Die Welt mit Wärmespeichern retten
Die Grundidee ist 100 Jahre alt. Die Carnot-Batterie soll bei der Energiewende helfen. Deutsche, japanische und US-Forscher arbeiten mit Macht daran.
Foto: DLR
Der Weltklimarat mahnt zur Eile, wenn es darum geht, die zerstörerischen Folgen der Erderwärmung aufzuhalten. Problemlöser werden dringend gesucht. Dazu zählt beispielsweise eine Technologie, die das Speicherproblem für die erneuerbaren Energien löst. Diese Energie könnte durch Speicherung rund um die Uhr verfügbar gemacht werden. Dafür sind Kapazitäten in der Größenordnung von Tera- und Gigawattstunden gefordert. „Das brauchen wir in einem Energiesystem, das in Zukunft sehr strombasiert sein wird“, betont André Thess, Chef des Instituts für Technische Thermodynamik am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).
Klassische elektrochemische Batterien können das nicht leisten. Sie wären zu teuer. Pumpspeicherkraftwerke können zwar riesige Mengen Energie speichern. Allerdings nehmen sie viel Platz weg, die Akzeptanz für den Neubau solcher Anlagen ist nicht nur in Deutschland gering. Aber Achtung: Carnot-Batterie – das ist ein Begriff, den man sich merken sollte.
Carnot-Batterien sind schlicht formuliert Wärmespeicher: Strom geht auf der einen Seite rein, Strom kommt am anderen Ende wieder raus. Strom, den beispielsweise Windgeneratoren erzeugen, wandeln Elektroheizer oder Hochtemperaturwärmepumpen in Wärme um. Thess nennt diesen ersten Vorgang „Tauchsiederprinzip“. Ein Speichermedium, wie Wasser oder Flüssigsalz, hält die Wärme über einen begrenzten Zeitraum. Bei Bedarf wird sie per Dampfkraftprozess in Strom zurückverwandelt. Damit lassen sich Dunkelflauten überbrücken, ohne dass Reservekraftwerke mit Back-up-Leistungen bereitstehen müssen.
Bislang führten die Carnot-Speicher ein Mauerblümchendasein. „Wenig öffentliche Aufmerksamkeit und wenig Forschungsgelder“, so Thess. Damit soll jetzt Schluss sein. Das DLR, die Uni Stuttgart und das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben sich Anfang Oktober zusammengetan und ein Pilotprojekt aus der Taufe gehoben, das eine neue Speicherepoche einleitet. Gemeinsam wollen sie Versuchsanlagen an den Standorten Stuttgart und Karlsruhe mitsamt Peripherie bauen, an denen Institute und Industrie experimentieren können. Anders als bei der Flugzeug- oder der Gasturbinenentwicklung, für die es seit Jahrzehnten Windkanäle und Prüfstände gibt, gibt es solche Experimentierstrukturen für thermische Energiespeicher noch nicht.
Die Basisinfrastruktur heißt Nadine (Nationaler Demonstrator für Isentrope Energiespeicher). Sie soll das Technologie-Know-how vergrößern, alle Fragen rund um die Carnot-Batterie beantworten: Wie müssen die Speicher ausgelegt sein, welche Materialien funktionieren gut, wie spielen die Komponenten am besten zusammen? Das Labor wird thermische Leistungen bis zu 1 MW und einen Temperaturbereich zwischen -50 °C und +900 °C abdecken. Warum? „Weil wir erst in Ansätzen wissen, welcher Temperaturbereich für die Carnot-Batterien der optimale ist“, erläutert Thess. Das Höchsttemperaturmodul, mit dem die Speicherung in Flüssigmetall getestet wird, baut das KIT in Karlsruhe auf.
Einen anderen Ansatz verfolgen die Forscher von Siemens Gamesa, ein Windkraftkonzern mit Sitz in Spanien. Der Windanlagenhersteller prescht derzeit im Hamburger Hafen mit einer 130-MW-Carnot-Batterie vor, einer der größten Demo-Anlagen in Europa, an der die TU Hamburg und die Energie Hamburg beteiligt sind. Der vom Bundeswirtschaftsministerium geförderte Wärmespeicher steht kurz vor seiner Inbetriebnahme. Als Speichermaterial dient vulkanisches Gestein. Denn es ist preiswert und hält extremen thermischen Wechseln stand. 1000 t kieselsteingroße grauschwarze Brocken füllen den Betonsilo, der so hoch ist wie ein Einfamilienhaus.
Aus überschüssigem Windstrom am Elbufer erzeugt ein Heizgebläse heiße Luft, die das Schüttgut auf über 600 °C erhitzt. Wird Strom gebraucht, wird die heiße Atmosphäre im Speicher angezapft und über Dampfturbine und Generator rückverstromt. Strom- und Wärmewandler sind bewährte Technik.
Woran die Forscher lange getüftelt haben, ist, wie Erkenntnisse aus einer Anlage im Labormaßstab in einen Speicher sehr großen Ausmaßes übertragen werden können. Der Energieversorger Hamburg Energie will den elektrothermischen Energiespeicher (Etes) ins Netz einbinden und die gespeicherte Energie vermarkten. Und die Forscher? Sie wollen viel lernen über den Betrieb von Etes im Netz, die Anlagentechnik, über die Methoden der Maßstabsübertragung.
