Die supraleitende magnetische Energiespeicherung (SMES) könnte revolutionieren, wie wir Elektrizität speichern.

Trotz neuer Effizienzen steigt der weltweite Stromverbrauch weiterhin an. Auch die Infrastruktur zur Energieerzeugung und -speicherung muss wachsen. Energiespeichermethoden wie Pumpspeicherkraftwerke, Batterien, Kondensatorbänke und Schwungräder werden derzeit auf Netzebene zur Energiespeicherung eingesetzt. Jede Technologie hat unterschiedliche Vorteile und Einschränkungen in Bezug auf Kapazität, Geschwindigkeit, Effizienz und Kosten.

Eine weitere aufstrebende Technologie, Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES), zeigt vielversprechende Fortschritte im Bereich der Energiespeicherung. SMES könnte die Art und Weise, wie wir elektrische Energie übertragen und speichern, revolutionieren. Dieser Artikel untersucht die SMES-Technologie, um zu identifizieren, was sie ist, wie sie funktioniert, wie sie verwendet werden kann und wie sie im Vergleich zu anderen Energiespeichertechnologien abschneidet.

SMES ist eine fortschrittliche Energiespeichertechnologie, die auf höchstem Niveau Energie ähnlich wie eine Batterie speichert. Externe Energie lädt das SMES-System auf, wo sie gespeichert wird; bei Bedarf kann diese Energie wieder entladen und extern genutzt werden. SMES-Systeme speichern jedoch elektrische Energie in Form eines Magnetfeldes durch den Fluss von Gleichstrom in einer Spule. Diese Spule besteht aus einem supraleitenden Material mit null elektrischem Widerstand, wodurch die Erzeugung des Magnetfeldes perfekt effizient ist. Sobald die supraleitende Spule aufgeladen ist, fließt der Gleichstrom in der Spule kontinuierlich ohne jeden Energieverlust, was ermöglicht, dass die Energie perfekt gespeichert bleibt, bis das SMES-System absichtlich entladen wird. Diese hohe Effizienz erlaubt es SMES-Systemen, End-to-End-Effizienzen von über 95% zu erreichen.

Die SMES-Technologie stützt sich auf die Prinzipien der Supraleitung und der elektromagnetischen Induktion, um eine hochmoderne Lösung zur elektrischen Energiespeicherung bereitzustellen. Um Wechselstrom von einer externen Stromquelle zu speichern, muss ein SMES-System zunächst den gesamten Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln. Interessanterweise ist die Umwandlung von Strom der einzige Teil eines SMES, der nicht perfekt effizient ist und für den gesamten Systemverlust verantwortlich ist.

Der Gleichstrom wird dann durch den supraleitenden Draht geleitet, um ein großes elektromagnetisches Feld zu erzeugen, das letztendlich zur Speicherung dieser Energie genutzt wird. Supraleitende Materialien haben keinen elektrischen Widerstand, wenn sie unter ihre kritische Temperatur gekühlt werden – deshalb weisen SMES-Systeme keinen Energieverlust oder Speicherverluste auf, im Gegensatz zu anderen Speichermethoden.

Das entscheidende Merkmal von SMES-Systemen ist ihre unvergleichliche Effizienz. Bei der Speicherung von Energie wird minimal Energie verschwendet. SMES-Systeme weisen eine Gesamteffizienz von nahezu 100% auf, während Lithium-Ionen-Batterien eine Effizienz von 80% bis 90% haben, und bei gepumpten Wasserspeichern liegt die Systemeefizienz zwischen 70% und 85%. In Anwendungen, bei denen Energie intermittierend oder spärlich sein kann, wie bei einem ländlichen Mikronetz oder einem großen Satelliten, kann die Energieeinsparung von größter Bedeutung sein, und die Maximierung der Speichereffizienz kann notwendig sein, auch wenn dies anfänglich mehr kostet.

Darüber hinaus weisen SMES-Systeme schnelle Reaktionszeiten sowohl beim Laden als auch beim Entladen auf, was sie zu idealen Kandidaten für Anwendungen macht, die eine schnelle und präzise Stromversorgung und -stabilisierung erfordern. Beispielsweise profitieren Halbleiterhersteller oder medizinische Einrichtungen erheblich von SMES-Systemen, da ihre Geräte große Leistungsspitzen erzeugen können, die von einem SMES-System problemlos bedient werden können, selbst im Vergleich zu Hochleistungs-Li-Ion-Batteriesystemen.

SMES-Systeme haben im Vergleich zu anderen Energiespeicherlösungen sehr hohe Anfangskosten. Supraleitende Materialien sind in der Herstellung teuer und erfordern ein kryogenes Kühlsystem, um den supraleitenden Zustand des Spulenmaterials zu erreichen und aufrechtzuerhalten.

Supraleiter wie Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO) und Bismut-Strontium-Calcium-Kupferoxid (BSCCO) werden durch komplexe Synthesetechniken unter Verwendung hochreiner Rohstoffe hergestellt, was ihre Herstellung weitaus teurer macht als die von herkömmlichen Drähten. Außerdem haben YBCO und BSCCO kritische Punkte bei 93K (-292,3F) bzw. 110K (-261F) bei atmosphärischem Druck, was bedeutet, dass sie nur supraleitend sind, wenn sie bei extrem niedrigen Temperaturen gehalten werden und komplexe kryogene Systeme erfordern, um solche Umgebungen zu schaffen.

Zusätzlich sind SMES-Systeme in ihrer Skalierbarkeit eingeschränkt. Abgesehen von nicht skalierbaren Anschaffungskosten haben SMES-Systeme hohe Wartungsanforderungen, und die Speicherkapazität kann nicht einfach erhöht werden. Im Gegensatz dazu können Lithium-Ionen-Batteriespeichersysteme problemlos verbunden werden, während die Kombination von SMES-Geräten eine Skalierung der kryogenen Kühlinfrastruktur erfordert.

Während SMES einen unglaublich einzigartigen Vorteil gegenüber anderen Energiespeicheranwendungen bietet und wirklich eine Spitzentechnologie darstellt, ist es unwahrscheinlich, dass SMES in naher Zukunft in den meisten Energiespeicheranwendungen weit verbreitet angenommen wird. Derzeit sind supraleitende Materialien in ihren Fähigkeiten und in ihrem Angebot begrenzt. Die gegenwärtige Technik erfordert kryogene Temperaturen, um Supraleitung zu zeigen, und eine großflächige, netzfähige Supraleiterproduktion wurde noch nicht erreicht.

Physiker arbeiten jedoch daran, neue Hochtemperatur-Supraleitermaterialien zu entdecken, die eines Tages eine Supraleitung bei Raumtemperatur ermöglichen könnten. Sollte dies erreicht werden und das Material in Massenproduktion hergestellt werden können, wird die Effizienz und Leistung von SMES wahrscheinlich die Markteinführung im Vergleich zu anderen Technologien vorantreiben. Fortschritte bei Supraleitermaterialien, kryogenen Technologien und Kostenreduktionsstrategien könnten die Wettbewerbsfähigkeit von SMES-Systemen dramatisch verbessern, aber heute sind sie auf Forschung und Nischen-Energieinfrastrukturen beschränkt.