Kommentar Jonglieren mit der Energie

Dr. Jens Würtenberg isr Elektronik-Redakteur für Stromversorgungen.
Dr. Jens Würtenberg isr Elektronik-Redakteur für Stromversorgungen.

Die Strukturen der Energieversorgung bestehen im großen und im kleinen Maßstab aus Energieerzeugern, Energiespeichern und Energieübertragungsnetzen. In allen Leistungsklassen werden die gleichen Elemente benötigt und auch die Systemanforderungen sind über einen Bereich von 1 µW bis 1 MW ähnlich; das sind bemerkenswerte zwölf Größenordnungen.

Die Strukturen der Energieversorgung bestehen im großen und im kleinen Maßstab aus Energieerzeugern, Energiespeichern und Energieübertragungsnetzen. Für deren Zusammenwirken wird die elektrische Energie konditioniert mit Transformatoren, Gleichrichtern und Wechselrichtern. In allen Leistungsklassen werden die gleichen Elemente benötigt und auch die Systemanforderungen sind über einen Bereich von 1 µW bis 1 MW ähnlich; das sind bemerkenswerte zwölf Größenordnungen. Bei den kleinen Systemen werden Gleichspannungswandler genutzt, bei den zur mittleren Leistungsklasse zählenden Solar Panels sind es die Wechselrichter, die den Gleichstrom für die Netzeinspeisung konditionieren.

Für kleine Systeme stehen effiziente Speicher in Form kleiner Akkus zur Verfügung. Bei zu den mittleren Systemen gezählten Elektromobilen sind es gerade die Energiespeicher – hier werden heute durchweg Lithium-Ionen-Zellen verwendet – die den Flaschenhals darstellen. Für stationäre Anlagen, wie sie heute für energieautarke Eigenheime bereits am Markt angeboten werden, sind die Lithium-Ionen-Zellen technisch gut geeignet, aber leider noch zu teuer. Mittlerweile werden auch 3-MWh-Systeme realisiert: Ein speziell für die Pufferung der von Windrädern erzeugten elektrischen Energie entwickeltes Hybrid-System besteht aus einer Lithium-Ionen-Batterie mit einer Kapazität von 2 MWh und einem Vanadium-Redoxflow-Speicher mit einer Kapazität von 1 MWh. Betrieben wird das System mit einer eigens von Bosch entwickelten elektronischen Steuerung und der dazugehörigen Software

Diese Verwendung von zwei verschiedenen Speichern unterschiedlicher Technologie findet sich in den kleineren Energy-Harvesting-Systemen wieder: Ein Akku speichert die von den kontinuierlich arbeitenden Harvestern abgegebenen Energiemengen; ein Teil der Energie wird für die Beladung eines Superkondensators abgezweigt, der dann etwa über eine Blitzlampe schlagartig entladen werden kann. Diese Kombination wird übrigens auch für Hybrid-Automobile diskutiert; dort sollen die kurzzeitig auftretenden hohen Ströme beim Bremsen in Superkondensatoren gespeichert und bei Bedarf (z.B. beim Anfahren) wieder eingespeist werden, während die Grundlast der Fortbewegung die eher trägen Lithium-Ionen-Zellen übernehmen.

Der Strom für die autarken und mobilen Energieversorgungssysteme kommt nun mal nicht »aus der Steckdose«. Es gilt hier, nicht nur das Maximum aus einem schwankenden Energieangebot herauszuholen, sondern auch die Energieabgabe an die differenzierten Zustände des Verbrauchers anzupassen. Dazu muss die Frage beantwortet werden, mit welchen Komponenten und Strukturen sich die Energie zwischen Erzeuger, Speicher und Verbraucher in Abhängigkeit vom Betriebszustand am besten jonglieren lässt.