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Bagger gräbt im Sand.
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Heißer Sand könnte Forschern zufolge als verlässlicher Energiespeicher dienen.

Energiewende

Forscher wollen heißen Sand als Speicher für erneuerbare Energien nutzen - statt Batterien

  • Ines Alberti
    VonInes Alberti
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Erneuerbare Energien schön und gut - doch wo kommen Strom und Wärme her, wenn kein Wind geht und es dunkel ist? Eine neue Methode zur Energiespeicherung soll Abhilfe schaffen.

Wollen wir extreme Wetterphänomene wie die Flutkatastrophe im Sommer in Deutschland* in Zukunft vermeiden, müssen wir die Erderwärmung minimieren, so weit es geht. Dafür wiederum müssen die Treibhausgas-Emissionen sinken - auch im Energiesektor. Dort spricht man von einer Dekarbonisierung durch den Einsatz kohlenstoffarmer Energiequellen. Statt Strom aus Kohlekraftwerken soll also etwa Strom aus Wind- oder Solarenergie verwendet werden. Problematisch kann es bloß werden, wenn kein Lüftchen weht oder die Sonne untergeht. Hier kommen Energiespeicher ins Spiel, in denen Vorräte gesammelt werden. Sie werden immer wichtiger, je mehr wir von erneuerbaren Energien abhängig sind.

Häufig sind dafür Batterien im Einsatz. „Bisher wurden vor allem Blei-Säure-Batterien eingesetzt. Mittlerweile kommen vermehrt auch die aus Mobiltelefonen und Laptops bekannten Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz, unter anderem da sie einen hohen Gesamtwirkungsgrad von ca. 85 Prozent haben“, schreibt das Bundeswirtschaftsministerium. Letztere sind wegen ihrer hohen Energiedichte beliebt. Allerdings seien sie für den großtechnischen Einsatz noch recht teuer, Kostensenkungen werden erst in den nächsten Jahren erwartet. Lithium-Ionen-Batterien sind außerdem umstritten, da die Rohstoffgewinnung ökologische und sozioökonomische Herausforderungen mit sich bringt, wie das Öko-Institut in einer Kurzstudie beschreibt.

Erneuerbare Energien: Sand als Speicher für schlechte Zeiten

Forscher aus den USA arbeiten nun jedoch an einem Energiespeicher, der aus einem Material besteht, das es tatsächlich haufenweise auf der Erde gibt: Sand. Sie wollen das Sediment dafür in große Silos packen. Wissenschaftler des National Renewable Energy Laboratory (NREL) in Colorado testen gerade einen Prototyp. Sie bezeichnen den Ansatz, den ihr Projekt namens „ENDURING“ verfolgt, in einer Pressemitteilung als „verlässliche, kosteneffiziente und skalierbare Lösung, die sich überall befinden kann“. Speicherbarer, elektrisch beheizter Sand könne somit Strom auf Abruf liefern.

Das System benutzt der Mitteilung zufolge überschüssige Energie aus Sonne oder Wind, um das Speichermaterial Quarzsand zu erhitzen - auf 1200 Grad Celsius. Man solle sich vorstellen, der Sand werde durch einen riesigen Toaster gegossen. Danach werden die erhitzten Partikel in isolierte Betonsilos eingespeist. Dabei haben die Forscher das Basissystem auf eine Speicherung von bis zu 26.000 Megawattstunden ausgelegt. Die Kapazität könne aber einfach nach oben oder unten skaliert werden.

„Wenn Energie benötigt wird, werden die heißen Partikel durch einen Wärmetauscher geleitet, der ein Arbeitsgas erhitzt und unter Druck setzt, um die Turbomaschinen und Rotationsgeneratoren anzutreiben, die Strom für das Netz erzeugen“, schreiben die Forscher. In Zeiten mit hohem Strombedarf - zum Beispiel morgens oder abends, beim Kochen oder Fernsehen - und wenn nur begrenzt Strom aus Wind- oder Solaranlagen zur Verfügung steht, entlade sich das System. Anschließend werden die verbrauchten, kalten Partikel wieder in ein Silo geleitet.

