Strom in der Warteschleife

Ein von der ARPA-E gefördertes Projekt will Supraleitende magnetische Energiespeicher entwickeln, die einige Megawattstunden Energie fassen und bei Bedarf in Stromnetze abgeben können.

Je weiter der Ausbau der Erneuerbaren Energien voranschreitet, desto dringlicher werden Energiespeicher, die zeitweilige Überschüsse aufnehmen können. Supraleitende magnetische Energiespeicher (SMES) bieten hierfür theoretisch beste Voraussetzungen: Sie können die Energie augenblicklich wieder abgeben und lassen sich beliebig oft nachladen. Ihre enorm hohen Materialkosten haben bislang aber einen breiteren Einsatz verhindert. Ein vom US-Energieministerium finanziertes Projekt hat nun Anfang März ein SMES-Konzept präsentiert, mit dem bis zu zwei Megawattstunden Energie gespeichert werden sollen – doppelt so viel wie in den derzeit besten Anlagen.

An dem Projekt sind der Elektrotechnik-Konzern ABB, der Supraleiter-Hersteller SuperPower, das Brookhaven National Laboratory und die University of Houston beteiligt. Die US-Forschungsagentur ARPA-E fördert es mit 4,2 Millionen Dollar. Langfristiges Ziel sei ein SMES, der mit konventionellen Bleiakkus konkurrieren könn – wie sie in Autos eingesetzt werden –, sagt ABB-Projektmanager V.R. Ramanan.

Der erste europäische SMES, der am Forschungszentrum Karlsruhe entwickelt und Ende der neunziger Jahre in einem nahegelegenen Sägewerk installiert wurde, hatte noch eine bescheidene Kapazität von 55,6 Wattstunden gehabt (200 Kilojoule). Das Projektkonsortium will das Konzept zunächst mit einer 3,3-Kilowattstunden-Anlage demonstrieren.

In SMES wird elektrische Energie in Form eines magnetischen Feldes gespeichert. Dieses entsteht gemäß Induktionsgesetz, wenn Strom durch eine supraleitende Spule verlustfrei zirkuliert. Je nach Geometrie der Spule lässt sich auch ein hochkompaktes Magnetfeld erzeugen. Entlädt man den SMES, gehen zwei bis drei Prozent der gespeicherten Energie aufgrund von Wärmeverlusten beim Einleiten in einen angeschlossenen Stromkreislauf verloren.

Sollte es gelingen, die Kosten auf das Niveau von Bleiakkus zu senken, wären SMES immerhin billiger als Schwungräder. Mit Druckluft- oder Pumpspeichern könnten sie laut einer aktuellen Studie des Electric Power Research Institute jedoch noch nicht mithalten.

Druckluftspeicher sind unterirdische Hohlräume, die mit komprimiertem Gas gefüllt werden, das später Gasturbinen antreiben kann. In Pumpspeichern wird Wasser vom Tal in ein höher gelegenes Reservoir gepumpt, um bei Bedarf die Turbinen eines Wasserkraftwerks anzutreiben. Beide Verfahren bieten derzeit die einzige Möglichkeit, sehr große Energiemengen zu speichern, erfordern aber Höhenzüge und Kavernen.

SMES hingegen wären von solchen lokalen Gegebenheiten unabhängig, und sie könnten auch viel schneller entladen werden. „Keine andere Technologie kann so rasch von voller Ladung auf Entladung umschalten“, sagt Cesar Luongo, Spezialist für kompakte Magnetfelder bei der Entwicklung des Fusionsreaktors ITER in Südfrankreich.

Dank ihrer schnellen Entladung könnten hinreichend große SMES Stromnetze in Zeiten hoher Nachfrage entlasten. ABB entwickelt zudem Schalter, mit denen die Energieeinspeisung aus SMES in ein Stromnetz auf bis zu eine Stunde ausgedehnt werden könnte.

Um mit den anderen Großspeicher-Technologien mithalten zu können, sei aber selbst ein SMES mit einer Kapazität von ein bis zwei Megawattstunden noch zu klein, sagt Luongo. Vielmehr seien zig Megawattstunden nötig. „Je billiger aber die anderen Technologien werden, umso weiter entfernt sich der Punkt, an dem Supraleiter-Speicher wettbewerbsfähig werden.“

Steven Minnihan, Analyst von Lux Research, verweist allerdings darauf, dass SMES zumindest haltbarer als Akkus und Schwungräder seien, da sie ohne bewegliche Teile auskämen, die verschleißen können. „Das ist ihr wesentlicher Vorteil“, sagt Minnihan.

Die Lebensdauer von SMES entspricht mit 10 bis 20 Jahren der von Druckluft- und Pumpspeichern. Akkus hingegen schaffen nur maximal zehn Jahre, meist jedoch deutlich weniger, während Schwungräder acht bis zwölf Jahre halten. Problematisch findet Minnihan, dass ABB für seine Technologie große Mengen an teuren Hochtemperatursupraleitern benötigt. „Die kosteneffizienteste Technologie sind SMES sicher nicht“, so Minnihan.

Zwar sind Hochtemperatursupraleiter in den vergangenen Jahren deutlich billiger geworden. Um konkurrenzfähig für den Einsatz in Stromnetzen zu sein, müsste ihr Preis aber noch drastisch sinken, räumt Ramanan ein. Solche harten Nüsse zu knacken, sei eines der Ziele der von der ARPA-E geförderten Projekte. „Wenn wir nicht daran glauben würden, dass diese Technologie ein Potenzial hat, hätten wir uns gar nicht erst an die Arbeit gemacht“, sagt Ramanan. (nbo)