Speicherung elektrischer Energieumfasst hauptsächlich Superkondensator-Energiespeicher und supraleitende Energiespeicher. Ersteres speichert elektrische Energie in einem elektrischen Feld, während letzteres elektrische Energie in einem magnetischen Feld speichert. Die Speicherung elektrischer Energie bietet erhebliche Vorteile in Bezug auf Leistungsdichte und Zyklenlebensdauer, kann die Auswirkungen plötzlicher Stromausfälle reduzieren, niederfrequente Leistungsschwankungen im Netz unterdrücken und Spannungs- und Frequenzeigenschaften verbessern.
Superkondensator-Energiespeicher
Superkondensatoren, auch elektrochemische Kondensatoren genannt, sind Energiespeicher, die Energie durch die Ansammlung von Ladung auf der Elektrodenoberfläche speichern. Ihr Energiespeichermechanismus unterscheidet sich von herkömmlichen Batterien; Sie speichern Energie durch die Ladung, die von der Doppelschicht an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt gebildet wird. Superkondensatoren verfügen über eine extrem hohe Leistungsdichte, eine ultra-lange Zyklenlebensdauer und schnelle Lade--Entladefähigkeiten und finden daher weit verbreitete Anwendung in Elektrofahrzeugen, regenerativen Bremssystemen, Notstromversorgungen und Netzfrequenzregelung. Allerdings ist die Energiedichte von Superkondensatoren relativ gering und weitaus geringer als die von Lithium-{6}Ionen-Batterien, wodurch sie für Anwendungen geeignet sind, die kurzfristige Anwendungen mit hoher-Leistung erfordern. Mit Fortschritten in der Materialwissenschaft wird erwartet, dass die Energiedichte von Superkondensatoren in Zukunft weiter zunimmt und dadurch ihre Anwendungen auf dem Energiespeichermarkt erweitert werden.
Superkondensatoren können hauptsächlich in drei Kategorien eingeteilt werden: elektrische Doppelschichtkondensatoren, Faraday-Kondensatoren und Hybrid-Superkondensatoren. Elektrische Doppel--Schichtkondensatoren nutzen Kohlenstoffmaterialien als Elektroden, wobei an der durch den Kontakt mit dem Elektrolyten gebildeten Fest--Flüssigkeitsgrenzfläche eine Ladungstrennung stattfindet, wodurch eine elektrische Doppel--Schichtstruktur entsteht. Diese Kondensatoren unterliegen beim Laden und Entladen physikalischen Ladungsadsorptions- und -desorptionsprozessen. Obwohl elektrische Doppelschichtkondensatoren eine hohe Leistungsdichte und eine lange Lebensdauer besitzen, ist ihre Energiedichte relativ gering. Derzeit haben diese Geräte kommerzielle Anwendung gefunden.
Faraday-Kondensatoren nutzen Metalloxide oder leitfähige Polymere als Elektrodenmaterialien, wobei Adsorptionskapazität durch Redoxreaktionen an der Oberfläche und in flachen Volumenbereichen dieser Materialien gebildet wird. Das Funktionsprinzip dieses Kondensatortyps ähnelt dem Reaktionsprozess in einer Batterie; Bei ähnlichen Elektrodenoberflächen kann er ein Vielfaches der Kapazität eines elektrischen Doppelschichtkondensators bereitstellen. Allerdings sind Faraday-Kondensatoren im Hinblick auf die Leistungseigenschaften für die sofortige Hochstromentladung und die Zyklenlebensdauer nicht so leistungsfähig wie elektrische Doppelschichtkondensatoren. Darüber hinaus stehen Faraday-Kondensatoren vor Herausforderungen wie hohen Herstellungskosten und einer noch nicht ausgereiften Technologie.
Hybrid-Superkondensatoren sind für ihre hohe Energiedichte und lange Lebensdauer bekannt. Obwohl sie sich derzeit in einem frühen Stadium der Kommerzialisierung befinden, verfügen sie über ein enormes zukünftiges Entwicklungspotenzial.
Supraleitende Energiespeicherung
Supraleitende Energiespeicherung ist eine elektromagnetische Energiespeichertechnologie, die Supraleiter nutzt, um elektrische Energie in einem widerstandsfreien Zustand zu speichern. Sein Funktionsprinzip besteht darin, durch einen Gleichstrom in einer supraleitenden Spule ein starkes Magnetfeld zu erzeugen, dadurch Energie zu speichern und diese bei Bedarf durch Stromentladung wieder abzugeben. Da Supraleiter bei niedrigen Temperaturen keinen Widerstand haben, können supraleitende Energiespeichersysteme extrem hohe Lade- und Entladeeffizienzen praktisch ohne Energieverlust erreichen. Darüber hinaus verfügen supraleitende Energiespeicher über extrem schnelle Reaktionszeiten und erreichen das Laden und Entladen in Millisekunden, wodurch sie für die sofortige Spannungsregelung und Frequenzsteuerung in Energiesystemen geeignet sind. Die Kosten supraleitender Energiespeichersysteme sind jedoch hoch und werden hauptsächlich durch die Entwicklung supraleitender Materialien und kryogener Kühltechnologie begrenzt. Daher konzentrieren sich aktuelle Anwendungen hauptsächlich auf spezielle Bereiche, die eine kurzfristige Energiespeicherung mit hoher-Leistung erfordern, wie etwa Netzstabilität und militärische Ausrüstung.
Zu den üblichen supraleitenden Materialien gehören Niedertemperatursupraleiter wie Nb-Ti und Nb3Sn sowie Hochtemperatursupraleiter wie Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO) und Wismut-Strontium-Kalzium-Kupferoxid (BSCCO). Hochtemperatur-Supraleiter haben höhere kritische Temperaturen als Niedertemperatur-Supraleiter, was den Kühlbedarf reduziert und supraleitende Energiespeichersysteme praktischer und wirtschaftlicher macht.