Wasser

1,0

100

50

100

*

Flächenbedarf

100 t als Masse

Material

Wichte
t/ m³

Bauhöhem

Umbaute Fläche B*L

Gesamt-Flächem²

Bemerkung

Blei

12,5

5,0

2,5 × 2,5

6,25

Bauhöhe 3,5 m

Gusseisen

7,6

5

4,0 × 4,0

16,0

Bauhöhe 3,3 m

Beton

3,2

11

5,0 × 5,0

25,0

Bauhöhe 10 m

Wasser

1,0

11

12,0 × 12,0

144,0

Bauhöhe 10 m

Kosten Stand 2022

Benennung

    10,0 t

    100,0 t

 1000,0 t

Gehäuse

5.600,0

14.000,0 €

24.000,0 €

Gewicht

8.000,0

    8.000,0 €

 31.000,0 €

Hydraulik

   4.300,0

6.500,0 €

 10.650,0 €

Elektrik

8.000,0

 8.000,0 €

9.100,0 €

Gesamtsumme

1,ca. 26.000,0 €0

ca. 36.000,0 €

 ca. 75.000,0 €

Leistungsgrößen

10 t Speicher

4,09 KW  bei 0,4 KW/h = 10 h VersorgungEinzelhaus 

100 t Speicher 

40,5 KW  bei 4,0 KW/h = 10 h VersorgungEinzelgehöft 

1000 t Speicher

14,715 kW bei 1400 kW/h = 10 h Versorgung PV- oder Windpark

Potentielle Energie Wp = N*m = J = Ws,  1000 Ws/3600s/h = 0,27 KWh 
Potentielle Energie  Wp = m* g * H,   Kg*m/s²*m = N*m