Ob einst Robert Habeck oder heute Katherina Reiche: Für viele liegt die Lösung von Energiekrisen primär im Bau von immer mehr Solar- und Windenergieanlagen sowie von Gaskraftwerken. Letztere bekommen oft nur deshalb ein „grünes Mäntelchen“, indem man argumentiert, sie könnten später auch mit grünem Wasserstoff betrieben werden. Doch wirkliche Abhilfe ließe sich sehr schnell schaffen, indem die Voraussetzungen geschaffen werden, volatile grüne Energie in Überflusszeiten effizient zu speichern – etwa in Batterien oder in Form von Wasserstoff.
Alternativ ließe sich der Stromverbrauch mithilfe von intelligenten Stromzählern auch in Zeiten verlagern, in denen Energie im Überfluss vorhanden ist, wie es beispielsweise in Finnland praktiziert wird. Die neueste Möglichkeit, grünen Strom besser zu nutzen, besteht jedoch darin, den Strom in Form von Hochtemperaturwärme zu speichern.
Höllische Temperaturen als Kostenvorteil
Entwickelt wurde diese vielversprechende Lösung von Forschern des Massachusetts Institute of Technology (MIT). Kommerzialisiert wird sie nun von dem Start-up Fourth Power, einem jungen Unternehmen in unmittelbarer Nachbarschaft des MIT. Gegründet wurde es von Asegun Henry, Professor für Thermodynamik am MIT, der das Verfahren maßgeblich entwickelt hat. Laut Henry sind die Speicherkosten „deutlich günstiger als bei sehr großen Lithium-Ionen-Batterien, wie sie für die Speicherung von Überschussstrom benötigt werden“.
Damit das bis zu 2400 Grad erhitzte Zinn auf dem Weg durch den Kreislauf nicht erkaltet, sind die Leitungen aufwändig isoliert.
Der Grund dafür liegt in den extrem billigen „Zutaten“ des Systems, wie Graphit und Zinn, und an der ungewöhnlich hohen Betriebstemperatur von 1900 bis 2400 Grad Celsius. „Der Grund, warum unser System eine so enorme Verbesserung gegenüber allen anderen darstellt, liegt in der Leistungsdichte“, erklärt Cheftechnologe Henry. Das Team hat erkannt, dass man bei höheren Temperaturen Wärme wesentlich schneller übertragen und das System dadurch deutlich verkleinern kann – was letztlich alles günstiger macht.
Thermophotovoltaik statt klassischer Dampfturbine
Zwar werden Wärmespeicher schon seit vielen Jahren eingesetzt – etwa für Fernwärme in Form von heißem Wasser oder als Flüssigsalzspeicher in thermischen Solaranlagen. Doch dort liegen die Speichertemperaturen meist nur bei 100 bis 400 Grad Celsius. Entscheidend mehr ist in klassischen Systemen auch nicht möglich, weil herkömmliche Stahlrohre keine solch hohen Temperaturen aushalten.
„Deshalb haben wir die Sache umgekehrt“, sagt Henry. Als Wärmetransportmittel nutzt Fourth Power flüssiges Zinn, das durch extrem hitzebeständige keramische Rohre fließt. Aufgeheizt wird es zunächst mit einer elektrischen Widerstandsheizung. Das resultierende, weißglühende Zinn erhitzt anschließend Graphitblöcke auf die besagten höllischen Temperaturen, sodass auch diese weißglühend werden.
Forscher des MIT unter der Leitung von Asegun Henry stellten eine thermophotovoltaische Festkörper-Wärmekraftmaschine vor, die bei höheren Temperaturen betrieben werden kann und mehr Strom aus Wärme gewinnt als eine Dampfturbine. Foto: MIT
Statt die Hitze nun zu nutzen, um Wasser in Dampf zur Stromerzeugung umzuwandeln, setzt Henrys Team auf sogenannte Thermophotovoltaik. Diese speziellen Elemente wandeln nicht nur das sichtbare Licht in Strom um, sondern auch die fühlbare Wärme der Graphitblöcke. Das MIT-Team hat diese Elemente selbst entwickelt und dabei einen grandiosen Wirkungsgrad von mehr als 40 Prozent erzielt.
Mit reinigendem Erdgasvorhang
Damit die Module die enorme Hitzeschlacht in der Nähe der glühenden Graphitblöcke überhaupt überleben, werden sie auf der Rückseite permanent mit Wasser gekühlt. Zudem hat das Team ein patentiertes System namens „Sweeping Noble Gas Curtain“ (SNGC) – einen reinigenden Edelgasvorhang – entwickelt. Dieser verhindert Ablagerungen auf den Zellen, welche die stromerzeugende Strahlung behindern würden.
Die Stromproduktion lässt sich dabei flexibel steuern: „Man kann die Zellen im Grunde genommen in Licht tauchen und Strom erzeugen“, so Henry. Wenn man sie wieder herauszieht, wird die Stromproduktion abgeschaltet. Das flüssige Metall, das anfangs 2400 Grad Celsius heiß ist, kühlt beim Fließen durch die Graphitblöcke ab, da es seine Energie an die Photovoltaik abgibt, und wird anschließend im Kreislauf wieder aufgeheizt.
Kompakte Speicher für die Zukunft der Energiewende
Die Technologie nimmt rasch Fahrt auf: Noch in diesem Jahr will Fourth Power an seinem neuen Hauptsitz in Bedford (Massachusetts) eine Ein-Megawattstunden-Anlage in Betrieb nehmen. Eine ausgewachsene kommerzielle Anlage soll später eine Leistung von 25 Megawatt und eine gewaltige Speicherkapazität von 250 Megawattstunden haben.
Neben den Kostenvorteilen besticht die Thermobatterie durch ihren extrem geringen Platzbedarf. „Die meisten Speichertechnologien brauchen für zehn Megawatt eine Fläche von einem Acre“, rechnet Henry vor (ein Acre entspricht gut 4000 Quadratmetern). „Fourth Power liegt eher bei 100 Megawatt pro Acre.“ Zudem ist der Speicher von Fourth Power modular aufgebaut, sodass Kunden mit einem kleinen System beginnen und dieses bei Bedarf einfach um weitere Einheiten ergänzen können.