atw - International Journal for Nuclear Power | 04.2023

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atw Vol. 68 (2023) | Ausgabe 4 ı Juni ENERGY POLICY, ECONOMY ENERGY AND SYSTEMS LAW 30 befinden sie sich in Konzeption, Erprobung oder schrittweiser Markteinführung. Eines der Konzepte setzt dabei auf massiven Fels. Der soll aus dem umgebenen Gestein geschnitten und abgedichtet werden. Der zu speichernde Strom treibt Pumpen an. Die fördern Wasser unter den Fels, heben ihn hydraulisch an und beladen ihn dabei mit potenzieller Energie. Das Entladen erfolgt in umgekehrter Reihenfolge. Die Speicherkapazitäten wären rein theoretisch wirklich gigantisch. Ein Steinzylinder mit einem Kilometer im Durchmesser und 500 Meter in der Höhe wäre laut Berechnungen im Stande, gut 1,7 Terawattstunden Energie zu speichern. Das würde ausreichen, ganz Deutschland einen Tag lang mit Energie zu versorgen. Entwickelt hat ihn der Münchner Wissenschaftler Eduard Heindl bereits 2014. Nach wie vor sucht das Projekt noch nach Investoren, um einen Demonstrator bauen zu können. Einen Schritt weiter ist da zum Beispiel das schottischen Cleantech-Startup Gravitricity. Das Unternehmen nutzt stillgelegte Minenschächte, um Energie in Form von großen Gewichten zu stapeln. Ein erster Demonstrator wurde 2021 im schottischen Edinburgh getestet – hier allerdings noch im Hafengelände an einem Kran. Der hievte zyklisch zwei 25 Tonnen schwere Blöcke in 15 Meter Höhe und ließ sie anschließend fallen. Mit einer Leistung von 250 Kilowatt war die Anlage für drei Monate ins Netz eingekoppelt. Für ein erstes Projekt unter Tage prüft das Unternehmen zurzeit geeignete Minen in der Tschechischen Republik und Südafrika. Auch das Unternehmen Energy Vault nutzt massive Blöcke. Die fertigt es nicht nur aus Sand oder Erde, sondern auch aus Abfallstoffen wie Rotorblättern ausgedienter Windräder. Innerhalb eines speziellen Gebäudes zieht ein Kran diese Blöcke mit Überschussstrom in die Höhe und platziert sie auf einer Ebene. Das ist der Ladevorgang. Zum Entladen sausen die Blöcke am Seil den Kranarm hinunter und erzeugen über einen Dynamo elektrische Energie. Eine Steuerung auf Basis von Algorithmen aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz soll dafür sorgen, dass Lade- und Entladezyklen exakt an Angebot und Nachfrage angepasst sind. Ein erstes Speicherkraftwerk mit einer Leistung von 25 Megawatt und einer Kapazität von 100 Megawattstunden entsteht gerade in Rudong in China. Keine schweren Steine, sondern leichte Luft ist das Speichermedium in Druckluft-Speicherkraftwerken. Elektrische Kompressoren verdichten dazu die Umgebungsluft und leiten sie in gasdichte unterirdische Kavernen. Vor allem alte Salzstöcke sind dafür prädestiniert. Wird Energie benötigt, entspannt die gespeicherte Druckluft über eine Turbine und erzeugt elektrische Energie. Praktisch für Deutschland ist dabei die Tatsache, dass viele solcher Salzstöcke entlang der windreichen Nordseeküste liegen. Dort, in Huntorf, liegt seit 1978 auch das weltweit erste und bisher einzige deutsche Druckluftspeicherkraftwerk. Gedacht war es dazu, das Kernkraftwerk Unterweser zu unterstützen. Die elektrische Leistung liegt bei 321 Megawatt und die Kapazität bei 1.680 Megawattstunden. Weltweit gibt es aktuell nur eine Handvoll Druckluftspeicherkraftwerke. Noch weniger befinden sich in Planung. Die Temperatur macht‘s Ebenfalls auf flüchtige Medien setzen Flüssigluft- Speicher. Wie bei einem Druckluftspeicherkraftwerk wird auch hier die Luft mit elektrischer Energie komprimiert. Und sie wird dabei bis auf rund –190 ˚C abgekühlt. Dann wird sie flüssig und ihre Dichte liegt 700-mal höher als im gasförmigen Zustand. So lassen sich große Volumen des Gases in verhältnismäßig kleinen Kältetanks speichern. Beim Entladen wird die Luft in einem Wärmetauscher entspannt. Das Volumen erhöht sich schlagartig. Der Druck steigt und treibt eine Turbine an. Die erzeugt wieder Strom. Die Firma Linde hat errechnet, dass ein 1.600 Kubikmeter-Tank rund 220 Megawattstunden an elektrischer Energie aufnehmen kann. Das Unternehmen hat gerade eine kleinere Anlagen als Demonstrator gebaut. Auch das britische Unternehmen Highview Power arbeitet an Flüssigluftspeichern. Im kleinen Maßstab – 15 Kilowattstunden Leistung – betreibt es eine solche Anlage in Manchester und plant weitere in Spanien. Der Wirkungsgrad ist