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Flüssige Luft als Alternative

Systeme, die Energie mit mechanischen Prinzipien speichern, werden in der zukünftigen Energielandschaft Batterien und Pumpspeicherkraftwerke ergänzen. Sie ermöglichen eine Leistungsabgabe im Megawattbereich sowie die Speicherung von Strom über einen langen Zeitraum und einen hohen Wirkungsgrad. Aber auch die Speicherung von Energie als flüssige Luft wäre eine alternative Form der Langzeitspeicherung.

Zwischen Pumpspeicherkraftwerken auf der einen und Batterien auf der anderen Seite geht die Forschung in Richtung zahlreicher Alternativen zur Langzeitspeicherung von Energie. Sie sollen kostengünstiger als Lithium-Ionen- oder Redox-Flow-Batterien sein. Außerdem sollen sie in der Lage sein, Energiemengen im Megawattbereich zu speichern und abzugeben.

Vor allem mechanische Energiespeicher könnten hier in Zukunft eine interessante Lösung bieten. Unter diesem Begriff werden verschiedene Technologien zusammengefasst, die auf unterschiedlichen mechanischen Funktionsprinzipien basieren. Dazu gehören unter anderem Gravitationsspeicher sowie Systeme, die Energie in Form von Druckluft oder verflüssigter Luft speichern. Diese Lösungen basieren auf reifen Technologien wie Kompressoren, Wärmeübertragern und Tanks und benötigen keine problematischen oder gefährlichen Rohstoffe. Ihr einfaches Funktionsprinzip ermöglicht hohe Wirkungsgrade, in den meisten Fällen nahe 80 Prozent. Schließlich sind mechanische Energiespeicher im Gegensatz zu elektrochemischen Systemen nicht von der Selbstentladung betroffen, so dass sie Strom für eine unbestimmte Zeit speichern können.

Die Gravitation nutzen

Das Prinzip der Gravitationsspeicher ist dabei sicher das einfachste. Dabei zieht überschüssiger Strom ein Gewicht in die Höhe. Wenn Energie im Netz benötigt wird, sinkt das Gewicht einfach wieder nach unten – die elektrische Winde wird dabei zum Generator. Das Edinburgher Start-up Gravitricity hat die Funktion dieses Speicherprinzips bereits in Form eines 250-Kilowatt-Demonstrators nachgewiesen. Das Unternehmen plant entsprechende Anlagen allerdings in deutlich größerem Maßstab. Dabei sollen bis zu 24 Gewichte mit einer Gesamtmasse von 12.000 Tonnen zur Speicherung eingesetzt werden. Damit ließe sich eine Leistung von vier bis acht Megawatt speichern und es ließen sich rund 5.000 Haushalte eine Stunde lang mit Energie versorgen.

Statt wie beim Demonstrator einen Turm zu bauen, will Gravitricity in Zukunft die Anlagen entweder in stillgelegten Bergwerksschächten oder in eigens dafür angelegten Schächten verbauen. Ein großer Vorteil des Systems ist, dass die Energie mit einer Reaktionszeit von weniger als einer Sekunde abgegeben werden kann. Charlie Blair, Geschäftsführer von Gravitricity, ergänzt: „Ein wesentliches Merkmal unserer Full-Scale-Projekte wird ihre lange Lebensdauer sein. Einmal gebaut, kann unser System mehr als 25 Jahre halten, ohne Leistungsverlust oder Verschleiß im Laufe der Zeit. Das macht die Schwerkraftspeicherung kosteneffizient. Und im Gegensatz zu Batterien sind wir zudem nicht auf seltene Metalle wie Kobalt und Nickel angewiesen, die im Zuge der weltweiten Elektrifizierung immer knapper werden.“

Druckluft als Speicher

Ein ähnlich einfaches Prinzip ist die Speicherung von Energie in Form von Druckluft. Einen derartigen Speicher betreibt die Firma 2-4 Energy UG seit Anfang 2019. Der Prototyp arbeitet hydraulisch-pneumatisch, verdichtet Umgebungsluft bis 300 bar und speichert sie in handelsüblichen Druckgasbehältern. Beim Entladevorgang gibt diese Druckluft ihre Energie wiederum hydraulisch an einen Generator, der daraus elektrischen Strom erzeugt. Neben dem Hauptzweck, aus gespeicherter Energie wieder Strom zu erzeugen, kann die Anlage auch Wärme für die Warmwasserversorgung und Kälte für Kühlzwecke bereitstellen. Dank dieser möglichen Kopplung der einzelnen Komponenten ergibt sich ein sehr hoher Gesamtnutzen. Dabei spielt die Speicherdauer keine Rolle. So kann zum Beispiel Energie im Frühjahr eingespeichert und ab Herbst wieder entnommen werden.

Flüssige Luft als Alternative

Etwas aufwändiger ist die Speicherung von Energie in Form von flüssiger Luft (liquid air). Überschüssiger Strom komprimiert dabei Luft, kühlt sie auf -190 Grad Celsius herunter und verflüssigt sie anschließend durch Expansion – genau wie in jeder kryogenen Luftzerlegungsanlage. Dann wird die flüssige Luft nahe Umgebungsdruck in einem isolierten Tank gespeichert – bei einer Dichte von mehr als dem 700fachen der Umgebungsluft. Wenn wieder Strom gebraucht wird, wird die Flüssigluft durch eine Pumpe auf Druck gebracht, erwärmt, verdampft und schließlich im Entladeteil in einer oder mehreren Turbinen entspannt – und so wieder Strom erzeugt.

