Nicht-chemische Alternativen zu Batterien für die Energiewende

Sind Batterien die richtige Idee?

Der bevorzugte Ansatz, fossile Brennstoffe aus industrialisierten Volkswirtschaften zu entfernen, war die Elektrifizierung. Das Ziel ist, ICE (Internal Combustion Engine) Fahrzeuge durch EVs (Electric Vehicles) zu ersetzen und Wärme mit Wärmepumpen anstelle von Verbrennung zu erzeugen. Es ist etwas, das wir in unserem Artikel „The Future of Mobility – Battery Tech“ im Detail untersucht haben.

Das Problem ist, dass diese Veränderung tatsächlich “grün” sein kann, wenn der Strom aus erneuerbaren oder nachhaltigen Quellen stammt – was je nach Gesprächspartner auch Kernenergie einschließen kann.

In beiden Fällen führen die Schwankungen der Stromnachfrage im Tages- und Jahresverlauf dazu, dass viel Reservekapazität gebaut werden muss, die die meiste Zeit ungenutzt bleibt. Das gilt besonders für erneuerbare Energien, da Solarenergie in kalten und bewölkten Wintern unterdurchschnittlich liefert und der Wind wochenlang aussetzen kann.

Daher besteht ein dringender Bedarf an langfristiger Energiespeicherung. Eine Lösung können großtechnische Batterien sein, die neue Chemien mit geringeren Kosten oder anderen Vorteilen nutzen. Das haben wir in unserem Artikel „The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech“ ausführlich untersucht. Eine weitere Option ist die Herstellung einer flüssigen Brennstoffform, die gelagert werden kann, bis sie benötigt wird, zum Beispiel flüssiger Wasserstoff oder flüssiges Ammoniak, worüber wir in den Artikeln „The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks“ & „Algal Biofuel: The Next Energy Revolution?“ berichtet haben.

Aber was, wenn die richtige Methode, Energie für Tage, Wochen, Monate oder sogar Jahre zu speichern, nicht Batterien sind? In diesem Artikel betrachten wir alle nicht‑chemischen Optionen zur Energiespeicherung.

Komprimierte Luft

Die Vorteile von komprimierter Luft

Das Komprimieren von Luft erfordert viel Energie. Diese Energie kann teilweise zurückgewonnen werden, wenn die gespeicherte Luft wieder entspannt wird.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Technik ist, dass sie nur mechanische Bauteile wie Rohre, Pumpen und Tanks verwendet, die lediglich einfache Materialien wie Stahl benötigen, anstatt seltener Rohstoffe wie Seltene Erden, Kobalt, Lithium usw. Sie könnte sogar auf ein erschöpftes Erdgasreservoir zurückgreifen, das einen absolut riesigen “Tank” zu sehr geringen Kosten bietet. Und natürlich ist Luft überall völlig kostenlos und verfügbar.

Quelle: Electricity Forum

Ein weiterer Vorteil ist, dass das Komprimieren von Luft eine gut verstandene Technologie ist, mit einer sehr etablierten Lieferkette, die bei Bedarf schnell skaliert werden kann. Es ist zudem ein System, das Energie über sehr lange Zeiträume mit kaum oder keinen Verlusten speichern kann.

Die Nachteile von komprimierter Luft

Ein zentrales Problem bei der Effizienz von komprimierter Luft ist ein physikalisches Phänomen, das beim Komprimieren jedes Gases auftritt. Während der Kompression entsteht Wärme. Diese Wärme muss in der Regel abgeführt werden, um Schäden am Kompressionssystem zu vermeiden, was zu Energieverlusten führt. Beim Entspannen kühlt die Luft ebenfalls ab und erfordert häufig Aufwärmsysteme.

30‑40 % der Energie können dadurch verloren gehen. Bei weniger effizienten Designs kann es sogar noch schlechter sein. Bisher wurde die beste Effizienz im großen Maßstab in China mit 30 % Verlusten erreicht, bei dem 400 MWh‑Werk Zhangjiakou, entworfen von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.

Während komprimierte Luft also eine akzeptable Option für kostengünstige Langzeitspeicherung zwischen den Jahreszeiten sein könnte, sind die unvermeidlichen Verluste von über 30 % ein wirtschaftlicher Nachteil. Nur wenn die bei der Kompression erzeugte Wärme in einem anderen Prozess recycelt werden könnte, würden diese Systeme wirklich effizient werden.

