Salz, Beton und Druckluft: Speicher liefern Energie auf Wunsch

Solar- und Windkraftwerke richten sich selten genau nach dem Bedarf der Stromkunden. Daher sind günstige und effiziente Energiespeicher der Schlüssel für eine zuverlässige Versorgung mit regenerativ erzeugtem Strom. Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickeln Wärme- und Druckluftspeicher für die Energieversorgung der Zukunft. „Für unsere Speichertechnologien sehen wir drei Anwendungsfelder“, sagt Dr. Rainer Tamme, Abteilungsleiter am DLR-Institut für Technische Thermodynamik in Stuttgart. Konventionelle Gas- und Dampfturbinenkraftwerke mit Kraft-Wärme-Kopplung könnten mithilfe von Wärmespeichern flexibler und damit effizienter betrieben werden. Unter hohem Druck in unterirdische Hohlräume gepresste Luft eignet sich, um Erzeugungsspitzen von Windparks zu glätten. Und schließlich sichern Wärmespeicher die Stromproduktion von Solarkraftwerken über viele Nachtstunden.

Solche Wärmespeicher lösen schon heute in ersten Solarthermie-Kraftwerken das Speicherproblem. So werden nahe der südspanischen Stadt Granada in den Anlagen Andasol 1 und 2 tagsüber über 28.000 Tonnen flüssige Salze - eine Mischung aus Kalium- und Natriumnitrat – auf knapp 400 Grad Celsius aufgeheizt. Die Salze speichern die Sonnenwärme effizient genug, um nach Sonnenuntergang noch bis zu sieben Stunden die Dampfturbinen anzutreiben. „Solche flüssigen Salze haben allerdings den Nachteil, dass sie hohe Kosten verursachen und bei 220 Grad fest und damit nutzlos werden“, sagt Tamme.

Auf dem Gelände in Stuttgart und auf der Plataforma Solar de Almería in Spanien arbeiten die DLR-Wissenschaftler bereits an einer günstigeren Alternative: Beton, der auf bis zu 400 Grad aufgeheizt werden kann. „Die festen Blöcke können auch mal abkühlen, ohne Schaden zu nehmen“, sagt Speicherexpertin Dörte Laing. Im Prinzip steht diese Technologie schon zur Verfügung und wartet darauf, von der Industrie aufgegriffen zu werden. Erst noch im Praxistest beweisen müssen sich dagegen so genannte Phasenwechselspeicher. Sie bestehen wieder aus vielen Tonnen Salz, nämlich aus Natriumnitrat. Doch dürfen diese Mengen im Unterschied zu den flüssigen Salzen auch ihre Phase wechseln, das heißt erstarren. Zwar sinkt dabei die Transportfähigkeit für Wärme so sehr, dass sich das Salz nur schwer wieder verflüssigen lässt. Doch zahlreiche Aluminiumrippen, die das Salzreservoir durchziehen, können diesen Nachteil ausgleichen. Wie gut dieses Prinzip zur Wärmespeicherung tatsächlich funktioniert, muss dieses Jahr ein Speicher mit 14 Tonnen Nitratsalz in einem Kraftwerk des spanischen Stromversorgers Endesa in Carboneras unter Beweis stellen. „Das ist der derzeit größte Phasenwechselspeicher der Welt und bis Ende des Jahres erwarten wir Ergebnisse“, sagt Laing.

Auch bei der Netzintegration von Windstrom spielen diese Wärmereservoires eine Rolle. Damit überschüssige Kilowattstunden in Starkwindphasen nicht verloren gehen, sollen sie Druckluftpumpen antreiben. Diese pressen komprimierte Luft in unterirdische Hohlräume wie beispielsweise Salzkavernen. Steigt der Strombedarf, kann die Luft wieder ausströmen und die Turbinenräder von Generatoren in Drehung versetzen.

Zusammen mit RWE, General Electric (GE) und der Ed. Züblin AG arbeitet das DLR an der Entwicklung dieser Technologie. Dabei wird bereits die Umsetzung als Demonstrationskraftwerk in Sachsen-Anhalt vorbereitet.

Der „Adiabate Druckluftspeicher für die Elektrizitätsversorgung“, kurz Adele, soll die Stromproduktion von bis zu 40 Windrädern für fünf Stunden zwischenspeichern können.

Trivial ist das Komprimieren und Entweichen von Druckluft jedoch nicht. Denn beim Verdichten heizt sich die Luft auf über 600 Grad auf. Umgekehrt kühlt sie sich beim Ausströmen ab. Ein hoher Wirkungsgrad des Druckluftspeichers von etwa 70 Prozent lässt sich nur erreichen, wenn die Verdichtungswärme ebenfalls gespeichert wird und später die ausströmende Luft erwärmen kann. Und genau an diesem Punkt wird „Adele“ von der großen Erfahrung des DLR auf dem Gebiet der Wärmespeicher profitieren.