Sand als Energiespeicher könnte Ausbau erneuerbarer Energien vorantreiben

Das „ENDURING“-System bietet laut seinen Entwicklern einige Vorteile gegenüber anderen Speichertypen: Quarzsand ist relativ günstig, den Forschern zufolge 30 bis 50 US-Dollar je Tonne und hat weitaus schwächere ökologische Auswirkungen als etwa Lithium-Ionen-Batterien. Zwar ist deren Energiedichte höher - sie können also mehr Strom auf kleinerem Raum transportieren, wodurch sie sich gut für Sektoren wie Transport eignen - aber die Wertschöpfungskette hat ihren Preis. Das vorgestellte System sei durch die Verwendung von Quarzsand als Speichermedium sicher, „was es zum idealen Kandidaten für massive, langfristige Energiespeicherung macht“.

So könnte eine Energiespeicheranlage nach „ENDURING“-Modell aussehen.

Ein weiterer Vorteil sei die örtliche Unabhängigkeit, das System könne überall im Land aufgestellt werden. Man könne sogar die bestehende Infrastruktur, etwa von ehemaligen Kohle- oder Gaskraftwerken, nutzen. „ENDURING-Technologie kann die Expansion einer Generation erneuerbarer Energien im ganzen Land unterstützen. Der Bau dieser kostengünstigen thermischen Partikelspeichersysteme in den USA könnte Versorgungsunternehmen dabei helfen, Solar- und Windenergie weiterzunutzen, ohne das Risiko einer Destabilisierung des Netzes oder der Notwendigkeit einer Einschränkung der erneuerbaren Energieerzeugung einzugehen“, schreiben die Wissenschaftler. Außerdem stellten die Systeme auch Energiereserven bereit, damit Gemeinden entspannter durch andauernde Wetterereignisse navigieren könnten, etwa eine wochenlange Kaltfront oder eine Hitzewelle im Sommer.

Deutschland: Vulkangestein als Energiespeicher in Hamburg

Die USA planen einen Kohleausstieg bis 2035 und wollen bis 2050 eine Netto-Null-Emissions-Wirtschaft erreichen. In Deutschland will man 2038 Abschied von der Kohle* nehmen und bereits bis 2045 klimaneutral sein. Die Forscher des NREL sehen im „ENDURING“-Projekt beziehungsweise in der thermalen Partikelenergiespeicherung großes Potenzial für das Erreichen der Klimaziele. „Während die Dekarbonisierung von Strom einen klaren Weg hat, ist die Dekarbonisierung der gesamten Wirtschaft – zu der Dinge wie Gebäudewärme und industrielle Prozesse gehören – eine größere Herausforderung, da Erdgas sehr billig und daher schwer zu ersetzen ist“, sagt Hauptforscher Zhiwen Ma. „Industrielle Prozesse zu dekarbonisieren und Wärme aufzubauen ist sehr schwierig.“ Die Umwandlung von erneuerbarem Strom in Wärme sei eine Möglichkeit, diese Sektoren zu dekarbonisieren.

Die Prototypen der Heizgeräte und Wärmetauscher werden derzeit unter Hochtemperaturbedingungen getestet. Wenn die prototypischen Aufgaben in diesem Herbst erfolgreich sind, ist Ma zuversichtlich, dass die Technologie großes Potenzial zur Unterstützung der erneuerbaren Integration für eine zukünftige kohlenstofffreie Energieversorgung bietet.

Neben Batterien sind hierzulande Pumpspeicherkraftwerke weit verbreitet, aber auch in Deutschland wird bereits an alternativen Stromspeichern geforscht. In Hamburg ist ein Speicher mit Vulkangestein schon Realität. Laut dem Bundeswirtschaftsministerium kann das System bis zu 130 Megawattstunden thermische Energie rund eine Woche lang speichern - oder 1.500 Haushalte 24 Stunden lang mit Strom versorgen. (ial) *fr.de ist ein Angebot von IPPEN.MEDIA.

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