Gravitationsbatterien

In der Physik gilt jedes nach oben gehende Objekt als das eine höhere Lageenergie erwirbt. Diese Energie manifestiert sich als Abwärtsbewegung, sobald das Objekt wieder nach unten darf. Aus dieser Tatsache entstand die Idee, Gravitation zur Energiespeicherung zu nutzen.

Pumpspeicherkraftwerk

Dies ist heute die am häufigsten genutzte Form der großtechnischen Energiespeicherung und machte 2020 laut der Department of Energy Global Energy Storage Database 90 % der weltweiten Netzspeicherkapazität aus.

Die Stromerzeugung aus Wasserkraft nutzt das Energiepotenzial des Wassers aus Niederschlägen, speichert es hinter Staudämmen und lässt es zur Stromerzeugung wieder fließen. Beim Pumpspeicher wird Strom verwendet, um das Wasser wieder nach oben zur Wasserkraftanlage zu pumpen.

Der Speichersee kann auch ausschließlich zum Zweck der Pumpspeicherung gebaut werden und benötigt lediglich ein hügeliges Gelände im Vergleich zu großen Wasserkraftwerken, die oft bergiges Terrain erfordern. Alternativ kann auch ein unterirdisches Reservoir genutzt werden.

Quelle: Energy.gov

Die Energieverluste liegen in der Regel im Bereich von 20‑30 %. Die Speicherung kann mehrere Monate mit begrenzten Verlusten dauern, zumindest in Regionen, die nicht zu heiß sind. Der Kapitalbedarf kann recht hoch sein, aber Pumpspeicherkraftwerke sind zudem extrem langlebig.

Eine faszinierende Idee, die nur diskutiert, aber nie im großen Maßstab getestet wurde, besteht darin, mittels Elektrolyse das Wasser in niedrigerer Höhe in Wasserstoff umzuwandeln. Dieser Wasserstoff, leichter als Luft, wird dann “energie‑frei” nach oben gepumpt. Anschließend wird er wieder zu Wasser reformiert (ein Teil der für die Elektrolyse verbrauchten Energie wird zurückgewonnen). Dieses Wasser erzeugt dann erneut Strom, wenn es durch eine Wasserturbine nach unten fließt.

Obwohl die Gesamteffizienz potenziell deutlich besser als bei Pumpspeicherkraftwerken sein könnte, könnte die erforderliche Größe der Elektrolyseure das System weiterhin recht teuer machen.

Beton-/Felsenergiespeicherung

Wasser ist nicht das einzige, was mit Hilfe der Schwerkraft gespeichert werden kann, um Energie zu akkumulieren. Auch Felsen, Betonblöcke und andere ultrasche schwere Objekte können verwendet werden.

In diesem Fall ist die benötigte Technologie sogar einfacher als bei Pumpspeicherkraftwerken, da sie hauptsächlich auf Kranen und Generatoren zur Energiespeicherung und -rückgewinnung beruht. Kräne und Felsen sind ebenfalls keine seltenen Materialien.

Der große Vorteil dieser Systeme ist ihre Effizienz. Der Großteil der Energieverluste bei Pumpspeicherkraftwerken entsteht durch Turbulenzen im Wasser, die die Pumpeneffizienz mindern. Im Gegensatz dazu können Kräne und Seile Verluste von nur 15 % (ein Viertel weniger als bei Pumpspeicherkraftwerken) erreichen.

Derzeit setzen die Unternehmen Gravitricity und Energy Vault (NRGV ) (NYSE – NRGV) diese Konzepte um.

Gravitricity recycelt aufgegebene Bergwerkschächte, um bereits vorhandene, leicht handhabbare Schächte von mehreren hundert Metern Tiefe zu nutzen und damit Energie mit seinem GraviStore‑System zu speichern.

Energy Vault hingegen strebt dedizierte Bauwerke an, bei denen Blöcke je nach Energiebedarf auf- und abwärts bewegt werden.

Mit Hunderttausenden von Bergwerken weltweit könnte dies ein viel größeres Potenzial haben, als viele annehmen, und von der bereits vorhandenen Infrastruktur profitieren. Das Unternehmen prüft eine Partnerschaft mit dem schwedischen Industrie‑Riesen ABB, um die Technologieentwicklung abzuschließen und Zugang zum riesigen Kundenstamm von ABB im Bergbausektor zu erhalten.

Quelle: ABB

Die Einschränkung der “soliden Energiespeicherung” mittels Gravitation besteht darin, dass die auf nur wenigen Dutzend oder Hundert Metern gespeicherte Energie nicht sehr groß ist. Eine Möglichkeit besteht darin, einfach genug davon zu haben, etwa Hunderttausende von Bergwerkschächten wie bei Gravitricity oder massive dedizierte “Lagerhäuser” wie bei Energy Vault.