Auch ein Nobelpreisträger für Physik meldet sich zu Wort beim Thema Carnot-Batterie: Robert Laughlin von der Stanford University. „Wir müssen über die Kosten reden“, findet der Physiker. Das große Problem sei, dass an bestimmten Zeiten am Tag an vielen Orten der Welt der Preis für Windenergie etwa negativ wird. Warum? „Der Wind weht einfach zur falschen Zeit“, so Laughlin. Speicher lösen das Problem, und den Strom in Carnot-Batterien zu speichern, sei preiswert.
Laughlin arbeitet an einem geheimen Speicherprojekt. Er hat Google X, die Forschungsabteilung des US-Konzerns Alphabet, davon überzeugt, in sein Konzept einer Carnot-Batterie zu investieren. Er nennt es Malta-Projekt. Das Grundprinzip ist auch hier der Carnot-Speicher. Laughlin nutzt Standardkomponenten: Wärmetauscher, Turbine, Kompressor; Kältespeicher. Die kniffeligste Entwicklungsarbeit ist die Anpassung der Einzelteile an den Speicher. Die Zutaten müssen preiswert sein. Die Energie soll aus allen möglichen Quellen stammen, aus Wind- ebenso wie aus Photovoltaikanlagen, und zugleich das Netz entlasten.
Laughlin hat von vorneherein die Kommerzialisierung im Sinn. Er will einen Prototyp bauen, der als Blaupause für Exemplare in unterschiedlichen Größen dient. Starten will er mit einem 10-MW-Demonstrator, der in zwei Jahren fertig sein soll. „Ziel sind 100-MW-Anlagen, wenn die Entwicklungsarbeiten abgeschlossen sind und es einen Markt gibt“, erklärt Laughlin. „Ich glaube, wir lösen das Problem und retten die Welt“, sagt der Mann aus Stanford.
Auch Japan ist auf der Suche nach einem preiswerten, verlässlichen und risikofreien Speichersystem, mit dem regenerative Energie abrufbar ist, wenn sie im Netz gebraucht wird. Und setzt dabei auf Carnot-Batterien. Die Regierung will rund 40 Mio. € bis 2023 für die Erforschung ausgeben als Teil eines Fünfjahresplans. Beteiligt sind 20 Universitäten und zehn Industriepartner, angeführt vom Energieexperten Toru Okazaki.
Ein Wettlauf um die Wärmespeicher also? Thess verneint. In seinen Augen unterscheiden sich die Konzepte von Laughlin und DLR so, wie sich der Benzin- und Dieselmotor unterscheiden. Zwar sind die thermodynamischen Grundprinzipien gleich. Aber Laughlin nutzt sogenannte Joule-Prozesse, in denen Maschinen ein Gas umwälzen, um die Energie in Strom oder Wärme zu wandeln. „Bei uns ist Wasserdampf, der abwechselnd in flüssigem und gasförmigem Zustand vorliegt, das Arbeitsmedium“, sagt Thess. Experten bezeichnen das als Rankine-Prozess oder Dampfkraftprozess. Trotzdem räumt er ein: „Das Verdienst von Laughlin ist, dass er eine besonders sinnreiche Kombination für die Umwandlung von Strom in Wärme und zurück in Strom gefunden hat.“ Und lächelt: „Wir behaupten von uns dasselbe.“ Beide Konzepte seien Alternativen, beide keine Neuerfindungen. „Die physikalischen Grundideen sind fast 100 Jahre alt“, weiß Thess.
Egal ob Joule oder Rankine – der Speicher hat großes Potenzial überall auf der Welt. Laut Koalitionsvertrag will die Bundesregierung z. B. prüfen, inwieweit große stillgelegte Kohlekraftwerke als thermische Speicher genutzt werden können. Eine Nachnutzung, die Arbeitsplätze an den Kohlestandorten erhalten könnte. Thess schlägt vor: „Wenn wir das Problem Umbau von Kohlekraftwerken zu Wärmespeicherkraftwerken diskutieren, dann müssen wir von Anfang an global denken und China, Deutschland, Indien, Afrika, Russland und die USA mit in Betracht ziehen.“
Natürlich spielt auch hier die Wirtschaftlichkeit die entscheidende Rolle. Ob es sich rechnet, Anlagenteile eines Kohlekraftwerks stehen zu lassen, um Generator und Dampfturbine zu nutzen? Diese Frage müsse man für jeden Standort einzeln beantworten. Aber wenn das DLR die technische Machbarkeit demonstrieren könne, hätte das internationalen Symbolcharakter.
Wird aber Laughlin längst Geld verdienen, während Deutschland seine technologischen Erkenntnisse erweitert? Um nicht doch abgehängt zu werden, wünscht sich Thess mehr politische Unterstützung. „Dann können wir im internationalen Konkurrenzkampf bestehen“, sagt er. Gehetzt forschen will er nicht, denn halb fertige Lösungen bringen die Welt nicht weiter: „Wir wollen gründlich an die Sache rangehen und hoffen, dass diese Gründlichkeit dann auch belohnt wird.“
