Wärmespeicher

Kostengünstige und flexibel einsetzbare Stromspeicher für das Stromnetz

In allen Szenarien des Umstiegs auf hunderprozentige Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien spielt Windenergie eine herausragende Rolle. Deren Volatilität macht es ab Anteilen am Stromverbrauch über 20 bis 30% nötig, den erzeugten Strom zu speichern, weil das Abfangen der Leistungsschwankungen durch Teillastbetrieb konventioneller Kraftwerke dann zu teuer würde.

Derzeit wird Strom in nennenswertem Umfang nur in Pumpspeicherkraftwerken gespeichert. Diese bedeuten enorme Eingriffe in die Landschaft und verursachen enorme Kosten, die typischerweise ca. 4 Ct pro kWh Speicherstrom betragen. Da das Potential für Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland weitgehend erschöpft ist, liegen die Hoffnungen der Planer im Potential Norwegens, das vom norwegischen Energiekonzern Statkraft aber mit nur 35 TWh/a beziffert wird. Das ist weit entfernt vom Bedarf Deutschlands, wo bei einem 50% Anteil von Windstrom etwa 150 TWh/a Speicherstrom benötigt wird.

Es gibt deshalb derzeit viele Vorschläge für andere Stromspeicherarten, wie z.B. riesige Gravitationsspeicher, in denen Granitblöcke von 1 Kubikkilometer Volumen um 500 Meter angehoben werden, oder die Nutzung aufgelassener Bergwerke als umgekehrte Pumpspeicherkraftwerke. Jedoch ist noch niemand auf die eigentlich naheliegende Idee gekommen, Strom in Form von Wärme zu speichern.

Stromspeicherung in Form von Wärme hat einen sehr gravierenden Nachteil: zwar kann Strom mit 100% Wirkungsgrad in Wärme umgewandelt werden, aber die gespeicherte Wärme kann beispielsweise in Dampfturbinen, Stirling- oder Dampfmotoren bestenfalls mit einem Wirkungsgrad von 50% wieder in Strom zurück verwandelt werden. Man müsste also immer zwei kWh Strom erzeugen, diese in Wärme speichern, um dann später eine kWh Speicherstrom abrufen zu können. Das wäre aus Umweltgründen nicht sehr vorteilhaft, wenn der zu speichernde Strom aus Kohle- oder Atomkraftwerken kommt, aber das ist nur noch eine Kostenfrage, wenn der Strom aus erneuerbarer Energie stammt.

So ein Wärmespeicher bestünde im Wesentlichen nur aus einer mehr oder weniger losen Schüttung oder einem zwecks Wärmeabführung durchlöcherten Block aus hochtemperaturbeständiger Keramik wie Sintermagnesia, Magnesit o.ä., im preiswertesten Fall einfach aus Bauschutt aus alten Backsteinen. Eine Tonne dieses preiswerten und leicht verfügbaren, völlig ungiftigen Materials kann in einem Temperaturbereich zwischen 550°C als untere Temperatur, bei der die Dampfturbine noch mit höchstem Wirkungsgrad arbeiten kann, und ca. 1300°C im vollgeladenen Zustand (Begrenzung wegen Temperaturbeständigkeit der Wärmetauscher) 220 kWh Wärme speichern, aus der eine angeschlossene Dampfturbine bei einer Dampftemperatur von 550°C mit einem Wirkungsgrad von 45% dann 100 kWh Strom erzeugen kann.

Für die Speicherung von 1 GWh Wärme wären also beispielsweise 5000 Tonnen Sintermagnesia nötig, die in einem Zylinder mit weniger als 13 Meter Durchmesser und 13 Meter Höhe Platz fänden. Mit nur 20 Zentimeter Dämmung um diesen Zylinder würde trotz des hohen Temperaturgefälles der tägliche Wärmeverlust dieses Speichers nur noch 0,5% betragen. Die Baukosten so eines Speichers für 1 GWh Wärme lägen schätzungsweise bei 5 Millionen Euro. Wenn dieser Speicher jährlich über 2000 Volllaststunden insgesamt 1,0 TWh Strom ins Netz abgibt, dann lägen die reinen Kosten der Speicherung der Wärme bei völlig vernachlässigbar niedrigen 0,04 Ct pro kWh Speicherstrom.

Zu diesen reinen Speicherkosten müssen dann die Kosten der Stromerzeugung aus Wärme addiert werden. Dazu eignen sich am besten umgebaute Gaskraftwerke, die wahlweise Strom aus Gas oder aus Heißdampf aus dem Wärmespeicher erzeugen können. Mit der Möglichkeit des Gasbetriebs ist die Stromversorgung auch dann gesichert, wenn nach sehr langen Flauten der Wärmespeicher erschöpft ist. Die spezifischen Kosten eines Gaskraftwerks liegen bei 500 €/ kW, die Anlagenkosten schlagen bei 2000 Volllaststunden und einer Lebensdauer von 20 Jahren demnach mit 2,2 Ct/kWh auf den Speicherstrom auf.

Pumpspeicherkraftwerk versus Wärmespeicherkraftwerk

Anders als beim Pumpspeicherkraftwerk wären also nicht die Speicherkosten relevant für die Stromgestehungskosten aus dem Speicher, sondern die Strombeschaffungskosten. Diese liegen wegen des niedrigen Wirkungsgrads der Rückumwandlung von Wärme in Strom etwa doppelt so hoch wie beim Pumpspeicherkraftwerk. Dennoch wäre bei einem rein wirtschaftlichen Betrieb ohne Rücksicht auf die Emissionen der Stromerzeugung die Speicherung in Wärme günstiger als die im Pumpspeicherkraftwerk, das überschüssigen Braunkohle- und Atomstrom typischerweise unter 1 Ct/kWh ankauft.

Würde vom Wärmespeicherkraftwerk überschüssiger Windstrom zu reinen Gestehungskosten von 6 Ct/kWh angekauft, dann würden sich die Stromgestehungskosten für den Strom aus dem Wärmespeicher auf 14,3 Ct/kWh belaufen. Das wäre etwa gleichauf mit den Gestehungskosten für Windstrom aus norwegischen Pumpspeicherkraftwerken.

Wärmespeicherkraftwerke haben gegenüber Pumpspeicherkraftwerken aber entscheidende Vorteile. So sind sie in einem sehr weiten Bereich von wenigen Kilowatt bis zu mehreren Gigawatt beliebig skalierbar. Sie sind sehr klein und können dezentral überall, auch inmitten von Wohnsiedlungen, unauffällig errichtet werden. Die Speicher sind völlig emissionsfrei und haben keinerlei schädliche Auswirkungen auf die Umwelt. Insbesondere von Vorteil ist, dass diese Stromspeicher durch die Anbindung an konventionelle Gaskraftwerke einen dauerhaft sicheren Netzbetrieb ermöglichen, und dass sie so den Umstieg auf eine zukünftig zu 100% aus erneuerbaren Energien gespeiste Stromerzeugung erleichtern.