Wärmespeicher als Gigabatterie

Wärmespeicher als Gigabatterie

Strom als Wärme zu speichern ist effizienter, als es klingt. Deshalb wollen deutsche Forscher riesige Wärme-Batterien zur Marktreife bringen.

Energiespeicher | Von Angela Schmid

Zwei Behälter, so groß wie Gasometer, gefüllt mit Salz: das würde ausreichen, um eine Stadt wie Stuttgart über Nacht mit Strom zu versorgen. Das Prinzip trägt den etwas sperrigen Namen Power-to-heat-to-power.

Batterien werden oft als Retter der Energiewende dargestellt. Für den Privathaushalt und das Elektroauto sind Speicher sinnvoll. Im großen Stil zum Ausgleich der überlasteten Netze können Lithium-Akkus in Haushaltsgröße aber nicht viel beitragen. Obwohl die Preise sinken, sind auch größere Lithium-Ionen-Akkus nicht zyklenfest genug.

"Dass große Mengen Strom in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien preiswert gespeichert werden können, ist ein Trugschluss", erklärt Professor André Thess, Direktor des Instituts für Technische Thermodynamik am Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Manche Experten setzen deshalb auf Power-to-Gas. Überschüssiger Strom, etwa von Windrädern, wird dabei zur Herstellung von Gas aus Wasser genutzt. Thess hingegen setzt auf Power-to-heat. Ähnlich wie Nobelpreisträger Robert Laughlin von der Stanford University sieht er in einem CO2-neutralen Energiesystem der Zukunft die Wärmespeicher als Schlüsseltechnologie für die Speicherung großer Elektrizitätsmengen.

Wärme im Norden, Kälte im Süden

Carnot-Batterie nennt Thess diese Speicherform, in Anlehnung an Nicolas Léonard Sadi Carnot, dem den Begründer der Thermodynamik. Grundlage ist das Power-to-Heat-Prinzip: Überschüssiger Ökostrom geht in eine Hochtemperaturwärmepumpe, die Wasser auf 50 Grad oder Flüssigsalz auf 500 Grad erhitzt. Beides gibt Wärme nur langsam an die Umgebung ab.

Theoretisch könnte man nun das Wasser durch Heizungen pumpen, praktisch wird aber eine Wärmekraftmaschine genutzt, um wieder Strom zu erzeugen. Die Wärme sei nur "ein wertvoller Zusatznutzen", so der Forscher. Natürlich könne man mit dem Strom auch Kälte erzeugen und speichern. Das wäre "für die Dekarbonisierung von Ländern wie Indien und China wichtig."

Die elektrischen Leistungen liegen zwischen 100 Kilowatt und 500 Megawatt. Die elektrischen Speicherkapazitäten sind immens, reichen bis zu einer Terrawattstunde. Zudem ist die Zyklenfestigkeit fast grenzenlos. So wie Wasser im Topf theoretisch unendlich oft erhitzt werden kann, kann auch Wärme in der Carnot-Batterie immer wieder gespeichert werden. Der Wirkungsgrad liegt je nach technischer Auslegung und Bedarf zwischen 35 – 70 Prozent.

Kosten werden über Carnot-Batterie entscheiden

Was davon aber wirklich sinnvoll ist, bleibt abzuwarten. Denn: "Heute kann noch niemand genau sagen, welcher Bedarf im Energiemarkt in Zukunft entsteht", so Thess. Die Technologieentwicklung treibt er daher in allen Richtungen voran. Ob es am Ende die günstigen Speicher mit geringem Wirkungsgrad oder die teuren mit hohem Wirkungsgrad sind, ist offen. "Dies versuchen wir zu analysieren, indem wir mit Fachleuten auf dem Gebiet der Energiesystemanalyse zusammen arbeiten", erklärt der Wissenschaftler.

Nur auf den Wirkungsgrad zu schauen, findet er sowieso falsch: "Er ist nicht entscheidend für die Nutzbarkeit einer Technologie. Unser heutiges Mobilitätsmodell beruht auf einer Technologie, bei der bei einem Liter Benzin 80 Prozent der Energie in Form von Abwärme verloren geht. Nur 20 Prozent wird für den Antrieb genutzt." Für Nutzer, so Thess, seien vielmehr die Kosten entscheidend. 

Thess hofft, in fünf Jahren eine vorzeigbare Technologie entwickelt zu haben. Wann diese aber in großem Stil auf den Markt kommt, kann er nicht abschätzen. "Auch technologische Entwicklungen basieren auf dem darwinschen Prinzip", so der Wissenschaftler. Ob es noch fünf, zehn oder 30 Jahre dauere, könne niemand seriös vorhersagen. Die Geschwindigkeit des technischen Fortschritts dürfe nicht überschätzt werden. Thess: "Es gibt Menschen, die glauben, dass das deutsche Energiesystem schnell umgebaut werden kann - daran habe ich Zweifel."

Wettbewerbsfähig ist die Carnot-Batterie wie alle anderen Speicherformen nach Berechnungen des DLR-Forschers erst, wenn der CO2-Preis eine Größenordnung von 50 bis 100 Euro pro Tonne erreicht. Im Moment bewegt sich dies bei etwa 13 Euro pro Tonne. Thess: "Unter heutigen Marktbedingungen erlauben Carnot-Batterien in Deutschland noch kein profitables Geschäftsmodell."

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