Die aktuell größte Anlage zur Speicherung von Energie mit flüssiger Luft entsteht derzeit in Carrington Village in Großbritannien. Highview Power realisiert dort eine 50-Megawatt-Liquid-Air-Energiespeicheranlage mit einer Mindestkapazität von 250 Megawattstunden. In einem nächsten Projekt wird das Unternehmen in mehreren Regionen Spaniens insgesamt bis zu sieben ähnliche Anlagen, mit einer Gesamtkapazität von zwei Gigawattstunden, installieren. Sie werden mehrere spanische Regionen in die Lage versetzen, ihr Netto-Null-Emissionsziel zu erreichen. Javier Cavada, CEO und Präsident von Highview Power: „Da Spanien immer mehr erneuerbare Energien in das Netz einspeist, werden Langzeit-Energiespeicher eine entscheidende Rolle spielen, um die Netzstabilität zu gewährleisten und dem Land zu helfen, die Dekarbonisierungsziele des Nationalen Energie- und Klimaplans zu erreichen.“

(Im Bild: Der Gravitationsspeicher von New Energy Let’s Go)

Sustainable Energy Start-ups

Der Übergang zu einer kohlenstoffarmen Zukunft stellt die Wirtschaft auf den Kopf. Weltweit revolutioniert eine Vielzahl von Sustainable Energy Start-ups den Energiesektor. Mit ihren innovativen Ideen gestalten sie den Weg in eine nachhaltige Energiezukunft entscheidend mit und leisten einen wichtigen Beitrag zur erfolgreichen globalen Energiewende.

Acht Sustainable Energy Start-ups und ihre innovativen Ideen:

 

Tower of Power

Energy Vault bietet mit EVx ein System, bei dem ein spezielles Kransystem riesige Kompositblöcke anhebt und so Strom in Form mechanischer Energie speichert. Das System kann in 10-MWh-Schritten aufgebaut werden – bis zu einer Speicherkapazität von mehreren Gigawattstunden. Sowohl Anwendungen mit hohem Energiebedarf und kürzerer Speicherung (2–6 Stunden), als auch Speicheranwendungen mit längerer Dauer (6–12 Stunden und mehr) sind möglich.

www.energyvault.com

Nur Papier und Enzyme

BeFC hat eine ultradünne und flexible bioenzymatische Brennstoffzelle auf Papierbasis entwickelt. Sie nutzt Enzyme, um Glukose aus Zucker und Sauerstoff aus der Luft in Strom umzuwandeln. Die bioenzymatischen Brennstoffzellen erzeugen mehrere Milliwatt pro Quadratzentimeter, genug Strom für Sensoren und drahtlose Sender, und halten typischerweise zwischen einigen Tagen bis zu einigen Wochen, je nach Anwendung.

www.befc.global

Nachhaltige Solarzellenproduktion

HighLine Technology kommerzialisiert ein neues Verfahren, bei dem Metallkontakte auf der Solarzellenvorderseite kontaktlos in einem Dispens-Verfahren aufgebracht werden. Der Materialverbrauch von teurem Silber wird um circa 20 Prozent reduziert, die Kontakte werden dünner und die Stromausbeute erhöht. So steigt der Wirkungsgrad um rund ein Prozent relativ.

www.highline-technology.com

Mobile Stromversorgung ohne Emissionen

Das tragbare Stromversorgungssystem von Instagrid ist laut Hersteller das leistungsstärkste der Welt: Das Batteriesystem liefert Strom in Netzqualität und wiegt dabei nur 20 Kilogramm. Durch die extrem hohe Spitzenleistung (18.000 Watt) und die Robustheit des Systems (Schutzklasse IP54+) kann das System alle Werkzeuge mit Strom versorgen und im Grunde überall völlig ortsunabhängig arbeiten.

www.instagrid.co

Luft als Stromspeicher

Das standardisierte, massengefertigte elektrische Großspeichersystem von phelas basiert auf einem proprietären Ansatz zur Flüssigluft-Energiespeicherung. Es nutzt universell verfügbare Luft als Speichermedium. Für die thermische Speicherung werden leicht verfügbare Materialien wie Kies verwendet. Die Technologie bietet einen Kostenvorteil für große Energiemengen bei gleichzeitig hoher Zyklenfestigkeit.

www.phelas.com

In fünf Minuten aufgeladen

StoreDot ist ein Pionier auf dem Gebiet der XFC-Batterien (Extreme Fast Charging). Das Unternehmen hat die konventionelle Li-Ionen-Batterie durch die Entwicklung und Synthese von proprietären organischen und anorganischen Verbindungen revolutioniert. Dadurch lassen sich Batterien herstellen, mit denen ein Elektrofahrzeug in nur fünf Minuten vollständig aufgeladen werden kann.

www.store-dot.com

Erneuerbare Energien für Entwicklungsländer

Ecoligo finanziert Solarprojekte in Schwellenländern über die Crowdinvesting-Plattform ecoligo.investments. Dies ermöglicht es Privatanlegern, in erneuerbare Energien zu investieren, die lokale wirtschaftliche Entwicklung in Entwicklungs- und Schwellenländer zu unterstützen sowie den Klimawandel zu bekämpfen. Das Solar-as-a-Service-Konzept wurde bisher in Ost- und Westafrika, Mittelamerika und Südostasien eingeführt.

www.ecoligo.investments

Kreislaufwirtschaft für Batterien

Mit einem offenen Big-Data-Marktplatz für Batteriedaten, -zellen und -recycling will Circunomics eine Kreislaufwirtschaft für Batterien ermöglichen. Das Start-up liefert Lebenszyklus- und Preisalgorithmen und standardisierte Datenschnittstellen und verbindet Industriepartner über alle Stufen der Batterielieferkette miteinander. Ziel ist es, den Wiederverkaufswert von Batterien zu maximieren und die Recyclingkosten zu senken.

www.circunomics.com