Speicher für die Energiewende Große Energiemengen in heißem Wasser speichern

Derzeit wird intensiv daran geforscht, wie Wind- und Sonnenstrom im großen Stil gespeichert werden könnte, um somit grundlastfähig zu sein. Ein Forscher der TU Ilmenau hat nun eine Formel entwickelt, die den Weg für eine neue Art der Energiespeicherung ebnen könnte: dem Strom-Wärme-Strom-Speicher.

Die Energiewende in Deutschland steht vor einem bekannten und gewaltigen Problem: der Speicherung von Energie. Dafür gibt es mittlerweile jede Menge Lösungsansätze, von denen sich viele noch im Experimentalstadium befinden wie etwa die Druckluftspeicherung oder das Speichern in Form von Wasserstoff. Darüber hinaus gibt es noch die klassischen Pumpspeicherwerke, die allerdings große Flächen benötigen, da in der Regel ein See dafür angelegt werden muss.

In der Batterietechnik gibt es momentan Projekte mit Lithium-Ionen-Speichersystemen wie etwa eine 5-MWh-Anlage, die von Younicos bei Schwerin errichtet wird. Eine weitere Möglichkeit sind große Redox-Flow-Batterien oder Flüssigsalzspeicher. Zumindest die Lithium-Ionen-Speicher sind momentan noch sehr teuer und so stellt sich bei ihnen die Frage der Wirtschaftlichkeit.

Ein vergleichsweiser neuer Ansatz ist der Strom-Wärme-Strom-Speicher, der 2007 von Bodo Wolf patentiert wurde. Dabei wird ein Medium wie z.B. Wasser mit einer Hochtemperaturwärmepumpe erwärmt und einem Behälter gespeichert. Bei Bedarf wird dieses heiße Wasser mittels einer CO2-Dampfkraftanlage wieder in Elektrizität umgewandelt und ins Netz eingespeist. Mit diesem Verfahren ließe sich etwa in dem Gasometer, in dem die Talk-Sendung »Günther Jauch« produziert wird, eine Energie von 0,6 GWh speichern. Damit könnte eine größere Stadt wie Jena einen Tag lang mit Strom versorgt werden. Das Verfahren hat den Vorteil, dass kein See wie bei einem Pumpspeicherwerk angelegt werden muss oder keine unterirdischen Höhlen für die Speicherung von Druckluft vorhanden sein müssen. Wasser gibt es in Deutschland ebenfalls genug.

Das Problem an der Sache: Dieses Konzept gibt es nur auf dem Papier. Gegen eine praktische Umsetzung sprach bisher, dass der Wirkungsgrad solch eines Systems unbekannt war und sich nicht berechnen ließ.

Prof. Dr. André Thess von der TU Ilmenau hat dafür jetzt eine einfache Formel hergeleitet, mit der sich der Wirkungsgrad solcher Strom-Wärme-Strom-Speicher berechnen lässt. Seine Ergebnisse hat er in der Fachzeitschrift »Physical Review Letters« veröffentlicht. Damit steht dieser Art der Energiespeicherung eine allgemeingültige Formel ähnlich der Carnot-Formel zur Verfügung, welche den Wirkungsgrad von Wärmeenergie in mechanische Energie beschreibt und zum Beispiel bei der Entwicklung von Gas- oder Dampfturbinen angewendet wird. Die neue, von Prof. Thess entwickelte Formel lautet nun so: 

italic capital psi equal fraction numerator open parentheses begin display style T subscript 1 over T subscript 0 end style close parentheses to the power of begin display style 1 over 2 end style end exponent minus 0 comma 453 over denominator open parentheses begin display style T subscript 1 over T subscript 0 end style close parentheses to the power of begin display style 1 over 2 end style end exponent space plus space 0 comma 547 end fraction

T1 (in K) ist dabei die Temperatur des Mediums, also in dem Fall des Wassers und T0 ist die Umgebungstemperatur. Bei 60 Grad heißen Wassers und einer Umgebungstemperatur des Behälters von 20 °C würde man auf einen Wirkungsgrad von 38 % kommen. Zum Vergleich: ein modernes Braunkohlekraftwerk hat einen Wirkungsgrad von 40 Prozent.

Als Speichermedium kommt dabei nicht nur Wasser in Frage allerdings ist es günstig und kommt häufig vor. Deutlich höhere Wirkungsgrade ließen sich mit Flüssigsalz oder keramischen Feststoffspeichern erzielen, die bei deutlich höheren Temperaturen gespeichert werden könnten. Je nach Material und Temperatur lässt sich der Wirkungsgrad beliebig »einstellen«, es kommt darauf an, wie teuer das System werden soll.

Gegenüber Lithium-Ionen-Akkus hätte dieses Konzept beim momentanen Preis sicher einen klaren Kostenvorteil. Außerdem ist die Lebensdauer solch eines Strom-Wärme-Strom-Speichers praktisch unbegrenzt, während Lithium-Ionen-Akkus nur eine bestimmte Anzahl von Ladezyklen durchhalten und dann ausgetauscht werden müssten.

Mit der Berechnung des Wirkungsgrads ist nun der Grundstein für eine praktische Umsetzung dieser Idee gelegt. Damit lassen sich nun Prototypen entwickeln und das System kann unter realen Bedingungen getestet werden. Damit wird es auch möglich, die Kosten für größere Installationen dieser Art abzuschätzen. Prof. Dr. Thess zufolge soll ein Prototyp bereits in der konzeptionellen Vorbereitung sein.

Die Formel lautet so: