„Wie wird eine Stadt wie Stuttgart über eine Dunkelflaute hinweg kommen?“ fragt André Thess. Der habilitierte Wissenschaftler des Deutschen Zentrum s für Luft- und Raumfahrt (DLR) beschäftigt sich mit der Frage, wie mit steigendem Anteil erneuerbarer Energie am Strommix große Mengen elektrischer Energie über mehrere Tage preiswert gespeichert werden können. Batteriespeicher seien dafür heute schlicht zu teuer. Ist Biogas eine Lösung? Der Direktor des Instituts für Technische Thermodynamik sieht Nachteile: „Synthetische CO2-neutrale Brennstoffe, die in Gasturbinenkraftwerken verstromt werden, besitzen zwar von allen Energiespeichern die höchste Energiedichte. Allerdings sind dafür große Mengen an Biomasse nötig, für die es gar nicht die entsprechenden Flächen gibt.“
Physik-Nobelpreisträger sieht Speicherlösung
Das DLR verweist auf den Physik-Nobelpreisträger Robert Laughlin von der Stanford University, der in einem CO2-neutralen Energiesystem der Zukunft Strom-Wärme-Strom-Speicher die Schlüsseltechnologie für die Speicherung großer Elektrizitätsmengen sieht. In einer solchen sogenannten Carnot-Batterie wird Strom mittels einer Hochtemperaturwärmepumpe in Wärme mit Temperaturen von 50 bis 500 Grad Celsius umgewandelt. Diese Wärme kann in Wasser mit 50 Grad Celsius oder Flüssigsalz mit 500 Grad Celsius gespeichert und bei Bedarf mittels eines Wärmekraftprozesses in Strom zurückverwandelt werden. Werden Wärme oder Kälte gebraucht, können diese natürlich ebenfalls von der Carnot-Batterie abgegeben, dann sogar ohne die Rückwandelverluste.
Die Maximierung des Wirkungsgrads sei ein Forschungsziel, so Thess: „Wir wollen den Strom mit möglichst geringen Verlusten speichern.“ Eine Herausforderung sei dabei die Rückverstromung. Außerdem stelle sich die Frage, ob die Wärmepumpe umgekehrt als Wärmemaschine - wie ein Stirlingmotor – Strom auch in Wärme zurückwandeln kann. Dann wäre nur noch eine Wärmepumpe erforderlich statt einer Pumpe und einer Maschine zur Rückwandlung. Das würde ein großes Einsparpotenzial bedeuten. „Ein Problem ist nämlich, dass es derzeit noch kein passendes Geschäftsmodell für die Carnot-Batterie gibt“, räumt Thess ein. „Würde CO2 einen Preis in der Größenordnung von 100 Euro pro Tonne bekommen, wäre die Wirtschaftlichkeit gegeben.“
Das DLR und die Universität Stuttgart arbeiten seit dem Jahr 2014 intensiv an Konzepten für Carnot-Batterien und entwerfen in Kooperation mit dem KIT eine Forschungsinfrastruktur, mit der sie demonstriert werden können. Das soll laut Thess in den nächsten fünf Jahren passieren.
Null-Energie-Sauna
Darüber hinaus beschäftigt sich das DLR mit vielen Speichertypen und Null-Energie-Lösungen. Auch die Null-Energie-Sauna gehört dazu. Ein Team um André Thess hat auch dazu ein Konzept entwickelt. Saunas haben einen hohen Energiebedarf: Schon ein üblicher Saunagang in einer Heimsauna schlägt mit rund 15 Kilowattstunden zu Buche. Die Null-Energie-Sauna generiert und speichert ihre gesamte Wärme lokal und CO2-neutral aus erneuerbaren Energien. Sie funktioniert als energieautarkes System. Ein ausgeklügeltes Energiespeicher- und Wandlersystem steht im Zentrum des Konzepts.
Das Konzept für die finnische Sauna baut auf einer klassischen Windmühle auf. Es beinhaltet die Ankopplung an eine Kleinwindanlage und die Integration eines Energiespeicher- und Wandlersystems. Das Energiespeicher- und Wandlersystem umfasst einen mechanischen und thermischen Energiespeicher sowie einen elektrischen Generator und eine Wärmekraftmaschine. Das Konzept für das Hamam sieht entsprechend eine Versorgung durch Sonnenenergie vor. Seine Innovation besteht in der direkten Erzeugung von Dampf. Die Energiespeicherung erfolgt mittels sogenannter Latentwärmespeicher (PCM-Speicher), deren Material bei der Aufnahme der Wärme schmilzt und sich bei der Abgabe wieder verfestigt (ähnlich den bekannten Taschenwärmern). Da traditionelle Hamams bisher meist mit Holz befeuert werden – alleine in Marokko werden dafür alljährlich rund 5.000 Hektar Wald gefällt – erhoffen sich die Wissenschaftler neben der Reduktion von Treibhausgasemissionen auch einen nachhaltigen Schutz der Umwelt.
Ein drittes Konzept ist auch für private Nutzer interessant. Dieses Modell kombiniert Photovoltaik-Module für die Stromversorgung von Pumpen, Beleuchtung und so weiter mit Solarthermie-Kollektoren für die Wärmeerzeugung und -speicherung. Kernstück ist der hybride Dampf- und Wärmespeicher. Die Forscher haben ihre Erfindungen bereits zum Patent angemeldet. (Nicole Weinhold)
