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Energiewende

Heiße Steine speichern grüne Energie

Zum Gelingen der Energiewende können umweltverträgliche und kosteneffiziente Energiespeicher einen wichtigen Beitrag leisten. Dem Team um Siemens Entwickler Till Barmeier ist mit seinem Hochtemperatur-Wärmespeicher ein Durchbruch gelungen.

Die Energiewende kommt, aber noch gibt es Hürden. Im Jahr 2035 soll der Anteil des Stromverbrauchs aus erneuerbaren Energien bereits bei 55 bis 60 Prozent liegen. 2050 soll dieser Anteil dann idealerweise 80 Prozent betragen. Im vergangenen Jahr trugen Wind, Sonne und Co. hierzulande bereits 30 Prozent zur Bruttostromerzeugung bei. Windräder produzieren mittlerweile neun Prozent des deutschen Stroms, Tendenz rasant steigend. Doch es fehlt ein wesentliches Puzzlestück in der Energiewende, die mit dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) am 1. April 2000 auf den Weg gebracht wurde. Es ist ein Puzzlestück, nach dem nicht nur in Deutschland, sondern auch international, Forscher, Ingenieure und Entwickler fieberhaft suchen.

Wenn Wolken für mehrere Tage die Sonne verhängen, wenn tagelange Flauten die Rotoren der Windturbinen lähmen und zugleich mit dem Verzicht auf fossile Brennstoffe Kraftwerkskessel und Turbinen kalt bleiben, dann drohen Engpässe in der Strom-produktion. Müssten Verbraucher dann wieder auf Kerzen, Generatoren, Decken und warme Pullover zurückgreifen? „Ganz sicher nicht. Aber damit die Energiewende gelingen kann, brauchen wir Speicher, die die naturgegebene Fluktuation der erneuerbaren Energien ausgleichen können und die auch in Zeiten der Flaute und an sonnenlosen Tagen flexibel Strom liefern und somit Versorgungssicherheit garantieren.“ Das sagt Till Barmeier. Er ist promovierter Mathematiker und leitet bei Siemens das Programm „Energie-speicherung“. Seit drei Jahren hat er in einem Team mit bis zu zehn Mitarbeitern Grundlagenforschung zu diesem wichtigen Thema betrieben. Und wie es aussieht, ist Barmeiers Team ein Durchbruch gelungen. Vielleicht liefert sein Team gerade das so wichtige Puzzlestück, das bei der Energiewende fehlt: Einen wirtschaftlichen und leistungsfähigen Energiespeicher.

Ein Hochtemperatur-Wärmespeicher: energieeffizient und umweltverträglich
Und dieses Puzzlestück ist so einfach wie genial: „Wir entnehmen dem Stromnetz Energie, wandeln sie in Wärme um, denn in thermischer Energie lässt sich aufgrund ihrer Dichte viel Energie speichern“, erklärt Barmeier. „Die elektrische Heizung, mit der wir den Strom umwandeln, muss man sich wie einen Fön vorstellen. Die heiße Luft, die so entsteht, wird durch ein Rohrsystem in den Wärmespeicher eingebracht.“ Auch dieser Speicher basiert auf einem einfachen Prinzip: „Er besteht aus einer tragfähigen, isolierten Hülle, die luftig mit Schüttgut aus geeigneten Steinen gefüllt wird. Der Strom der heißen Luft erwärmt die Schüttung. Die Steine müssen Temperaturen von über 600 Grad aushalten können, ohne dass sie schmelzen oder zerbrechen.“

Heiße Steine: Till Barmeier und seinem Team ist ein Durchbruch gelungen.


Wie aber lässt sich aus der so gespeicherten Energie nun wieder Strom gewinnen? „Auch das erfolgt nach einem sehr einfachen Prinzip“, fährt Barmeier fort. „Dazu bedienen wir uns einer Technik, die sehr erprobt ist. Sie liefert uns seit über 120 Jahren sehr verlässlich Energie – gemeint ist der Dampfkraftprozess.“ Zunächst wird kalte Luft in den Speicher geleitet, die sich beim Hindurchströmen erhitzt und einen Kessel heizt. Darin entsteht Dampf mit hohem Druck. Der Dampf wird durch Rohre in eine Turbine geschickt, mit der Strom erzeugt und in das Netz eingespeist werden kann. Barmeier: „So kann an Tagen mit viel Wind oder viel Sonne eine Überproduktion an Strom gespeichert werden – für jene Tage, an denen Photovoltaik oder Windräder nicht produzieren.“ Das Team um Barmeier geht davon aus, dass der neuartige Speicher Energievorräte für einer Woche ermöglicht. „Vornehmlich geht es aber um die kontinuierliche Stromproduktion von zwei bis drei Tagen bei Engpässen.“ Und er ergänzt: „Allerdings ist unser System kein Saisonspeicher, mit dem man die Energie der Herbststürme drei Monate lang für die Winterflaute konserviert.“

