Frischer Wind für saubere Energie

Technology Review stellt in loser Folge junge Innovatoren unter 35 vor. Heute in der TR35: Daniell Fong will containergroße Druckluftspeicher für Solar- und Windstrom bauen, William Chueh mit Hilfe eines billigen Katalysators Wasserstoff aus Sonnenlicht erzeugen.

Ein Problem der Energiewende ist, dass Sonnenschein und Wind keine zuverlässigen Energiequellen sind. An manchen Tagen machen sie sich rar, an anderen sind sie so reichlich vorhanden, dass das Stromnetz den Wind- und Solarstrom nicht vollständig abnehmen kann. Ein kostengünstiger Zwischenspeicher müsste her. Danielle Fong glaubt, ihn gefunden zu haben: Sie will den überschüssigen Strom in Pressluft verwandeln und diese anders als in bisherigen Konzepten in Tanks speichern.

„Diese Lösung würde die Wirtschaftlichkeit von erneuerbaren Energien radikal verändern“, sagt die 24-jährige Physikerin. Pressluft als Zwischenspeicher zu verwenden, wird seit einigen Jahren in Pilotprojekten erprobt. Mit Hilfe von Solar- oder Windstrom wird Luft enorm verdichtet, um später bei Bedarf Turbinen zur Stromerzeugung anzutreiben.

Das Problem: Bei der Kompression erhitzt sich die Luft auf bis zu 1000 Grad Celsius. Ein Teil der Energie geht so als Wärmeenergie verloren. Und herkömmliche Stahltanks sind für solche Temperaturen ungeeignet, weshalb man bislang unterirdische Hohlräume als Speicher im Blick hat.

Beim Lesen eines alten Physiklehrbuchs stieß Fong jedoch auf einen Ansatz, der das Problem lösen könnte. Sprüht man Wasser in die Luft, kühlt sie sich ab. Warum also nicht Wasser in die Luft sprühen, während sie verdichtet wird? Könnte man das erhitzte Wasser anschließend wieder aus dem Presslufttank herausziehen, ließe sich die Wärmeenergie sogar noch weiternutzen. Fong fand schließlich ein Verfahren, mit dem das gelingt und das einen Wirkungsgrad von 70 Prozent hat.

Um das Verfahren auf den Markt zu bringen, gründete Fong dann in Berkeley die Firma LightSail Energy. Unter den Investoren ist unter anderem Vinod Khosla von Khosla Ventures, einer der bekanntesten Risikokapitalgeber im Silicon Valley. Ursprünglich wollte Fong ihr Verfahren für Pressluft-betriebene Roller einsetzen. Khosla überzeugte sie, den viel größeren Strommarkt anzuvisieren.

Derzeit lässt sich überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energien nur in Akkus zwischenspeichern. Fong ist jedoch zuversichtlich, dass ihr System am Ende nur ein Zehntel kosten dessen wird, was für Anschaffung und Betrieb von Akkus anfällt. Ihre Pressluft-Speichertanks sollen mehr als zehn Jahre halten. Sie sind etwa so groß wie ein Standardcontainer und können den Output eines 1-Megawatt-Windrads aus drei Stunden Laufzeit aufnehmen.

Inzwischen hat LightSail Energy das System so weit entwickelt, dass Luftkompressor und Turbine in einer einzigen Maschine zusammenkommen. Die hält auch bei nicht-konstanter Umdrehungsgeschwindigkeit ihren Wirkungsgrad nahezu aufrecht. Der Tank wird nicht aus Stahl, sondern einem äußerst stabilen Verbundmaterial gefertigt. Details will das Start-up nicht nennen.

Es gebe keine technischen Hindernisse, um die Tanks so groß zu machen, dass sie auch einen wesentlichen Beitrag zu einer städtischen Energieversorgung leisten könnten, sagt Fong. LightSail Energy will die Pressluftspeicher selbst herstellen und verhandelt gerade mit mehreren großen Unternehmen aus der Erneuerbare-Energien-Branche. Eine Pilotanlage soll spätestens 2014 stehen.

Während Fong den Output von Erneuerbaren verbessern will, hat sich William Chueh den Input vorgenommen. Der 29-jährige Materialwissenschaftler von der Stanford University will Wasserstoff nur mit Hilfe von Sonnenlicht gewinnen. Diese Idee verfolgen auch andere Forschungsgruppen weltweit. Die experimentierten bislang aber häufig mit Katalysatoren aus Edelmetallen wie Platin – zu teuer für eine wirtschaftliche Wasserstoff-Produktion. „Außerdem gibt es einfach nicht genug von diesen Metallen für unseren Kraftstoffbedarf“, sagt Chueh.

Sein Verfahren funktioniert anders: Sonnenlicht wird zunächst mithilfe von Spiegeln konzentriert und heizt Ceriumoxid auf 1500 Grad Celsius auf. Das Material gibt dabei einen großen Teil seiner Sauerstoffatome ab. Kühlt das Ceriumoxid ab, wird Wasserdampf an ihm vorbei geleitet. Das sauerstoffarme Ceriumoxid nimmt dann einen Teil des im Wasser enthaltenen Sauerstoffs auf, so dass Wasserstoffgas entsteht. Das wird aufgefangen, und das Ceriumoxid kann einen neuen Zyklus beginnen.

Mit diesem Prozess hat Chueh bereits CO2 in Kohlenmonoxid (CO) und Sauerstoff aufgespalten. Gemessen am Energieeinsatz wird so 100 Mal mehr CO frei als in herkömmlichen Verfahren. Das CO lässt sich dann mit Wasserstoff zu einem Synthesegas kombinieren, aus dem man Kohlenwasserstoffe wie Methan gewinnen kann. Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas und produziert bei der Verbrennung im Vergleich zu anderen fossilen Energieträgern weniger CO2.

Chueh arbeitet nun daran, die Wasserstoffgewinnung mittels Ceriumoxid auch bei niedrigen Temperaturen zum Laufen zu bringen. Denn 1500 Grad können nur Behälter aus Speziallegierungen aushalten. Die wären aber für kommerzielle Anlagen zu teuer. Mit einer Kombination aus Ceriumoxid und einem anderen Material konnte Chueh die Arbeitstemperatur bereits auf 500 Grad senken. Bei dieser Temperatur könnte er Anlagen aus rostfreiem Stahl verwenden. Im Juni hat Chueh für seine Arbeit den Studentenpreis des California Institute of Technology für Umweltfreundliche Eneuerbare Energiequellen erhalten. Vielleicht meldet sich Investor Vinod Khosla demnächst auch bei ihm. (nbo)