9. November 2020

Innovatives Konzept speichert große Mengen Energie

Der weltweite Zubau Erneuerbarer Energien – insbesondere der Wind- und Solarkraft – ist ungebrochen. Exponentielle Zubauraten von über 20% pro Jahr weltweit deuten auf eine unumkehrbare Entwicklung hin. Das wirkt sich auf die Erzeugungskosten aus. Und erfordert vor allem eins: neue Speicherlösungen.

In sonnenreichen Ländern wie beispielsweise der Golfregion, den USA, China, Indien aber auch Australien wird Strom aus Photovoltaik mittlerweile für unter 2 ct/kWh produziert. Damit sorgt die Sonnenkraft für eine günstigere Stromerzeugung als die fossile oder atomare Produktion – bisher allerdings nur tagsüber. Selbst bei der preisintensiveren Windkraft rutschen die Erzeugungskosten nach und nach unter 4ct/kWh. In einigen Regionen der USA sogar schon unter 3 ct/kWh. Die Ausschreibung von deutschen Off shore-Windkraft -Kapazitäten im Jahre 2018 berücksichtigte sogar ein Gebot von 0 ct/kWh – der bezuschlagte Investor, in diesem Fall die EnBW, glaubt also an die subventionsfreie Wettbewerbsfähigkeit von Off shore-Windkraft in einigen Jahren.

Energiespeicher – das neue „Öl“ der Energieversorgung

Eine Besonderheit bringen die Erneuerbaren Energien allerdings mit sich: Einen hohen Anteil von fluktuierenden Energien aus Sonne und Wind in die Stromnetze einzuspeisen, wird zu einer Belastung, die nur schwer zu beherrschen ist. Der Strom aus schwankenden Quellen wie Sonne und Wind muss tagsüber für mehrere Stunden gepuff ert werden, um die Versorgungssicherheit auch nachts und bei Flaute aufrechtzuerhalten. Speicherlösungen, die das gewährleisten, werden also unumgänglich sein.

„Gravity Storage“

Eine neuartige Technologie, die große Mengen Energie speichern kann, stellt der sogenannte „Gravity Storage“ dar: Dabei wird eine große Felsmasse in Form eines Kolbens, der zuvor aus dem natürlichen Gestein freigelegt wurde, hydraulisch hochgepumpt und der Raum unter dem Kolben mit Wasser gefüllt. Bei Strombedarf wird der Kolben dann abgelassen (Bild 1). Dieser drückt dann das Wasser durch Turbinen, die wie in einem normalen Wasserkraft werk Generatoren antreiben. Das Wasser fließt zurück in ein Becken oder ein natürliches Reservoire. Die Umwandlung von überschüssigem Strom mittels Pumpen in potentielle Energie des angehobenen Felszylinders erfolgt mit den gleichen Maschinensätzen wie in einem großen Wasserkraft werk oder Pumpspeicher. Das System hat einen Wirkungsgrad von mindestens 80 % – was es ökonomisch besonders attraktiv werden lässt.

Das Speicherkonzept soll in Größen zwischen 150 und 280 m Durchmesser wirtschaft lich (ohne Subventionen) betrieben werden. Das entspricht einer Speicherkapazität von 1 bis 10 Gigawattstunden (GWh). Zum Vergleich: der größte deutsche Pumpspeicher fasst 8 GWh. Die Mindestgröße des Felskolbens (ca. 150 m Durchmesser) hängt mit den geometrischen Gesetzmäßigkeiten zusammen: Eine Verdoppelung des Systemradius führt zur 16-fachen Speicherkapazität. Das gilt auch umgekehrt: Demnach reduziert ein halb so großer Radius die Kapazität auf ein Sechzehntel des Ausgangswertes. Da die Baukosten jedoch proportional zur Größe abnehmen, werden große Anlagen wesentlich ökonomischer zu betreiben sein, als solche mit einem kleineren Radius.

