Thermische Energiespeichersysteme

Im Bereich der Energiespeicher werden folgende Klassen unterschieden: mechanische und thermomechanische Energiespeicher (z.B. Pumpspeicherkraftwerke, Druckluftspeicher, etc.), elektrische Energiespeicher (supraleitende magnetische Energiespeicher (SMES), Kondensatoren, etc.), elektrochemische Energiespeicher (Lithium-Ionen und Lithium-Polymer-Batterien, Nickel-Cadmium-Batterien, Blei-Säure-Batterien, etc.), chemische Energiespeicher (Metallhydridspeicher, flüssige organische Wasserstoffträger, etc.) sowie thermische Energiespeicher (sensible Wärmespeicher, latente Wärmespeicher, thermochemische Speicher [Sorptionsspeicher]).

Für thermische Energiespeicher möchten wir die Aspekte der Energienutzung und Komponenten näher betrachten.

Power-to-Heat

Unter Power-to-Heat (Elektroenergie zu Wärme) versteht man die Erzeugung von Wärme mittels Widerstandselementen aus elektrischer Energie. Im Kontext der Energiespeicherung bieten Power-to-Heat-Systeme in Kombination mit thermischen Speichern gegenüber z.B. Batteriespeichern deutliche Vorteile. Die Umsetzung der elektrischen Energie erfolgt mit einem Wirkungsgrad von 99,9% (dagegen Wirkungsgrad Power-to-Gas rund 54%) und die so entstandene Wärme lässt sich in latenten oder sensitiven Speichern gut speichern. Bei einer Batterie entfällt zwar die Zustandsänderung der Energie, allerdings ist der Bau einer Batterie deutlich rohstoffintensiver, umweltbelastender und kostspieliger als die von (z.B.) sensitiven Wärmeenergiespeichern. Ein thermisches Speichersystem ist auch gegenüber Netzschwankung (Spannungsschwankungen) deutlich toleranter als ein rein elektrisches System.

Heat-to-Power

Bei Heat-to-Power-Systemen (Wärme zu Strom) geht es um die Umsetzung thermischer Energie in elektrische Energie. Ein seit Jahrzehnten eingesetztes System ist die Dampfturbine (erste Entwicklung im Jahre 1888 von Carl Gustaf Patrik de Laval) mit einem Wirkungsgrad von fast 30%. Moderne Hochdruckdampfturbinen erreichen mitunter Wirkungsgrade nahe der 50%. Diese Art der Energieumwandlung benötigt Temperaturen von rund 550°C. In den letzten Jahren wurden mit dem ORC (Organic Rankine Cycle) eine Möglichkeit gefunden das Prinzip der Dampfturbine auch bei niedrigeren Temperaturen nutzbar zu machen. Der Arbeitsbereich liegt hier zwischen 90° und 150°C (Wirkungsgrad i.d.R. 6-10%), sowie um die 300°C (Wirkungsgrad 20- max. 24%).

Ein weiterer Ansatz ist die des thermoelektrischen Generators, welcher einen möglichst hohen Temperaturgradienten zwischen einer heißen und kalten Seite benötigt. Der physikalische Effekt, der dem thermoelektrischen Generator zu Grunde liegt, ist schon sehr lange bekannt. Bereits im Jahre 1821 beobachtete der deutsch-baltische Physiker Thomas Seebeck das ein Temperaturgefälle in einem Metall einen Stromfluss bewirken kann. Da der Effekt aber wenig effizient ist, kamen und kommen solche Generatoren nur in Nischenmärkten zu Einsatz.

Heat-to-Heat

Die direkte Nutzung von thermischer Energie ist aus Sicht des Wirkungsgrades die sinnvollste. Wird erzeugte Wärme gleich z.B. zum Beheizen von Wohnraum oder zum Heizen von Industrieanlagen (Prozesswärme) und-gebäuden genutzt, kann die zur Verfügung stehende Energie verlustfrei eingesetzt werden. Aktuell ist dies besonders interessant in Wärmenetzen. Problematisch ist allerdings, dass Wärmequelle und Wärmesenke in der Regel nicht ortsnah verbunden sind und das Verlegen von Fernwärmeleitungen aufwendig und teuer ist. Der Einsatz mobiler Wärmespeichersysteme kann hier zu einer deutlichen Flexibilisierung der Abwärmenutzung beitragen und wird von entsprechenden Unternehmen vorangetrieben.

Heat-to-Steam

Die Nutzung von Dampf als Energieträger ist schon sehr lange in der Industrie aber auch im privaten Haushalt (z.B. beim Schnellkochtopf) bekannt. Im industriellen Maßstab wird Dampf (i.d.R. Wasserdampf) für verschiedenste Prozesse genutzt, z.B. zur Bereitstellung von Wärme für Koch- Eindampf- oder Destillationsprozesse, zur Wärmebereitstellung bei endothermen Reaktionen oder auch für Trocknungsprozesse. Der besondere Vorteil von (Wasser-) Dampf gegenüber flüssigen Wärmeträgern oder Thermalölen ist, dass hierin die meiste Energie latent in der Verdampfungsenthalpie enthalten ist (Kondensationswärme bei Wasser ca. 0,6kWh / 1kg). Durch die vielfältige Nutzung von Dampf ist das Prinzip Heat-to-Steam für alle Bereiche der Wirtschaft interessant. Großindustriell wird Dampf im Wesentlichen durch zwei unterschiedliche Kesseltypen erzeugt, den Grosswasserraumkessel und den Wasserrohrkessel, wobei bei beiden Typen zur Dampferzeugung (i.d.R.) fossile Primärenergieträger verbraucht werden. Auch wenn die Nutzung mittlerweile durch so genannte Kraft-Wärme-Kopplungen deutliche effizienter gestaltet wird, ist der Ansatz Dampf mittels „grüner“ Energie oder Prozessabwärme zu erzeugen als sinnvoller und wichtiger Baustein zur Dekarbonisierung der Industrie zu betrachten.