Eine weitere Option besteht darin, viel größere Tiefen zu nutzen. Dafür eignen sich Tiefseegräben in Küstennähe. Eine schwimmende Plattform könnte über einem solchen Gebiet stehen und ein Gewicht über mehrere tausend Meter heben oder senken. Dieses Konzept heißt Deep Ocean Gravitational Energy Storage (DOGES). Ein Unternehmen, das an diesem Konzept arbeitet, ist das französische Startup Sink Float Solutions.

Quelle: SinkFloatSolutions

Sink Float Solutions behauptet ein Potenzial von bis zu 80 % Effizienz und sehr niedrigen Kosten.

„Derzeit können Offshore‑Krane mit der größten Tragfähigkeit Massen von 4000 t heben, was bei einer vertikalen Geschwindigkeit von 20 km/h einer Leistung von 200 MW entspricht. Mehrere Winden am selben Standort können parallel eingesetzt werden.“

Die tatsächliche Wirtschaftlichkeit dieser Systeme hängt stark von ihrer Haltbarkeit ab, wobei die Korrosion der mechanischen Teile durch Salzwasser das Hauptproblem darstellt.

Sand‑/Wärmebatterien

Viel Strom wird verwendet, um Wärme zu erzeugen, entweder für industrielle Zwecke oder um Häuser und Wohnungen im Winter zu heizen. Anstatt Strom wie eine chemische Batterie zu speichern, versucht eine Sandbatterie, Wärme direkt zu speichern.

Die Idee ist, ein großes Silo (wie für Getreide) zu bauen, es mit Sand zu füllen und zu isolieren. Der Sand wird dann auf 400 °C erwärmt. Da Sand eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit und gleichzeitig eine hohe Wärmekapazität besitzt, kann er sehr viel Energie speichern. Er ist zudem sehr beständig und erleidet selbst bei solch hohen Temperaturen keine Schäden.

Quelle: Polar Night Energy

Dieses Konzept beruht auf sehr einfacher Technologie, mit Standardrohren, Luftpumpen, elektrischem Widerstand, Stahl und minderwertigem Sand, der nicht für Anwendungen wie Beton verwendet werden kann.

Der Vorreiter dieser Technologie ist das finnische Unternehmen Polar Night Energy. Dieses Konzept funktioniert besonders gut in nordischen Ländern mit bereits bestehender “district heating”, bei der heißes Wasser für Heizkörper zentral für Hunderte oder Tausende von Wohnungen erzeugt wird. Das ist insbesondere in Skandinavien, Deutschland und den meisten osteuropäischen sowie ehemaligen Sowjetstaaten der Fall.

Da die Energieverluste minimal sind, kann die Energie während der langen sonnigen Sommermonate (die in Finnland 20‑24 Stunden pro Tag dauern können) akkumuliert werden. Die überschüssige Photovoltaikproduktion kann so gespeichert werden, um das Land im Winter zu wärmen und den saisonalen Anstieg des Strombedarfs durch Heizung zu reduzieren.

Man könnte sich vorstellen, dass weitere Varianten des Konzepts Gewächshäuser wärmen oder auf thermische Solarsysteme zurückgreifen.

Ein ähnliches Konzept einer “Wärmebatterie” wird ebenfalls von Rondo Energy entwickelt. Diese Ziegel können bis zu 1500 °C erhitzt werden. Aufgrund der höheren Temperatur könnte diese Anwendung nicht nur für Fernwärme, sondern auch für industrielle Anwendungen wie Zementproduktion, Metallurgie, Chemie oder Bergbau nutzbar sein.

Quelle: Rondo Energy

Unterdessen arbeitet das Unternehmen Stiesdal ebenfalls an einer Wärmebatterie, die zerkleinerte Gesteine nutzt. Die Netzspeicherkapazität wird voraussichtlich zwischen 10 Stunden und 10 Tagen liegen.

Zuletzt entwickelt der riesige Zementhersteller Holcim ebenfalls eine Lösung, die auf Zement basiert, welcher Wärme speichert, wenn er trocken ist, und sie bei Hydratation wieder freisetzt. Da der Zyklus unendlich wiederholbar ist, sollte er über einen langen Zeitraum zu geringen Kosten führen.