So kann an Tagen mit viel Wind oder viel Sonne eine Überproduktion an Strom gespeichert werden.
Till Barmeier, Leiter des Programms Energiespeicherung bei Siemens


Thermische Speicher sind nur eine technische Möglichkeit unter vielen, um Energie auf Vorrat zu halten. Zum Vergleich: Pumpspeicherwerke, bei denen Energie durch das Ableiten von Wasser von einem höher gelegenen See in ein tiefer gelegenes Becken erzeugt wird, bieten sich als etablierte Alternative an. Sie sind geeignet, um Tag-Nacht-Zyklen von etwa acht Stunden auszugleichen. Sie sind aber sehr aufwändig und können nur an Orten mit besonderen geographischen Voraussetzungen gebaut werden. Norwegen bietet reichlich solche Orte, aber in Deutschland sind sie nahezu ausgeschöpft. Außerdem gibt Barmeier zu bedenken: „Rechnet man den Flächenbedarf der für Pumpspeicher notwendigen Wasserbecken, könnten wir mit unserer thermischen Lösung mehr als dreißig Mal so viel Energie unterbringen.“


Besonders effektiv sind auch elektrochemische Speicher wie Lithium-Ionen-Batterien.
Noch sind die Akkus aber sehr teuer und enthalten toxische Gemische. Bei vielen anderen mechanischen und chemischen Speichermöglichkeiten setzen die hohen Kosten heute Grenzen. Das gilt auch bei Power-to-Gas-Anlagen, die mit dem Prinzip der Wasser-elektrolyse arbeiten. Weitere Forschungsarbeit ist nötig, um die unterschiedlichen Technologien effizienter, sicherer und umweltfreundlicher zu machen.

Ein Testmodell für die Zukunft
„All diese Speichermöglichkeiten haben ihre Berechtigung“, meint Barmeier. „Aber für uns war klar, dass wir eine einfache Technologie entwickeln wollten, die den Ansprüchen nach geringen energiespezifischen Kosten, einem hohem Ausbaupotential und niedrigen Umweltauswirkungen gerecht wird.“ Schon jetzt kann man sagen: Das innovative Speichersystem kommt ohne Giftstoffe oder Chemiecocktails aus. Es arbeitet es mit sicheren Komponenten und Prozessen. „Es findet keine Verbrennung statt“, erklärt Barmeier. „Wir produzieren praktisch keine Emissionen und brauchen keine Explosions- oder Brandgefahr zu fürchten. Unsere Steine für den Speicher lassen sich an vielen Orten aus örtlichen Steinbrüchen gewinnen.“

Das innovative Stromspeichersystem basiert auf einfachen und zuverlässigen Prinzipien.


Zurzeit baut Siemens zusammen mit Hamburg Energie und der Technischen Universität Hamburg als Teil des gemeinsamen Forschungsprojekts „Future Energy Solution“ (FES), das auch vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert wird, eine Modell- und Testanlage für die innovative Technologie. Der Wärmespeicher dieser Anlage wird eine Fläche von rund 400 Quadratmetern haben. „In den nächsten zwei Jahren werden wir zeigen, dass das System so funktioniert, wie wir uns das vorstellen“, erklärt Barmeier. „Und wir werden sehen, welches Optimierungs- und Ausbaupotential es noch bietet.“ 2019 soll dann eine größere Pilotanlage errichtet werden, mit einer Leistung von 30 Megawatt. Auch bei dieser Anlage erwägt Siemens die Zusammenarbeit mit einem Energieversorger oder Projektentwickler. Das marktfertige System soll schließlich einmal die Stromversorgung einer mittelgroßen Stadt unterstützen. Die Produktionsleistung dafür beträgt rund 100 Megawatt oder mehr.

Barmeier ist überzeugt, dass die FES-Technologie das fehlende Puzzlestück ist, um die Energiewende zu komplettieren. Aber der findige Entwickler denkt schon einen Schritt weiter. „Es ist auch vorstellbar, dass man die fossilen Kraftwerke, die in Zukunft nicht mehr gebraucht werden, mit unserer Technologie umrüstet“, sagt er. „Man müsste sie lediglich mit einer Heizung und einem unserer Wärmespeicher nachrüsten.“ Dann würden aus thermischen Kraftwerken Energiespeicher. Mit anderen Worten: die Technik einer alten Zeit würde sich harmonisch mit der Technologie der Zukunft verbinden.

Ingo Petz arbeitet als freier Journalist in Berlin.
Picture credits: Siemens AG