Energie speichern, aber wie?

  • 04. September 2013

Mit einer einfachen Formel lassen sich Wirkungsgrade von Energiespeichern für beliebige Medien vorhersagen.

Die ortsunabhängige und kostengünstige Speicherung elektrischer Energie in der Größenordnung des Tagesverbrauchs einer Großstadt ist ein ungelöstes Problem der Energietechnik. Ohne dessen Lösung wird die Integration regenerativer Energiequellen in den vorhandenen Energiemix nicht gelingen. Weder Pumpspeicherwerke noch Batteriespeicher oder Druckluftspeicherkraftwerke erlauben es, solche Energiemengen unabhängig von den geologischen Eigenschaften eines Standorts und zu niedrigen Preisen zu speichern.

Schematische Darstellung des Warmwasserspeicherbehälters

Abb.: Strom-Wärme-Strom-Energiespeicher: Schematische Darstellung des Warmwasserspeicherbehälters mit der Wärmepumpe (links) und der Wärmekraftmaschine (rechts; Bild: A. Thess / TU Ilmenau)

Der Energiepionier Bodo Wolf hatte 2007 eine neue Energiespeicheridee patentiert: Hochtemperaturwärmepumpen wandeln Elektroenergie in Wärme um und speichern es preiswert als heißes Wasser. Bei Bedarf verwandeln transkritische CO2-Dampfkraftanlagen die thermische Energie des Wassers wieder in Elektroenergie zurück. Dieses thermodynamische Prinzip wird heute als Strom-Wärme-Strom-Energiespeicher (SWS) bezeichnet. Noch gibt es keinen industrietauglichen SWS-Speicher, da bislang kaum theoretische Vorhersagen über seinen Wirkungsgrad existieren. Zwar gab es schon vereinzelte Versuche, Wirkungsgrade für spezielle SWS-Speichermaterialien und Gasturbinenprozesse zu berechnen, doch hatten die Ergebnisse bislang nur beschränkte Aussagekraft, weil sie von sehr vielen unsicheren Parametern abhingen und keine vergleichende Bewertung unterschiedlicher Speichermedien zuließen.

André Thess von der TU Ilmenau hat nun erstmals eine vereinheitlichte Theorie vorgestellt, die die Wirkungsgrade von SWS-Energiespeichern mit einer einfachen Formel für beliebige Wärme- und Kältespeichermedien vorhersagt. Während bisherige Theorien der SWS-Energiespeicher auf zahlreichen speziellen Annahmen beruhen, bedient sich die neue Theorie der Methode der endoreversiblen Thermodynamik. Diese Methode greift nur auf wenige fundamentale Postulate zurück und ist deshalb von großer Allgemeinheit. Überraschenderweise ist die neue Wirkungsgradformel recht einfach. Zudem hängt sie – ähnlich wie die in Expertenkreisen bekannte Carnot-Formel – nur von zwei Temperaturen ab: der Außentemperatur und der Wärmespeichertemperatur.

Die Speicherformel stellt zwar kein exaktes Abbild eines realen SWS-Energiespeichers dar, doch erlaubt sie eine grobe Abschätzung der Energiespeicherkapazität verschiedener Bauformen. Auf die Frage nach dem genauen Wirkungsgrad antwortet Professor Thess: „Es hat wenig Sinn, Zahlen zu nennen, ohne gleichzeitig die Investitionskosten zu beziffern. Ein billiger Speicher mit dreißig Prozent Wirkungsgrad kann unter Umständen wirtschaftlicher sein als ein teurer Speicher mit sechzig Prozent“. Jedenfalls verrät die Speicherformel, dass sich in einem Kilogramm Wasser durch Erwärmen mindestens zehnmal mehr Elektroenergie speichern lässt, als beim Anheben in einem Pumpspeicherwerk um 300 Meter. Die Speicherformel zeigt auch die Zunahme von Wirkungsgrad und Speicherdichte mit höherer Speichertemperatur. Deshalb gibt es parallel zu geplanten SWS-Energiespeichern auf Wasserbasis auch Überlegungen für Salzschmelzen oder Gesteinsschüttungen als Speichermedien.

TU Ilmenau / CT

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