Patentierter Langzeit-Wärmespeicher

Für das kraftwerktechnische Kolloquium der TU Dresden Anfang Oktober 2020 reichte IPROconsult gemeinsam mit dem emeritierten Professor für Maschinenbau Prof. Dr. Vladan Petrovic einen Vortrag ein, der – coronabedingt – per Video-Übertragung zugeschaltet wurde. Das Autorenteam um Dr. Kerstin Hartsch präsentierte dort das Konzept des patentierten Wärmespeichers unter dem Titel ‚Neue Technologie zur Langzeitwärmespeicherung von Energien wechselnder Verfügbarkeit‘. Das Patent halten Petrovic und IPROconsult zu gleichen Teilen. Wir geben hier wesentliche Auszüge des wissenschaftlichen Beitrags wieder.

Dem Ziel der Energiewende in Deutschland folgend, wird Deutschland bis zum Jahr 2050 seine Energie hauptsächlich aus regenerativen Quellen wie Wind- und Wasserkraft, Sonnenenergie, Geothermie oder nachwachsenden Rohstoffen beziehen. Dementsprechend nehmen die Anteile erneuerbarer Energie aus Sonne und Wind am deutschen Strommix kontinuierlich zu.

Mittlerweile haben die damit realisierbaren Strommengen eine Größenordnung erreicht, bei der es zukünftig zu Situationen kommen kann, in denen die eingeplanten Anteile dieser Energieträger in unserer Stromversorgung entweder nicht oder im Überfluss vorhanden sind. So steht Windenergie bei Flauten oder Sturmabschaltungen nicht zur Verfügung, demgegenüber bei günstigen Offshore-Standorten zeitweise im Überangebot. Ab einer bestimmten Energiemenge ist dies für den Ausgleich in den Versorgungsnetzen relevant. Sogenannte Schattenkraftwerke, heute meist konventioneller Art, müssen dafür über längere Zeiträume in einem für Emission und Wirkungsgrad ungünstigen Teillastbereich gefahren werden.

Die Verteilung des eventuellen Überangebots ist nur zu einem bestimmten Anteil technisch möglich. Eine sinnvolle Option für den zeitweisen Überhang an elektrischer Energie ist die Speicherung. Hierzu wären jedoch deutlich größere Speicherkapazitäten gefragt als sie bisher verfügbar sind. Die Erfahrungen mit anderen Speichertechnologien beschränken sich bislang zumeist auf kleinere Dimensionen, beispielsweise zur Absicherung der unterbrechungsfreien Stromversorgung bei sensiblen Verbrauchern, wie Krankenhäusern. Die Palette technischer Speichermöglichkeiten ist zwar breit, so dass prinzipiell das gesamte Leistungsspektrum abgedeckt werden kann – nach wie vor gibt es jedoch keinen Universalspeicher, mit dem ein Großteil des Speicherbedarfs zufriedenstellend bedient werden kann. Da die direkte Speicherung von elektrischer Energie nur in Kondensatoren und in Spulen möglich ist, erfolgt zunächst eine Umwandlung in andere Energieformen mit anschließender Speicherung, um diese bei Bedarf wieder in elektrische Energie umzuwandeln. Daher besteht aktuell ein großer Bedarf an einem Speicherkonzept, das im Vergleich mit anderen Lösungen folgende verfahrenstechnische Eigenschaften aufweist:

• Unterschiedliche Speichermöglichkeiten: Der Speicher muss in der Lage sein, Wärmeenergie mit hoher Temperatur zu speichern sowie Sonnenenergie und elektrische Energie in Wärme bei hoher Temperatur umzuwandeln und direkt zu speichern.
• Eine hohe Energiedichte des Speichers
• Die Wärmespeicherung erfolgt bei einer Temperatur von ca. 1.000 °C.
• Lange Lebensdauer
• Ruheverluste der gespeicherten Energie betragen weniger als 10 % für ein Zeitintervall von sechs Monaten.
• Ein hoher Speichernutzungsgrad
• Geringe Investitions- und Betriebskosten inklusive Wartungsaufwand bei gleichzeitig hoher Lebensdauer und Verfügbarkeit zur Gewährleistung einer hohen Wirtschaftlichkeit

Für die künftige Energieversorgung sind neue Lösungen zur Langzeitspeicherung von Energie dringend erforderlich. Eine neue Wärmespeichertechnologie, als Patent bereits 2012 von Prof. Vladan Petrovic angemeldet, wurde 2019 als Patent anerkannt und erteilt: IPROconsult als Generalplaner und anteiliger Mitinhaber des Patents beabsichtigt, das neue Wärmespeicherkonzept für die industrielle und kommunale Energieversorgung auf dem europäischen und internationalen Markt einzuführen.

Das Grundkonzept dieses patentierten Langzeit-Feststoffwärmespeichers ermöglicht es, Solarenergie, Windenergie und andere Energieformen mit wechselnder Verfügbarkeit als Wärme drucklos bei hoher Temperatur von bis zu 1.000 °C langfristig zu speichern und verfügbar zu machen oder mit hohem Wirkungsgrad zurückzugewinnen. Das technische Konzept des Langzeitwärmespeichers besteht aus einem thermisch isolierten Festbett, aufgebaut aus einer als Wärmespeichermasse fungierenden Gesteinsschüttung. Das Speichermaterial ist vorzugsweise vulkanischer Herkunft (z.B. Diabas oder Basalt) und dadurch für hohe Betriebstemperaturen von 1.000 °C geeignet.

Gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg wurden Testversuchsprogramme zur Bewertung der Leistungsfähigkeit des Speichers an der ersten kleineren Pilotanlage in Serbien durchgeführt, deren Ergebnisse für die weitere anlagentechnische Optimierung erster Demonstrationsprojekte in Europa dienen sollen.

Erste Anwendungsbereiche für den neuen Langzeitwärmespeicher sollen im Rahmen von Demonstrationsprojekten zur Umwandlung, Speicherung und Re-Transformation von Windenergie und Photovoltaik sowie industrieller Abwärme entwickelt werden. Darüber hinaus soll der Langzeitwärmespeicher als Alternative für dezentrale quartiersbezogene Energieversorgung sowie für Fernwärme- und Kältenetze marktreif entwickelt und eingesetzt werden.