Wärmespeicher Wie Steine die Energiewende fördern können

Steine, Ziegel und Beton sind hervorragende Wärmespeicher. Forscher wollen diese Eigenschaft jetzt nutzen, um die Ertragsschwankungen von Windrädern und Solaranlagen auszugleichen.

DLR

Von Ralph Diermann


Die Sonne ist vor Stunden hinter dem Horizont versunken - doch in Städten herrschen im Hochsommer nachts oft noch tropische Temperaturen. Asphalt und Beton, Ziegel- und Backsteine haben sich tagsüber aufgeheizt und geben die Wärme nachts langsam wieder ab.

Was zu langen Abenden unter freiem Himmel einlädt, wollen Unternehmen und Forschungsinstitute nun nutzen, um die Energiewende voranzubringen: Sie entwickeln Energiespeicher aus Gestein. Diese sollen helfen, Windräder und Solaranlagen besser in das Energiesystem einzubinden.

Steinspeicher am Hamburger Hafen

Ein Forscherteam von Siemens Gamesa, der Technischen Universität Hamburg-Harburg und des lokalen Versorgers Hamburg Energie wird demnächst am Rande des Hamburger Hafens 2000 Kubikmeter Naturstein - rechnerisch ein Würfel mit fast dreizehn Metern Kantenlänge - aufschütten, um damit Windstrom zu speichern.

Das soll so funktionieren: Ein elektrisches Heißluftgebläse heizt das Gestein auf circa 600 Grad Celsius auf. Das Gebläse springt an, sobald viel Ökostrom verfügbar ist - etwa wenn Windräder mehr Energie erzeugen als die Stromnetze aufnehmen können. Ein Isoliermantel verhindert, dass die Steine auskühlen.

Wird hingegen Strom benötigt, leitet das Gebläse einen kalten Luftstrom durch die Steine. Mit der aufgeheizten Luft wird Wasser verdampft. Dieser Dampf treibt eine 1,5-Megawatt-Turbine an.

"Naturstein ist günstig. Daher können wir damit sehr große Mengen an Energie zu niedrigen Kosten speichern", erklärt Projektleiter Till Barmeier von Siemens Gamesa.

Stillgelegte Kohlekraftwerke als Speicher

Nachteil: Der Wirkungsgrad der vom Bundeswirtschaftsministerium mitfinanzierten Pilotanlage wird nicht mehr als 25 Prozent betragen. Rund drei Viertel des eingesetzten Windstroms gehen also verloren. Barmeier weist jedoch darauf hin, dass der Testlauf noch nicht auf Effizienz ausgelegt ist. Die Forscher hoffen, den Wirkungsgrad zu steigern, wenn sie die Technik weiterentwickeln und größere Anlagen bauen.

Als Standorte für die Steinspeicher hat das Team stillgelegte Kohle- oder Gaskraftwerke im Visier. "Wir müssen an ausgemusterten Kraftwerken - vereinfacht gesagt - nur die Feuerung durch den Speicher ersetzen und eine elektrische Heizung installieren. Die Dampfturbine und andere nötige Komponenten sind schon da. Das senkt den Investitionsaufwand beträchtlich", sagt Barmeier.

Testanlage Bergedorf
Siemens Gamesa

Testanlage Bergedorf

Ein ähnliches Speicherkonzept hat das norwegische Start-up Energy Nest entwickelt - mit dem Unterschied, dass dort statt Naturstein ein Spezialbeton verwendet wird. In den Beton sind Rohre eingelassen, mit denen die Wärme in den Speicher geführt wird.

Neben der Verwertung von überschüssigem Windstrom sieht Energy-Nest-Chef Christian Thiel weitere Anwendungsmöglichkeiten: Die Speicher könnten Wärmekraftwerke flexibler auf die schwankende Einspeisung von Wind- und Solarstrom reagieren lassen. Dabei nehmen die Betonblöcke Hitze aus der Kohle- oder Biomassefeuerung auf, wenn viel Ökostrom ins Netz fließt. Die Turbinen laufen dann mit geringerer Leistung. Bei Strommangel gibt der Speicher die Wärme in den Dampfprozess ab, so dass die Turbinen mehr Strom erzeugen.

Darüber hinaus könnten Betonspeicher Abwärme aus Produktionsprozessen in Industriebetrieben einfangen, um sie später zu nutzen.

Bisher wurde allerdings erst ein Betonspeicher in einem Solarkraftwerk installiert - in Abu Dhabi. Er sorgt dafür, dass die Anlage auch nachts Strom erzeugt. Dazu wird ein Teil der Wärme, die die Kollektoren tagsüber liefern, in den Speicher abgeführt. Nach Sonnenuntergang wird die Wärme freigesetzt und erzeugt Wasserdampf für die Dampfturbine der Anlage.

Kalk speichert Wärme ohne Verluste

Einen ganz anderen Weg geht das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR): Die Forscher nutzen chemische Prozesse, die auftreten, wenn Kalkstein Wärme zugeführt wird. Ihr Speicher arbeitet mit gelöschtem Kalk, einem in der Bauindustrie häufig verwendeten, sehr günstigen Grundstoff.

Wird das Material Temperaturen von 450 Grad und mehr ausgesetzt, setzt eine Reaktion ein: aus dem gelöschten wird gebrannter Kalk, in dem die zugeführte Energie chemisch gebunden ist. Um die Wärme wieder zurückzugewinnen, muss dem Kalk lediglich Wasser beigegeben werden. Dann kann der Kreislauf erneut beginnen.

Der in Hamburg entwickelte thermische Speicher für Windenergie ist ein Gemeinschaftsprojekt von Siemens, Hamburg Energie und der TUHH
Siemens Gamesa

Der in Hamburg entwickelte thermische Speicher für Windenergie ist ein Gemeinschaftsprojekt von Siemens, Hamburg Energie und der TUHH

"Kalkspeicher haben den Vorteil, dass sie auch über lange Zeiträume keine Energie verlieren", sagt DLR-Fachgebietsleiter Marc Linder. Damit könnten sie auch eingesetzt werden, um im Winter mit Sommersonne zu heizen: Erzeugen Photovoltaikanlagen im Sommer mehr Strom als benötigt, wird der Kalk mithilfe eines elektrischen Heizstabs gebrannt. Genutzt wird die Wärme dann im Winter.

Doch auch der Kalkspeicher hat Nachteile. "Wir haben es hier mit einem sehr feinen Pulver zu tun, was verfahrenstechnisch eine echte Herausforderung ist", sagt Linder. Vor allem der zuverlässige Transport des unbehandelten Kalks innerhalb der Anlage bereitet den Forschern noch Kopfzerbrechen.

Bis die Technik marktreif ist, ist deshalb noch einiges an Forschungsarbeit nötig.



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