Die Welt bewegt sich in Richtung erneuerbarer Energien, doch eine große Herausforderung bleibt bestehen: die effiziente Speicherung von Energie. Ein von der EU gefördertes Forschungsteam untersucht den Einsatz von Druckluft zur Speicherung überschüssiger Energie, die von Solarmodulen gesammelt wird.  Eine Pilotanlage an der Plataforma Solar de Almería, einem Forschungszentrum für Solartechnologie in Südspanien, wird ein Konzept demonstrieren, das solarthermische Energie nutzt und eine nachhaltige und kostengünstige Alternative zur herkömmlichen Batteriespeicherung bieten wird.

Durch die Erfassung und Speicherung von thermischer Energie (Wärme) stellt dieser innovative Ansatz sicher, dass Solarenergie auch dann genutzt werden kann, wenn die Sonne nicht scheint. Dies trägt zur Stabilisierung des Stromnetzes und zur Beschleunigung des Übergangs Europas zu einer sauberen Energiezukunft bei.

Ausgleich von Angebot und Nachfrage

Laut Professor David Sánchez, einem Experten für Energiesysteme an der Universität Sevilla in Spanien, liegt das Problem darin, dass eine Erhöhung der installierten Kapazität von Photovoltaikmodulen nicht dazu beiträgt, nachts Energie bereitzustellen oder zu garantieren, dass Strom immer dann verfügbar ist, wenn er benötigt wird. Theoretisch liefert die Sonne reichlich Energie. Laut der Kommission trägt Solarstrom bereits erheblich zum Energiemix in Europa bei und könnte nach aktuellen Markttrends bis 2040 bis zu 20 % des Strombedarfs in der EU decken.

Allerdings erzeugen Solarmodule Strom dann, wenn die Nachfrage am geringsten ist – nämlich mitten am Tag. Am Abend, wenn die Sonne dann untergegangen ist, erreicht der Strombedarf seinen Höhepunkt, aber Solarenergie steht nicht zur Verfügung. „Erneuerbare Energie geht verloren, weil wir nicht genug Speicherkapazitäten haben“, erklärt Fritz Zaversky, Forschungsingenieur am CENER (Centro Nacional de Energías Renovables) in Spanien.

Mechanische Speicherung

Sowohl Zaversky als auch Sánchez sind Teil einer vierjährigen, EU-finanzierten Forschungsinitiative namens ASTERIx-CAESar, die ein innovatives, hocheffizientes solarthermisches Kraftwerk entwickelt, das zwei separate Konzepte integriert: konzentrierte Solarenergie und Druckluftspeicherung. „Die Druckluftspeicherung ist kein neues Konzept und wurde bereits in kommerziellem Maßstab demonstriert“, sagt Zaversky.

Derzeit gibt es weltweit drei Druckluftspeicherkraftwerke, die in Deutschland, den USA und China betrieben werden. Weitere Standorte werden derzeit erkundet und entwickelt. Bei der Druckluftspeicherung wird kostengünstiger überschüssiger Strom genutzt, um Luft auf hohen Druck zu komprimieren. Diese Druckluft wird gespeichert und dann verwendet, um Turbinen anzutreiben und Strom zu erzeugen, wenn Energie benötigt wird.

Im Gegensatz zu Batterien sind diese Technologien nicht auf kritische Rohstoffe angewiesen, die mit anderen batteriebasierten Technologien wie Elektroautos konkurrieren. Wenn darüber hinaus ein unterirdisches Speicherbecken wie eine Kaverne oder ein altes Bergwerk als Speicher genutzt werden kann, senkt dies die Kosten weiter, erklärt Sánchez. Aber es gibt einen Nachteil.

Fossiler Nachteil

Druckluft kühlt während der Lagerung ab und muss vor der Verwendung erwärmt werden. In der Regel geschieht dies mit fossilen Brennstoffen, was die umweltfreundlichen Eigenschaften des Prozesses vermindert. „Das Konzept ist nicht kohlenstoffneutral, weil Erdgas verbrannt wird“, so Zaversky. Um dies zu lösen, versucht das ASTERIx-CAESar-Team, das aus Energieexperten und Akademikern aus acht EU-Ländern, der Schweiz und Großbritannien besteht, die Druckluftspeicherung mit einer anderen Form erneuerbarer Energie zu kombinieren, die als konzentrierte Solarenergie bekannt ist.

