Wärmebatterien reifen schnell, ohne dass Metalle abgebaut werden müssen

Großskalige Energiespeicherung erforderlich

Es besteht ein wachsender Bedarf an Batteriesystemen, die große Energiemengen über mehrere Stunden oder Tage hinweg speichern können. Das liegt daran, dass Solar‑ und Windenergie intermittierend sind und im Tagesverlauf sowie von Tag zu Tag schwanken.

Ein weiterer Faktor ist der Energiebedarf industrieller Prozesse, wie zum Beispiel der Metallurgie. Diese Fabriken benötigen rund um die Uhr Strom, meist um viel Wärme im Bereich von 1.000‑1.500 °C zu erzeugen.

Der Einsatz von Lithium‑Ion‑Batterien, wie sie in Elektrofahrzeugen verwendet werden, ist als großflächige Lösung kaum realistisch. Sie sind einfach zu teuer, nicht langlebig genug und verbrauchen zu viele Rohstoffe.

Deshalb wurden zahlreiche alternative Batterietechnologien für die Speicherung im Versorgungsmaßstab in Betracht gezogen. Wir betrachten die meisten dieser Optionen in unserem Artikel „Die Zukunft der Energiespeicherung – Batterietechnologien im Versorgungsmaßstab“, darunter Lithium‑Eisen‑Phosphat, Natrium‑Ion, Redox‑Flow, Eisen‑Luft, geschmolzene Metalle, Nickel‑Wasserstoff, Natrium‑Schwefel usw.

All diese Batterien speichern Energie in Form von Elektrizität, meist durch Oxidation und Reduktion eines Metalls.

Das Problem ist, dass selbst sehr verbreitete Metalle wie Eisen oder Aluminium weiterhin umfangreichen Bergbau erfordern würden. Was wäre also, wenn wir Energie in einer anderen Form speichern?

Wärmespeicherung

Es gibt überraschend viele Möglichkeiten, Energie zu speichern, ohne Elektrizität als Speichermedium zu nutzen. Wir haben sie ausführlicher in „Nicht‑chemische Alternativen zu Batterien für die Energiewende“ untersucht. Diese Optionen umfassen:

• Komprimierte Luft.
• Gravitationsbatterien (Steine, Pumpspeicher).
• Wärmebatterien.
• Fliehkraftmaschinen.
• Thermische Solarenergie.

Jede dieser Optionen, Batterien und Nicht‑Batterien, hat Vor‑ und Nachteile. Die ideale Energiespeicherlösung sollte folgende Merkmale erfüllen:

• Kein Bedarf an Metallen und seltenen Materialien.
• Lange Speicherdauer.
• Niedrige Kosten.
• Leicht skalierbar ohne Beschränkung durch verfügbare Standorte oder Ressourcen.
• Kann mit minimalen Verlusten als Strom genutzt werden.

Für die ersten vier bis fünf Punkte würde die Wärmespeicherung passen. Sandbatterien, wie die der finnischen Firma Polar Night Energy, können überschüssige Energie vom Sommer ins Winter speichern – ein Muss, um die Heizungssysteme in den eisigen und sonnenlosen Wintern des Nordens mit erneuerbarer Energie zu betreiben. Und sie verwenden nur groben Sand sowie ein wenig Metall für Rahmen und Rohrleitungen.

Quelle: Polar Night Energy

Eine ähnliche Wärme­batterie wird von Rondo Energy konzipiert, mit Ziegeln, die bis zu 1.500 °C erhitzt werden können und die Wärme für industrielle Prozesse wie Zement‑ oder Stahlproduktion nutzen.

Diese Wärme­batterien funktionieren gut, wenn das gewünschte Produkt von vornherein erhitzt werden muss, sei es Fernwärme für Wohnungen oder industrielle Wärme.

Quelle: Rondo Energy

Allerdings galten Wärme­batterien lange als ungeeignet, um Energie ins Netz einzuspeisen, da die Effizienz der Rückumwandlung von Wärme in Strom meist nur im niedrigen Bereich von 20‑30 % liegt. Das würde bedeuten, dass bis zu vier Fünftel der „gespeicherten“ Energie tatsächlich verloren gehen. Anders ausgedrückt: Die gespeicherte Energie ist plötzlich fünfmal teurer als bei ihrer Erzeugung.

Selbst wenn Solarenergie heute mit fossiler Energie gleichzuziehen vermag, ist sie noch lange nicht fünfmal günstiger. Dieses Problem könnte jedoch nur vorübergehend sein, dank Innovationen in einer Technologie namens Thermophotovoltaik.

Thermophotovoltaik‑Zellen – Photovoltaik, aber mit Wärme

Thermophotovoltaik ist die Idee, Strom ähnlich wie bei herkömmlichen Photovoltaik‑Modulen zu erzeugen, jedoch mit Wärme statt Sonnenlicht – genauer gesagt mit Infrarotlicht, das von erhitzten Materialien ausgestrahlt wird.