erstmal recht gering. Er liegt bei 25 Prozent. Ein Kältespeicher würde ihn immerhin auf 50 Prozent heben. Und mit einer Wärmequelle zur Unterstützung der Prozesse ginge es wohl in Richtung 70 Prozent Wirkungsgrad. Nicht auf eisige Kälte, sondern auf große Hitze setzen hingegen Flüssigsalz-Speicher. Projekte wie TESIS des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) arbeiten im Bereich zwischen 170 und 560 Grad Celsius und können mit fünf verschiedenen Salzgemischen betrieben werden. Die Wärmespeicherkapazität der Schmelzen ist vergleichbar mit der von Wasser. Der Vorteil: Bei 500 Grad Celsius steht Wasserdampf unter extrem hohem Druck. Die Salzschmelze nicht. Als Speicher für elektrische Energie können Salzschmelzen vor allem in Solarthermischen Kraftwerken eingesetzt Energie Systems Energiespeicher – Ein Überblick ı Kai Dürfeld
atw Vol. 68 (2023) | Ausgabe 4 ı Juni | Die Testanlage für Wärmespeicherung in Salzschmelzen (TESIS) des DLR-Instituts für Technische Thermodynamik in Köln ist die erste Großforschungsanlage für Flüssigsalzspeicher und -technologie in relevantem Maßstab in Deutschland. Die Großforschungsanlage dient der Entwicklung neuer Speichertechnologien und Verbesserung der Flüssigsalztechnologie für erneuerbare Energien. Foto: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt werden. Das Erhitzen des Salzes übernimmt dabei die gebündelte Sonnenenergie. Der Speicher kann die Temperatur gut 12 Stunden halten und damit auch über Nacht die Dampfturbinen drehen lassen. Dadurch versprechen sich die Entwickler damit ein grundlastfähiges Solarkraftwerk. Eine erste Testanlage haben portugiesische und deutsche Forscher 2021 an einem solarthermischen Kraftwerk in Betrieb genommen. Wenn die Chemie stimmt Wenn es um die großangelegte Speicherung elektrischer Energie geht, baut Deutschland vor allem auf eine ganz spezielle Form: die galvanischen Zellen. Oder den Akku, wie man salopp sagen würde. Aufgebaut sind diese Elemente aus zwei Elektroden und einem Elektrolyt. In diesem setzt der elektrische Strom eine chemische Reaktion in Gang. Diese Stoffumwandlungen speichern beim Laden Energie, die sie beim Entladen wieder abgeben. Arbeitspferd war lange Zeit der Blei-Akku, den viele als Autobatterie kennen. Günstig in der Herstellung und eine hohe Zuverlässigkeit sprechen für ihn. Das hohe Gewicht im Verhältnis zur gespeicherten Energie ist für stationäre Anwendungen auch nicht unbedingt ein Gegenargument. Trotzdem werden sie im stationären Bereich aktuell von Lithium-Ionen-Akkus verdrängt. Gegen diese sprach bisher vor allem der Preis. Doch das ändert sich. Ihr Vorteil gegenüber den Blei-Akkus: Sie haben eine höhere Zyklenfestigkeit, können also öfter ge- und entladen werden. Zusammen mit der geringen Selbstentladung und der Skalierbarkeit könnten sie also tatsächlich als Großspeicher taugen. Allerdings gibt es auch hier ein großes Aber: Lithium ist ein begehrter Rohstoff. Die Förderung erfolgt meist außerhalb Europas, auch wenn hier jetzt einige Projekte gestartet wurden. Die Förderkapazitäten müssen also gesteigert werden. Das kostet Zeit und Geld. Hinzu kommt, dass sie als Speicher für Elektroautos auch zum Schlüssel zur Verkehrswende werden. Dass sie zumindest auf kurze Sicht zum Rückgrat für das Energiesystem werden, dürfte angezweifelt werden. Natürlich gibt es die Idee, die in Elektroautos verbauten Speicher zur Stabilisierung des Energienetzes heranzuziehen. Doch um hier einen spürbaren Effekt zu erzielen, müssten Elektroautos tatsächlich relativ schnell die Straßen bevölkern. Die rund eine Million, die aktuell in Deutschland fährt, ist in puncto Systemspeicher eher von untergeordneter Bedeutung. Die Probleme rund um den Rohstoff Lithium versuchen Forscher mit neuen Technologien zu umschiffen. Mit Natrium zum Beispiel. Das soll nach ersten Rechnungen den Preis gegenüber Lithium- Technologie um 20 Prozent senken. Allerdings mit dem großen Nachteil einer geringeren Energiedichte. Metall-Luft-Batterien sind eine andere Möglichkeit, an der gearbeitet wird. Bei diesen ist nur ein Partner für die chemische Reaktion in der Batterie enthalten – das Metall. Den Sauerstoff gewinnen diese Systeme aus der Luft. Bei Zink-Luft-Batterien ENERGY POLICY, ECONOMY ENERGY AND SYSTEMS LAW 31 Energie Systems Energiespeicher – Ein Überblick ı Kai Dürfeld
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