Energie
Wärmespeicher Reifen Schnell Ohne Bedarf an Metallbergbau
Großskalige Energiespeicherung Erforderlich
Es besteht ein wachsender Bedarf an Batteriesystemen, die große Mengen an Energie für mehrere Stunden oder Tage speichern können. Dies liegt daran, dass Solarenergie und Windenergie intermittierend sind und sich im Laufe des Tages und von Tag zu Tag ändern.
Ein weiterer Faktor ist der Energiebedarf von industriellen Prozessen wie der Metallurgie. Diese Fabriken benötigen 24/7 Strom, in der Regel, um große Mengen an Wärme im Bereich von 1.000-1.500°C zu erzeugen.
Die Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien wie bei Elektrofahrzeugen ist unwahrscheinlich, eine Lösung, die im großen Maßstab funktioniert. Sie sind einfach zu teuer, nicht ausreichend langlebig und verbrauchen zu viele Rohstoffe.
Dies ist der Grund, warum viele verschiedene alternative Batteriechemien für die Energiespeicherung im großen Maßstab in Betracht gezogen wurden. Wir betrachten die meisten dieser Optionen in unserem Artikel “Die Zukunft der Energiespeicherung – Batterien im großen Maßstab“, einschließlich Lithium-Eisen-Phosphat, Natrium-Ionen, Redox-Fluss, Eisen-Luft, geschmolzenes Metall, Nickel-Wasserstoff, Natrium-Schwefel usw.
Alle diese Batterien speichern Energie in Form von Elektrizität auf die eine oder andere Weise, in der Regel durch die Oxidation und Reduktion eines Metalls.
Das Problem ist, dass sogar sehr häufige Metalle wie Eisen oder Aluminium immer noch viel Bergbau erfordern würden. Was, wenn wir Energie in einer anderen Form speichern?
Wärmespeicherung
Es gibt eine überraschend große Anzahl von Optionen für die Energiespeicherung ohne die Verwendung von Elektrizität als Speichermedium. Wir haben sie in unserem Artikel “Nicht-chemische Alternativen zu Batterien für die Energiewende” genauer betrachtet. Diese Optionen umfassen:
- Komprimierte Luft.
- Schwerkraftbatterien (Felsen, Pumpenspeicher).
- Wärmespeicher.
- Fliehkraftspeicher.
- Thermische Solarenergie.
Jede dieser Optionen, Batterien und Nicht-Batterien, hat Vor- und Nachteile. Die ideale Energiespeicherlösung würde einige Merkmale aufweisen:
- Kein Bedarf an Metallen und seltenen Materialien.
- Langzeit-Energiespeicherung.
- Geringe Kosten.
- Leicht skaliert ohne Einschränkungen hinsichtlich verfügbarer Standorte oder Ressourcen.
- Kann mit minimalen Verlusten als Elektrizität verwendet werden.
Für die ersten 4/5 Punkte würde Wärmespeicherung den Anforderungen gerecht. Sandbatterien, wie die des finnischen Unternehmens Polar Night Energy, können überschüssige Energie aus dem Sommer in den Winter speichern, was für die Versorgung mit erneuerbarer Energie in den kalten und sonnenlosen Wintern des Nordens unerlässlich ist. Und sie verwenden nur minderwertigen Sand und ein wenig Metall für den Rahmen und die Rohre.
Quelle: Polar Night Energy
Eine ähnliche Wärmespeicherung ist von Rondo Energy geplant, mit Ziegelsteinen, die auf bis zu 1.500°C erhitzt werden können, wobei die Wärme für industrielle Prozesse wie Zement- oder Stahlproduktion verwendet wird.
Diese Wärmespeicher funktionieren gut, wenn das gewünschte Produkt ohnehin erhitzt wird, sei es für die Beheizung von Wohnungen oder für industrielle Wärme.
Quelle: Rondo Energy
Allerdings galten Wärmespeicher als schlechte Alternative für die Stromversorgung, da der Wirkungsgrad der Rückverwandlung von Wärme in Elektrizität in der Regel im Bereich von 20-30% liegt. Dies würde bedeuten, dass bis zu 4/5 der gespeicherten Energie tatsächlich verloren gehen. Oder, um es anders auszudrücken, die gespeicherte Energie wäre plötzlich x5 teurer als bei ihrer Erzeugung.
Selbst wenn Solarenergie jetzt auf dem gleichen Niveau wie fossile Brennstoffe liegt, ist sie immer noch weit davon entfernt, fünfmal billiger zu sein. Dieses Problem könnte jedoch nur vorübergehend sein, dank der Innovation in einer Technologie namens Thermophotovoltaik.