In einem herkömmlichen Photovoltaik‑Panel wird jedes Licht mit einer Frequenz unterhalb einer bestimmten Schwelle nicht energetisch genug sein, um einen Strom zu erzeugen, und geht somit verloren. Das gilt für das gesamte Infrarotlicht, da die elektromagnetischen Wellen des Infrarots zu wenig Energie besitzen.

Dies ist an sich keine neue Technologie, doch sie litt stets unter zu niedrigen Wirkungsgraden, um breit eingesetzt zu werden. Das änderte sich erst durch den jüngsten Durchbruch von Forschern der University of Michigan, die ihre Ergebnisse in einer wissenschaftlichen Veröffentlichung mit dem Titel „High‑efficiency air‑bridge thermophotovoltaic cells“ präsentierten.

Sie geben an, einen Rekordwirkungsgrad von 44 % bei Temperaturen unter 1.500 °C erreicht zu haben – deutlich höher als frühere Ergebnisse, die maximal 37 % erzielten.

Und die Forscher glauben, dass sie in nicht allzu ferner Zukunft 50 % erreichen können.

Quelle: Cell

Wie funktionieren Thermophotovoltaik‑Zellen?

Zunächst muss das Speichermaterial – das Stein, Sand, Kohlenstoff, Ziegel, Keramik usw. sein kann – erhitzt werden, entweder mit überschüssigem Strom aus erneuerbaren Quellen oder direkter Sonnenwärme.

Bei 1.435 °C haben etwa 20‑30 % der Infrarot‑Photonen, die das Material emittiert, genug Energie, um in den Thermophotovoltaik‑Zellen des Forscherteams Strom zu erzeugen.

Quelle: Design Boom

Die übrigen Infrarot‑Frequenzen konnten mit dem in den Thermophotovoltaik‑Paneelen verwendeten Halbleiter nicht in Strom umgewandelt werden.

Wie haben sie also von 44 % dorther gekommen? Der geniale „Trick“ bestand darin, eine dünne Luftschicht direkt über dem Halbleiter und einen Gold‑Reflektor hinter dieser Luftschicht anzubringen.

Damit wurden die Photonen mit der richtigen Energiemenge eingefangen und konnten Strom erzeugen. Die übrigen Photonen wurden zurück zum erhitzten Material geschickt, wo sie das Material erneut erwärmten und eine zweite Chance erhielten, mit der richtigen Lichtfrequenz zur Thermophotovoltaik‑Zelle zu gelangen.

Im Wesentlichen ermöglicht dies der Zelle, das, was beim ersten Durchlauf nicht erfasst wurde, zu recyceln und so den Gesamteffizienz‑Umwandlungsgrad zu steigern.

Zukünftige Wärme­batterien

Ein Wirkungsgrad von 44 % oder sogar 50 % mag im Vergleich zu Pumpspeicher (70‑85 %) oder Lithium‑Ion‑Batterien (85‑95 %) nicht besonders beeindruckend wirken.

Quelle: EESI

Doch das würde ignorieren, dass die massenhafte Einführung von Energiespeichern im Versorgungsmaßstab ebenso stark von ökonomischen Faktoren wie von der Technologie abhängt.

Batterien haben eine Lebensdauer von einigen Jahren, bevor sie recycelt werden müssen. Zudem gibt es schlicht nicht genug Lithium und noch weniger Kupfer, Nickel oder Kobalt, um sie in diesem Ausmaß zu produzieren – besonders da ein Großteil dieser Metalle bereits für Elektrofahrzeuge benötigt wird.

Im Gegensatz dazu können Wärme­batterien Jahrzehnte halten und benötigen kaum Wartung. Sie benötigen fast kein Material außer Gestein, Sand oder Ton. Sie können überall und in jeder Größe gebaut werden, sogar wirklich gigantisch, und haben fast keinerlei Auswirkungen auf Ökosysteme – im Gegensatz zu Wasserkraft.

Schließlich ist Wärme eine der effizientesten Methoden, wenn Energie über Wochen und Monate gespeichert werden muss, wobei praktisch alle Batterietypen über die Zeit hinweg „lecken“ und dabei viel höhere Verluste aufweisen als ein gut isoliertes Wärmespeichersystem.

„Es ist eine Form von Batterie, aber eine sehr passive. Man muss kein Lithium abbauen, wie man es bei elektrochemischen Zellen tut, was bedeutet, dass man nicht mit dem Markt für Elektrofahrzeuge konkurrieren muss.

Im Gegensatz zu gepumptem Wasser für Wasserkraftspeicher kann man sie überall aufstellen und benötigt keine nahegelegene Wasserquelle,“

Stephen Forrest, Universitätsprofessor für Elektrotechnik an der U‑M

Insgesamt kann eine Wärme­batterie also die perfekte Energiespeicherlösung sein, um die Intermitenz erneuerbarer Energien zu glätten. Sie kann überschüssige Energie aus windigen oder sonnigen Monaten für den Winter in gemäßigten Klimazonen oder für die Regenzeit in tropischen Klimazonen speichern.