„Konzentrierte Solarenergie nutzt viele Spiegel, um Sonnenlicht auf einen einzigen Punkt zu fokussieren, und dieser Punkt befindet sich in der Regel an der Spitze eines Turms“, erklärt Zaversky. In herkömmlichen konzentrierten Solarkraftwerken wird die erzeugte Wärmeenergie zur Erhitzung einer Flüssigkeit, in der Regel geschmolzener Salze, verwendet, die dann als thermische Energiespeicherung fungiert. Sobald Strom benötigt wird, wird die Überhitzungswärme der Flüssigkeit verwendet, um Dampf zu erzeugen und eine Turbine anzutreiben, die Strom erzeugt.

Laut Zaversky sind herkömmliche konzentrierte Solarkraftwerke jedoch zu teuer, um mit anderen erneuerbaren Energien konkurrieren zu können. Die Forscher schlagen daher vor, die Technologie der konzentrierten Solarenergie mit der Druckluftspeicherung zu kombinieren, indem die Druckluft mit Solarwärme erhitzt wird, bevor sie in der Turbine expandiert „Unser Ansatz ist es, Solarwärme anstelle von Erdgas zu nutzen, um die Druckluftspeicherung kohlenstoffneutral zu machen“, so Zaversky.

In dem System, das sie entwickeln, wird kostengünstige erneuerbare Elektrizität genutzt, um Luft tagsüber für die Speicherung zu komprimieren, während konzentrierte Solarenergie ein thermisches Energiespeichersystem speist. Bei hoher Energienachfrage wird die thermische Energie genutzt, um die Druckluft zu erwärmen, wenn sie aus dem Speicher freigesetzt wird, um Turbinen anzutreiben.

Hohe Temperaturen

Sánchez sagt, dass die größte Herausforderung darin bestehen wird, eine Technologie zu entwickeln, die konzentrierte Solarenergie in thermische Energie bei etwa 800°C umwandeln und bei solchen hohen Temperaturen speichern kann. Er fügt hinzu, dass das wichtig ist, weil es den Temperaturen entspricht, die bei der Verbrennung von Erdgas verwendet werden. Außerdem erhöhen höhere Temperaturen die Leistung und Effizienz des Prozesses.

Die Pilotanlage in Spanien wird diese Ideen in die Praxis umsetzen. Sie werden einen bereits vorhandenen Solarturm zur Konzentration von Solarenergie aufrüsten, indem sie einen Druckluftspeicher mit Hochdruckspeichertanks hinzufügen, um das Hybridsystem zu schaffen. Das Team möchte zeigen, dass ihr Hybridkonzept im kleinen Maßstab funktioniert. Danach ist es nach Ansicht von Zaversky notwendig, eine Demonstrationsanlage im mittleren Maßstab zu entwickeln. Wenn sich diese als erfolgreich erweist, könnte die Technologie zum Einsatz kommen.

Solareffizienz

Ihr Ziel ist es, ein hocheffizientes solarthermisches Kraftwerk zu bauen, das rund um die Uhr erneuerbare Energie bereitstellen kann. Da es über eine ausreichende Speicherkapazität verfügt, kann es die dringend benötigte Netzstabilität gewährleisten und die Nutzung erneuerbarer Energien fördern. Die Umwandlungseffizienz von Solarenergie in elektrische Energie dieses Systems wird voraussichtlich bei etwa 40 % liegen, was doppelt so hoch ist wie die Effizienz der heute auf dem Markt erhältlichen Solarmodule, die eine Effizienz von 15 bis 24 % erreichen.

Laut Zaversky gibt es mehrere Standorte in Europa, an denen dieses Konzept betrieben werden könnte, insbesondere in südeuropäischen Ländern wie Frankreich, Griechenland, Italien und Spanien. „Die griechischen Inseln sind besonders geeignet, da sie über ein hohes Solarenergiepotenzial verfügen und es Standorte gibt, an denen Druckluft unterirdisch gespeichert werden könnte.“ Die in diesem Artikel beschriebene Forschung wurde vom Horizon-Programm der EU gefördert. Die Ansichten der Befragten spiegeln nicht unbedingt die der Europäischen Kommission wider.

Weitere Informationen:

· ASTERIx-CAESar

· ASTERIx-CAESar-Projektwebsite

· REPowerEU – Bezahlbare, sichere und nachhaltige Energie für Europa

· Photovoltaisches Geoinformationssystem

· Solarenergie