Dies ist darauf ausgelegt, überschüssige Wärme in einer industriellen Anlage zu speichern. Vielleicht könnte es als Ergänzung zu einer Kompressionsanlage dienen und den Verlust durch das Aufheizen der Luft beim Komprimieren reduzieren.

Mit 300 kW Energie pro Kubikmeter Dichte könnte es mit einigen tausend Tonnen relativ günstigem und reichlich vorhandenem Zement viel Leistung speichern. Das Konzept, das erst 2022 vorgestellt wurde, befindet sich derzeit in der Entwicklung.

Schwungräder

Eine weitere Möglichkeit, Energie zu speichern, besteht darin, sie in Form mechanischer Bewegung zu halten. Schwungräder sind Geräte, die Energie speichern, indem ein mechanisches Rad im Vakuum auf einem Magnetlager rotiert, mit Geschwindigkeiten von bis zu 20.000 bis 50.000 Umdrehungen pro Minute. Das System kann Energie speichern oder zurückgeben, indem das Schwungrad beschleunigt oder verlangsamt wird.

Der Hauptvorteil dieser Systeme ist, dass sie in wenigen Millisekunden sehr schnell reagieren. Sie können nicht nur Energie speichern, sondern auch dazu beitragen, die Frequenz des Stromnetzes zu stabilisieren – etwas, das ohne massive zentrale Kraftwerke wie Kohle-, Gas- oder Kernkraftwerke schwer zu erreichen ist.

Unternehmen wie Siemens Energy haben Pilotprojekte mit Schwungrädern durchgeführt, zum Beispiel in Südaustralien (ENR.SW ) (ENR.DE ).

Weitere Start‑ups arbeiten ebenfalls an diesem Konzept, wie Stornetic, mit einem System, das mindestens 20 Jahre halten und 100.000 Lade‑/Entladezyklen erreichen soll.

Quelle: Stornetic

Ein weiteres Unternehmen ist S4 Energy, mit 60 MWh in Betrieb oder im Bau und einer Pipeline von 1.050 MWh. Die Reaktivität des Schwungrads kann auch dazu beitragen, einige Vorgänge effizienter zu gestalten, wenn es zu Leistungsspitzen kommt, etwa bei den Kranen im Hafen von Rotterdam, wo ein Schwungrad die Energie zurückgewinnt, wenn eine Last abgesenkt wird. Das Schwungrad des Unternehmens, KINEXT, ist besonders schwer (5 t) und bewegt sich relativ langsam (“nur” 1.800 Umdrehungen pro Minute), was es sehr langlebig, kostengünstig im Betrieb und leicht wartbar macht. Das Schwungrad hat nur 8 % Verluste der gespeicherten Energie, was leicht besser ist als bei Lithium‑Ion‑Batterien.

Obwohl sehr effizient und reaktiv, ist die insgesamt gespeicherte Energie eines Schwungrads im Vergleich zu anderen Lösungen bei deren Kosten geringer, sodass sie wahrscheinlich auf Nischenanwendungen und die Stabilisierung der Netzfrequenz beschränkt bleiben.

Thermische Solarenergie

Photovoltaik‑Module wandeln Sonnenstrahlen direkt in Strom um. Im Vergleich dazu sammelt ein solarthermisches Kraftwerk die Wärme der Sonne und konzentriert sie, um Strom zu erzeugen. Da Wärme mit gewisser Trägheit leichter zu speichern ist, können solche Solaranlagen noch viele Stunden nach Sonnenuntergang Strom produzieren, genau dann, wenn der Energieverbrauch seinen Höhepunkt erreicht.

Diese Idee, die angesichts der steigenden Effizienz von Photovoltaik‑Modulen an Popularität verlor, könnte jetzt ein Comeback erleben, da die Intermittenz erneuerbarer Energien ein größeres Problem darstellt, je stärker sie im Strommix vertreten sind.

Quelle: Energy.gov

Obwohl vielversprechend, ist dieses Konzept historisch von hohen Kosten geplagt. Die Übertragung der Wärme vom Kollektor zum Generator hat sich als schwierig erwiesen, wobei gefährliche Hitze und Abfallwasserstoff entstehen. Ein weiteres Design mit geschmolzenen Salzen litt unter Lecks und Zuverlässigkeitsproblemen.

Es ist zudem problematisch für die Tierwelt, da Vögel regelmäßig durch die unsichtbaren und stark konzentrierten Sonnenstrahlen verbrannt werden können.

In Zukunft könnten weniger massive und damit weniger ökologisch störende Designs die konzentrierte Solarenergie wieder in den Fokus rücken.