Entwicklungsphase und Herausforderungen

Das Konzept wird seit dem Jahr 2013 von Experten in Stuttgart und Chicago stetig weiterentwickelt. Derzeit ist ein Demonstrator in Planung. Wie bei jeder technischen Innovation gibt es auch bei „Gravity Storage“ ein paar besondere Herausforderungen:

Die erste besteht darin, den Kolben mit dem dazugehörigen Zylinder zu bauen. Hierbei werden im Wesentlichen Techniken aus dem Berg- und Tunnelbau eingesetzt, die weltweit gut entwickelt sind. Speziell für die Felsarbeiten ist zudem der Einsatz von Seilsägen vorgesehen.

Eine zweite Herausforderung besteht darin, den Wasserdruck von max. 70 bar zu bewältigen. Hierfür wurde eigens eine Rollenmembran-Dichtung (in Bild 1 rot markiert) entwickelt: Sie hält das Wasser zwischen Kolben und Zylinderwand zurück und läuft stetig mit dem sich bewegenden Kolben mit. Diese Dichtung wird mit dem gleichen Verfahren produziert wie die von Förderbändern, die extrem stabil und druckfest sowie gleichzeitig sehr biegsam sind.

Die Technologie des „Gravity Storage“ befindet sich in der Entwicklung und derzeit in einem Verkaufsprozess. Sie ist bereits in vielen Industriestaaten patentiert. Im Winter dieses Jahres soll das Vorhaben an einen strategischen Investor übergeben werden. Für 2022 ist der Baubeginn einer kleinen Pilotanlage geplant, die für alle entscheidenden Komponenten den Funktionsnachweis liefern soll. Dazu wurden bereits entsprechende Standortuntersuchungen vorangetrieben. Ob ein Standort für den Bau einer Anlage geeignet ist, hängt von seinen geo logischen Voraussetzungen ab: Die Geo logie muss kompaktes und festes Gestein wie Granit aufweisen.

Ökonomisch attraktive Lösung

Weil die Technologie an sich relativ simpel ist, gehen Experten von einer Lebensdauer der Anlagen von 60 Jahren und mehr aus. Das ist ein wesentlicher wirtschaftlicher und ökologischer Vorteil gegenüber Batterien, die bereits nach einigen Jahren ausgetauscht werden müssen. Die Investitionskosten einer „Gravity Storage“-Anlage liegen mit europäischen Preisen je nach Größe der Anlage zwischen 100 und 380 Euro je kWh Speicherkapazität. Bezieht man aber die Kosten für die gesamte Lebensdauer mit ein, sind die Levelised Costs of Storage (LCOS) entscheidend. Und diese liegen bei „Gravity Storage“ mit 9 bis 18 ct/kWh halb so hoch wie bei Batterien.

Die Groß-Speicherlösung könnte ihr Potenzial überall dort entfalten, wo Pumpspeicher entstehen würden – die dann aber aus topografischen Gründen nicht möglich sind, weil der Höhenunterschied fehlt. Deshalb eignen sich auch Wüsten als Standort für die innovative Technologie. Allerdings müsste hier die Wasseroberfläche des Reservoirs zur Vermeidung von Verdunstung vor der Sonne geschützt werden.

Fazit

Speicher wie „Gravity Storage“ können eine gute Lösung sein, um die Lücke zwischen Erneuerbaren Energien und einer sicheren Stromversorgung zu schließen. Insbesondere in Kombination mit sehr großen Photovoltaikanlagen werden Großspeicher deshalb ein vorteilhaftes Geschäftsmodell darstellen. Aktuell errichtete Photovoltaikanlagen werden für mindestens 40 Jahre in Betrieb sein und sodann am gleichen Standort durch neue und effizientere Module ersetzt werden. Das heißt, die großen Standorte für Photovoltaik werden weltweit mehr oder weniger für die Ewigkeit existieren und immer weiter produzieren. „Gravity Storage“ ist für eine Lebenszeit vergleichbar mit der von Pumpspeicherkraftwerken ausgelegt, das heißt mindestens 60 Jahre. Das älteste Pumpspeicherkraftwerk wird bald 100 Jahre alt und funktioniert bis heute.

Bilder: New Energy Let’s Go

www.gravity-storage.com