Thermophotovoltaische Zellen – Photovoltaik, aber mit Wärme
Thermophotovoltaik ist die Idee, Energie auf eine ähnliche Weise wie bei herkömmlicher Photovoltaik zu erzeugen, aber mit Wärme anstelle von Sonnenlicht — oder genauer gesagt, mit dem von erhitzten Materialien emittierten Infrarotlicht.
In einer herkömmlichen Photovoltaikanlage wird jedes Licht mit einer Frequenz unter einem bestimmten Schwellenwert nicht energetisch genug, um einen Strom zu erzeugen, und wird verschwendet. Dies ist der Fall für alle Infrarotlichter, da Infrarotlicht-Elektromagnetwellen zu wenig Energie haben.
Dies ist keine neue Technologie an sich, aber sie litt immer unter zu geringer Effizienz, um weithin angenommen zu werden. Dies war der Fall, bis die Forscher der University of Michigan ihre Ergebnisse in einer wissenschaftlichen Veröffentlichung mit dem Titel “Hocheffiziente Luftbrückenthermophotovoltaikzellen” veröffentlichten.
Sie behaupten, einen Rekord von 44% Effizienz für Temperaturen unter 1.500°C erreicht zu haben, was wesentlich höher ist als die vorherigen Ergebnisse, die nur 37% erreichten.
Und die Forscher denken, sie haben einen Weg, um in naher Zukunft 50% zu erreichen.
Quelle: Cell
Wie funktionieren Thermophotovoltaikzellen?
Zunächst muss das Speichermaterial, das Stein, Sand, Kohlenstoff, Ziegel oder Keramik sein kann, erhitzt werden, entweder mit überschüssiger Energie aus erneuerbaren Quellen oder direkter Solarenergie.
Bei 1.435°C haben etwa 20-30% der Infrarotphotonen, die es emittiert, genügend Energie, um in den Thermophotovoltaikzellen der Forschergruppe Strom zu erzeugen.
Quelle: Design Boom
Die anderen Infrarotfrequenzen konnten nicht in Elektrizität umgewandelt werden, da der Halbleiter in der Thermophotovoltaikzelle nicht geeignet war.
Wie kamen sie also auf 44%? Der geniale “Trick” bestand darin, eine dünne Luftschicht zur Thermophotovoltaikzelle hinzuzufügen, direkt hinter dem Halbleiter und einem Goldreflektor hinter der Luftlücke.
Dies hielt die Photonen mit der richtigen Energie fest und bereit, um Strom zu erzeugen. Die anderen wurden zurück zum erhitzten Material geschickt, um es erneut zu erhitzen. Sie konnten dann noch einmal die Chance haben, mit der richtigen Lichtfrequenz zur Thermophotovoltaikzelle geschickt zu werden.
Im Wesentlichen ermöglicht es der Zelle, das, was sie beim ersten Mal nicht gefangen hat, zu recyceln und den Gesamtwirkungsgrad zu steigern.
Zukünftige Wärmespeicher
Eine Effizienz von 44% oder sogar 50% mag nicht besonders beeindruckend sein, wenn man sie mit Pumpenspeicher (70-85%) oder Lithium-Ionen-Batterien (85-95%) vergleicht.
Quelle: EESI
Aber dies würde ignorieren, dass die Massenverbreitung von Energiespeicherlösungen im großen Maßstab ebenso viel mit Ökonomie wie mit Technologie zu tun hat.
Batterien haben eine Lebensdauer, die in Jahren gemessen wird, bevor sie recycelt werden müssen. Es gibt einfach nicht genug Lithium und noch weniger Kupfer, Nickel oder Kobalt, um sie im großen Maßstab zu verbreiten, insbesondere wenn die meisten dieser Metallproduktionen bereits für Elektrofahrzeuge benötigt werden.
Im Gegensatz dazu können Wärmespeicher Jahrzehnte lang mit wenig bis keiner Wartung funktionieren. Sie benötigen fast kein Material außer Stein, Sand oder Ton. Sie können überall und in jeder Größe gebaut werden, sogar wirklich gigantisch, mit fast keiner Auswirkung auf die Ökosysteme, im Gegensatz zu Wasserkraft.
Schließlich ist Wärme eine der effizientesten Methoden, wenn die Energie für Wochen und Monate gespeichert werden muss, mit fast allen Arten von Batterien, die “leaken” mit viel höherer Rate als ein gut isoliertes Wärmespeichersystem.
„Es ist eine Art Batterie, aber eine sehr passive. Man muss kein Lithium abbauen, wie bei elektrochemischen Zellen, was bedeutet, dass man nicht mit dem Markt für Elektrofahrzeuge konkurriert.