Wärmespeicherung / Thermophotovoltaik‑Unternehmen

1. II-VI Marlow / Coherent

II-VI (COHR ) Marlow ist ein Zweig von II-VI Inc., einem Branchenführer im (derzeit noch recht kleinen) Bereich der Produktion von thermophotovoltaischen Zellen. Im Jahr 2022 erwarb II-VI Inc. den Laserhersteller Coherent Inc. (COHR ) und änderte anschließend seinen Firmennamen.

Das Unternehmen ist Experte für fortschrittliche Materialien, die in Lasern, Optik und Photonik verwendet werden, wie Indiumphosphid, epitaktische Wafer und Galliumnitrid. Es wuchs größtenteils dank zahlreicher Übernahmen im letzten Jahrzehnt.

Quelle: Coherent

Die thermophotovoltaische Tätigkeit des Unternehmens macht nur einen kleinen Teil seines Gesamtumsatzes aus, während Glasfaser, Laser und andere Produkte den Großteil der Einnahmen ausmachen. Das könnte jedoch gute Nachrichten für Investoren sein, da es bedeutet, dass das Unternehmen das Kapital hat, neue Technologie schnell im industriellen Maßstab einzuführen, wenn Innovationen neue Märkte eröffnen.

Quelle: Coherent

Zum Beispiel der massive Markt für Versorgungs‑speicher von überschüssiger erneuerbarer Energie…

Da die University of Michigan „Patentschutz beantragt (…) und nach Partnern sucht, um die Technologie auf den Markt zu bringen“, wäre es nicht überraschend, wenn ein Unternehmen wie Coherent die neuen thermophotovoltaischen Zellen auf den Markt bringen würde. Besonders angesichts seiner bereits bestehenden Expertise in der industriellen Produktion von Thermophotovoltaik und ähnlichen fortschrittlichen Materialien.

2. Sumitomo Electric Industries (SMTOY)

Die von den Forschern der University of Michigan verwendeten thermophotovoltaischen Zellen wurden mit InGaAsP (Indium‑Galliumnitrid‑Phosphid) hergestellt.

„Wir untersuchen, ob die Übertragung der Air‑Bridge‑Architektur von ternären auf quartäre Gruppe‑III‑V‑Absorber (InGaAsP, lattice‑angepasst an InP‑Substrate) die Effizienz im Ziel‑Temperaturbereich des Emitters steigern kann.“

Wenn diese Technologie zum Standardformat für Versorgungs‑speicher wird, benötigen wir InGaAsP – und zwar in großen Mengen.

Daher wäre es sinnvoll, in dem Unternehmen zu setzen, das seit 30 Jahren als Marktführer in der Produktion von InGaAsP gilt, das japanische Konglomerat Sumitomo.

Seit über 30 Jahren hält die Halbleitersparte von Sumitomo Electric ihre Führungsposition als weltweit größter Hersteller von Galliumnitrid (GaAs) und Indiumphosphid (InP) auf.

Der Name Sumitomo ist synonym für Qualität im Bereich III‑V‑Materialien. Sumitomo Electric hat diesen Ruf erlangt, indem es seinen globalen Kunden hochwertige Substrate liefert, die zu höheren Erträgen und Geräten mit konsistenten elektrischen Eigenschaften führen.

Sumitomo Compound Semiconductor – Über uns

Sumitomo Electric Industries, und seine Abteilung für Compound‑Halbleiter, ist der Zweig des größeren Sumitomo‑Konglomerats, eines der weltweit größten sōgō shōsha (Allgemeine Handelsunternehmen).

Neben InGaAsP besteht die Haupttätigkeit von Sumitomo Electric Industries in der Produktion von:

• Telekommunikations‑ausrüstung (Glasfaser, 5G)
• Automobilverkabelung und Hochleistungskabel
• Elektronik (flexible Leiterplatten, Datenleitungen, Filtermembranen)
• Hochwertigen Materialien (Karbid, Schneidwerkzeuge, vorgespanntes Stahldrahtseil).

Quelle: Sumitomo

Die Expertise in der Massenproduktion hochwertiger Materialien, die Führungsposition in der InGaAsP‑Produktion und die geschäftlichen Verbindungen, die mit der Zugehörigkeit zu einem sōgō shōsha / allgemeinen Handelsunternehmen einhergehen, sollten sicherstellen, dass Sumitomo Electric Industries einer der Hauptprofiteure einer massenhaften Einführung von Thermophotovoltaik wird.

Das Wachstum sollte zudem gut für die Telekommunikation (Digitalisierung, KI) und die zugehörigen Produkte von Elektrofahrzeugen (Kabel, Leitungen) sein, die beide boomende Sektoren darstellen.