Heiße Steine speichern Windstrom

Dass ein Sturmtief auch Positives bewirken kann, zeigte sich am 1. Dezember 2016. Die Unwetter­front „Theresa“ sorgte dafür, dass deutsch­landweit zeitweise mehr als 31.000 Megawatt Windstrom ins Netz eingespeist wurden. Da an wind­armen Tagen der Strom­ertrag ganz anders aussieht, entstehen Fluktua­tionen, die ausgeglichen werden müssen, um die Netz­stabilität zu sichern. Hierfür werden Speicher­techno­logien immer wichtiger.

Future Energy Solution, kurz FES genannt, heißt eine neue Energie­speicher­lösung, die Siemens mit der Tech­nischen Univer­sität Hamburg-Harburg und dem Energie­versorger Hamburg Energie im Rahmen des vom Bundes­wirtschafts­ministerium geför­derten Projektes „Future Energy Systems“ entwickelt. Die in Hamburg instal­lierte groß­technische Demonstrations­anlage eines Energie­speichers kann Windstrom über einen Zeitraum von mehreren Stunden bis zu einem Tag speichern. Mit einer solchen Anlage soll das Problem gelöst werden, wie sich von Wind­turbinen erzeugte Energie kosten­günstig zwischen­speichern lässt, sofern sie im Stromnetz nicht gebraucht wird oder wegen Über­lastung nicht trans­portiert werden kann.

In der Anlage wird über­schüssige Wind­energie in Wärme umge­wandelt, die in eine mit einem Isolier­mantel geschützte Stein­schüttung geleitet wird. Dabei erhitzen sich die Steine auf Tempera­turen von über 600 Grad Celsius. Besteht Bedarf an der ge­speicherten Energie, wird ein Luftstrom über die Steine geleitet und erhitzt, um damit einen Dampfkreis zu betreiben. Somit entsteht erneut Strom. Der einfache Aufbau mit Natur­steinen ist kostengünstig und macht den Wärme­speicher zu einer äußerst wirt­schaftlichen Lösung. Er könnte sich zu einer idealen Ergänzung bereits bestehender Speicher­technologien für die Energie­wende entwickeln.

Seit 2016 untersuchten Siemens-Ingenieure in einer Tes­tanlage in Erlangen detailliert den Wärme­transport innerhalb der Stein­schüttung. „Der thermische Speicher ist das Herzstück der Hamburger Anlage“, sagt Projekt­leiter Vladimir Danov. „Um ihre Gesamt­effizienz zu erhöhen und die Anlage auch im Kraftwerks­maßstab bauen zu können, ist es besonders wichtig, die Wärme­transport­phänomene im Speicher zu verstehen.“ Danov und sein Team interes­sieren sich für die Strömungs- und Wärme­verteilung, deren Schwankungen sowie die Verluste des Energie­speichers. Denn je genauer sie den Wärme­transport in der Schüttung nachvoll­ziehen können, desto besser lässt sich der Wärme­speicher an die Erfor­dernisse der Gesamt­anlage anpassen.

Die etwa fünf Meter lange Anlage ist in einem Container verbaut. Statt Steinen lagern zu Test­zwecken Keramik­kugeln in dem Speicher – rund 13.000 Stück. „Ihr Vorteil: Sie haben alle die gleiche Größe und Form, sodass der Wärme­transport und die Vorgänge in der Schüttung leichter zu berechnen sind“, erklärt Danov. „Keramik­kugeln verwenden wir aber nur in der aktuellen Testphase“, erklärt der Projektleiter. „Im nächsten Schritt füllen wir den Speicher mit Natur­steinen, um den Einfluss unregel­mäßiger Formen und ver­schiedener Stoff­daten auf den Wärme­transport zu unter­suchen.“ Für die groß­technische Umsetzung kommen Keramik­kugeln somit nicht in Frage – sie sind schlichtweg zu teuer. Die Forscher suchen derzeit noch nach dem idealen Gestein, haben aber bereits einige Favoriten identi­fiziert. Klar ist: Je höher die thermische Stabi­lität der Steine, desto lang­lebiger und effi­zienter der Speicher.

Ob Kugeln oder Steine – die große Heraus­forderung ist die Beo­bachtung der Wärme­transport­vorgänge in der Schüttung. Um möglichst detail­lierte Erkennt­nisse zu erhalten, haben die Forscher rund 50 Thermo­elemente in den Speicher verbaut. Diese messen an ver­schiedenen Punkten in der Stein­schüttung die Temperatur. Daneben überwachen die Experten den Luft­volumen­strom sowie den Druck­verlust im Innern des Speichers. „Unsere Erkennt­nisse helfen, das Anlagen­konzept künftig in einen größeren Maßstab zu über­führen“, sagt Jochen Schäfer, Leiter der Forschungs­gruppe Distri­buted Energy Systems and Heat Conversion.

Zuvor aber ist es das Ziel, einen Speicher als Gesamt­anlage mit Rückver­stromung zu bauen. Dieser Teil fehlt derzeit noch bei den Proto­typen in Hamburg und in Erlangen, da der Fokus bislang auf dem Wärme­fluss durch die Schüttung lag. Anfang 2018 soll auf dem Gelände der Aluminium­hütte Trimet in Hamburg-Alten­werder eine Komplett­anlage, bestehend aus Speicher und Rückver­stromung, entstehen. Ihr Wirkungs­grad wird 25 Prozent betragen. Der Wirkungs­grad einer groß­technischen Anlage mit einer Leistung von mehr als 100 Mega­watt könnte dann bis auf 50 Prozent ansteigen. Damit wäre der Speicher ein wichtiger Baustein für die Energie­wende.

 

Siemens / JOL