Im Gegensatz zu Pumpwasser für die Speicherung von Wasserkraft kann man sie überall platzieren und benötigt keine Wasserquelle in der Nähe“,
Insgesamt kann eine Wärmespeicherung die perfekte Energiespeicherlösung sein, um die Schwankungen erneuerbarer Energien auszugleichen. Und sogar überschüssige Energie der windigen oder sonnigen Monate in den Winter für gemäßigte Klimazonen oder in die Regenzeit für tropische Klimazonen zu speichern.
Wärmespeicherung / Thermophotovoltaik-Unternehmen
1. II-VI Marlow / Coherent
(COHR )
II-VI Marlow ist ein Teil von II-VI Inc., einem Branchenführer im Bereich der (derzeit noch kleinen) Produktion von Thermophotovoltaikzellen. Im Jahr 2022 erwarb II-VI Inc. den Laserhersteller Coherent Inc. und änderte daraufhin den Namen des Unternehmens.
Das Unternehmen ist ein Experte für fortschrittliche Materialien, die in Lasern, Optik und Photonik verwendet werden, wie z.B. Indiumphosphid, epitaxiale Wafer und Galliumarsenid. Es wuchs hauptsächlich durch mehrere Übernahmen im Laufe des letzten Jahrzehnts.
Quelle: Coherent
Die Thermophotovoltaik-Aktivitäten des Unternehmens sind nur ein kleiner Teil seines Gesamtumsatzes, wobei Optikfaser, Laser und andere den größten Teil der Umsätze ausmachen. Dies könnte jedoch gute Nachrichten für Investoren sein, da es auch bedeutet, dass es das Kapital hat, um neue Technologien schnell in großem Maßstab zu verbreiten, wenn Innovation neue Märkte eröffnet.
Quelle: Coherent
Beispielsweise der massive Markt für die Speicherung von überschüssiger erneuerbarer Energie…
Da die University of Michigan “Patentschutz beantragt hat (…) und nach Partnern sucht, um die Technologie auf den Markt zu bringen“, wäre es nicht überraschend, wenn ein Unternehmen wie Coherent die neue Thermophotovoltaikzelle auf den Markt bringt. Insbesondere angesichts seiner bereits bestehenden Expertise in der industriellen Produktion von Thermophotovoltaikzellen und ähnlichen hochentwickelten Materialien.
2. Sumitomo Electric Industries (SMTOY)
Die Thermophotovoltaikzellen, die von den Forschern der University of Michigan verwendet wurden, bestanden aus InGaAsP (Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid)”.
“Wir untersuchen, ob die Übertragung der Luftbrückenarchitektur von ternären zu quaternären III-V-Absorbern (InGaAsP, auf InP-Substraten abgestimmt) die Effizienz innerhalb des Zielbereichs der Emitter-Temperaturen verbessern kann.”
Wenn diese Technologie zum Standardformat für die Energiespeicherung im großen Maßstab wird, benötigen wir InGaAsP und viel davon.
Es wäre also sinnvoll, in diesem Szenario auf das Unternehmen zu setzen, das für 30 Jahre der Marktführer in der Produktion von InGaAsP war, den japanischen Konglomerat Sumitomo.
Seit über 30 Jahren hat die Halbleiterabteilung von Sumitomo Electric ihre Führungsposition als weltweit größter Hersteller von Galliumarsenid (GaAs) und Indiumphosphid (InP) behauptet.
Der Name Sumitomo ist zum Synonym für Qualität in III-V-Materialien geworden. Sumitomo Electric hat diesen Ruf erlangt, indem es seinen globalen Kunden hochwertige Substrate lieferte, die zu höheren Ausbeuten und Geräten mit konsistenten elektrischen Eigenschaften führten.
Sumitomo Electric Industries und seine Compound-Semiconductor-Abteilung sind Teil des größeren Sumitomo-Konglomerats, eines der größten weltweit sōgō shōsha (Generalhandelsgesellschaften).
Neben InGaAsP umfasst die Hauptaktivität von Sumitomo Electric Industries:
- Telekommunikationsgeräte (Optikfaser, 5G)
- Automobilverkabelung und Hochleistungs-Kabel
- Elektronik (flexible Leiterplatten, Datenkabel, Filtermembranen)
- Hochwertige Materialien (Karbid, Schneidewerkzeuge, Spannstahl).
Quelle: Sumitomo
Die Expertise in der Massenproduktion von hochwertigen Materialien, die Führungsposition in der InGaAsP-Produktion und die Geschäftsbeziehungen, die mit der Zugehörigkeit zu einem sōgō shōsha / Generalhandelsgesellschaft einhergehen, sollten sicherstellen, dass Sumitomo Electric Industries einer der Hauptnutznießer einer massiven Verbreitung von Thermophotovoltaik ist.
Das Wachstum sollte auch gut für Telekommunikation (Digitalisierung, KI) und Produkte im Zusammenhang mit Elektrofahrzeugen (Kabel, Verkabelung) sein, die beide boomen.
