Vulkanstein und Salz als Energiespeicher

Die erste Pilotanlage eines elektrothermischen Wärmespeichers befindet sich in Hamburg (© Siemens Gamesa).

Auf den ersten Blick überrascht es, dass Siemens Gamesa einen Energiespeicher auf Wärmebasis entwickelt hat. Bei dem zweitgrößte Turbinenhersteller der Welt denkt man eher an Wind, luftige Höhen und viel Stahl und nicht an Heißluft, Dampfturbinen und Vulkansteine. Auf dem zweiten Blick macht das durchaus Sinn, denn das Unternehmen weiß, dass der Ausbau der stark schwankenden Windenergie durch leistungsfähige und kostengünstige Speicher flankiert werden muss.

Aber der Reihe nach. Im Hamburger Hafen betreibt Siemens Gamesa seit Mitte Juni die weltweit erste Pilotanlage eines elektrothermischen Wärmespeichers (ETES). Diese neuartige Technologie basiert auf Gestein als Energiespeicher, besser gesagt auf 1.000 Tonnen Vulkangestein. Der Wärmespeicher funktioniert so: Strom treibt eine Widerstandsheizung und ein Gebläse an, also eine Art „riesiger Fön“. Der so erzeugte Heißluftstrom erhitzt das Vulkangestein auf rund 750 Grad Celsius. Strom wird also in Wärme umgewandelt, die Energie kann bis zu einer Woche gespeichert werden.

Bei Bedarf wird die Hitze genutzt, um eine Dampfturbine anzutreiben und so Strom zu erzeugen. Der ETES kann laut Unternehmensangaben rund 130 Megawattstunden thermische Energie speichern, damit lassen sich gut 12.000 Haushalte einen Tag lang mit Strom versorgen. Mit dem Pilotprojekt, dessen Entwicklung rund 29 Millionen Euro gekostet hat, will Siemens Gamesa die Technologie erproben. Projektpartner sind der Energieversorger Hamburg Energie und die Technische Universität Hamburg (TUHH).

„Wir wollen große Energiemengen kostengünstig speichern und über viele Stunden wieder ins Netz einspeisen. Bei großskaligen Anwendungen rechnen wir mit einem Wirkungsgrad von 45 Prozent“, erklärte Maximilian Schumacher, verantwortlich für das Business Development von Großspeichern bei Siemens Gamesa, gegenüber dem Handelsblatt. Nach einer erfolgreichen Testphase sollen in absehbarer Zeit die Speicherkapazität und die Leistung deutlich erhöht werden, auf mehrere Gigawattstunden. Zur Einordnung: Eine Gigawattstunde entspricht dem täglichen Stromverbrauch von circa 50.000 Haushalten.

Nanobeschichtetes Salzkorn (© SaltX Technology)

Nicht auf Vulkangestein, sondern auf Salz setzt Vattenfall. Der Energieversorger erprobt in einer Versuchsanlage in Berlin wie sich überschüssiger Strom aus regenerativen Quellen speichern lässt. Der Vorteil von Salz ist: Es kann bis zu zehnmal mehr Energie aufnehmen als beispielsweise Wasser und hat daher großes Potential als Speichermedium.

In der Pilotanlage im Heizkraftwerk Reuter wird allerdings kein herkömmliches Kochsalz verwendet, sondern speziell behandelte Körner. Das schwedische Unternehmen SaltX, das auch Partner in dem Projekt ist, hat eine Technologie entwickelt, die es ermöglicht, jedes Salzkorn mit einer besonderen Nanoschicht zu umhüllen. Durch die besondere Beschichtung kann das Salz laut Unternehmensangaben tausende Male ge- und entladen werden, ohne seine Eigenschaften zu verlieren.

Das Grundprinzip des Wärmespeichers ist relativ simpel: Feuchtes Salz wird zum Kochen gebracht und so vom Wasser getrennt (Dehydrierung). Für diesen Trocknungsprozess wird Überschussstrom genutzt. Die Energie wird also in chemischer Form gespeichert. Um die gespeicherte Energie aus dem getrockneten Salz wieder freizusetzen, müssen sich beide Stoffe, Salz und Wasser, wieder miteinander verbinden (Hydrierung).

In der Pilotanlage wird anstatt Wasser Wasserdampf eingesetzt, denn anders als herkömmliches Speisesalz, nimmt das nanobeschichtete und dadurch wasserabweisende Salz Wasser nicht auf. Durch den Wasserdampf wird das Calciumoxid zu Calciumhydroxid umgewandelt, dabei entsteht eine Temperatur von 550 Grad Celsius im Salz. Mit der freigesetzten Energie kann mittels Wärmetauscher heißes Wasser in das Berliner Fernwärmenetz eingespeist werden. Eine andere Möglichkeit: So erzeugter Wasserdampf könnte zur Stromerzeugung eine Turbine antreiben.

Ein großer Vorteil dieses Verfahrens: Nicht die Wärme, sondern der chemische Prozess wird gespeichert. Solange dieser nicht durch Wasserdampf ausgelöst wird, kann die darin enthaltene Energie unbegrenzt lange und in großen Mengen gespeichert werden. Laut Vattenfall verfügt die Pilotanlage, die aus zwei parallelen Strängen besteht, über eine Gesamtleistung von fünf Megawatt und enthält pro Strang 15 Kubikmeter Salz. Im März wurde sie im Betrieb genommen, der Testbetrieb soll mehrere Monate laufen.

Schematische Darstellung des Umbaus eines Kohlekraftwerks zu einem Wärmespeicherkraftwerk (© RWE).

Auch RWE arbeitet an einer Möglichkeit, überschüssigen Strom aus Windparks und Solaranlagen in großem Umfang zu speichern. Zusammen mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie der Fachhochschule Aachen entwickelt RWE Power im Gemeinschaftsprojekt „StoreToPower“ ein Wärmespeicherkraftwerk im Rheinischen Revier, und zwar am Standort eines Kohlekraftwerkes.

Ähnlich dem Pilotprojekt in Hamburg wird auch beim Wärmespeicherkraftwerk Salz eingesetzt. Es handelt sich allerdings nicht um extra beschichtetet Salzkörner, sondern um flüssige Salzschmelze. Mit überschüssigem Strom aus Erneuerbaren wird das Flüssigsalz in einem elektrischen Erhitzer auf eine Temperatur von bis zu 560 Grad Celsius erhitzt und dann über Rohre in einen großen Tank geleitet, wo es bis zu 24 Stunden verlustfrei gespeichert wird.

Wird zusätzlicher Strom benötigt, wird das heiße Flüssigsalz in einen Dampferzeuger geleitet. Dort erhitzt das Flüssigsalz Wasser, das aus dem Kreislauf des Kohlekraftwerkes stammt. Der so erzeugte Dampf wird zur Stromerzeugung in den Turbinenkreislauf des Kraftwerkblocks eingespeist. Somit ersetzt er einen Teil der ansonsten mit Kohle erzeugten Dampfmenge. Das immerhin noch rund 290 Grad heiße Flüssigsalz wird in den ersten Salztank gepumpt und so lange gelagert, bis es wieder gebraucht wird.

Auch die Politik unterstützt das Pilotprojekt. So wurde es vom Bundeswirtschaftsministerium im Ideenwettbewerbs „Reallabore der Energiewende“ ausgewählt. Mit diesem Wettbewerb will die Bundesregierung die Erprobung zukunftsfähiger Energietechnologien unter realen Bedingungen im industriellen Maßstab fördern und so die Transformation des Energiesystems beschleunigen. Das geplante Wärmespeicherkraftwerk gehört zu den 20 Gewinnern.