Was ist thermische Energiespeicherung? Ein Leitfaden für die Zukunft der sauberen Energie

Der weltweite Übergang zu einer sauberen Energiewirtschaft, die von erneuerbaren Energiequellen wie Sonne und Wind angetrieben wird, ist in vollem Gange. Diese leistungsstarken Ressourcen stellen jedoch eine grundlegende betriebliche Herausforderung dar: Intermittenz. Die Sonne scheint nicht immer, und der Wind weht nicht immer, was zu einer zeitlichen Diskrepanz zwischen Energieerzeugung und -verbrauch führt. Diese Schwankungen können die Stromnetze belasten und die vollständige Integration der erneuerbaren Energien behindern.

In solchen Szenarien erweist sich die thermische Energiespeicherung (TES) als eine grundlegende Technologie. Sie bieten die entscheidende Flexibilität, die für den Aufbau eines widerstandsfähigen, zuverlässigen und dekarbonisierten Energiesystems erforderlich ist. Der Kernwert von TES liegt in ihrer Fähigkeit, den Moment der Energieerzeugung vom Moment des Verbrauchs zu entkoppeln. Eine hilfreiche Art, sich dies vorzustellen, ist eine groß angelegte "Wärmebatterie". Während eine herkömmliche Batterie Energie in chemischer Form speichert, speichert eine Wärmebatterie Energie in Form von Wärme oder Kälte. Sie fängt erschwingliche, reichlich vorhandene erneuerbare Energie ein, wenn sie verfügbar ist, und stellt sie Stunden, Tage oder sogar Jahreszeiten später zur Verfügung, wenn sie am meisten gebraucht wird und wertvoll ist.

Für Landeigentümer, Investoren und politische Entscheidungsträger ist ein klares Verständnis der thermischen Energiespeicherung unerlässlich, um neue Einnahmequellen zu erschließen, solide Finanzinvestitionen zu tätigen und eine wirksame Energiepolitik zu gestalten.

Im Kern handelt es sich bei der thermischen Energiespeicherung um eine Technologie, die darauf abzielt, thermische Energie durch Erwärmung oder Abkühlung eines Speichermediums zu speichern, damit die gespeicherte Energie zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden kann. Dieser Prozess ist bemerkenswert effizient und kann in einen grundlegenden dreistufigen Zyklus unterteilt werden.

Zunächst wird in der Ladephase eine Energiequelle genutzt, um die Temperatur des Speichermediums zu verändern. Diese Energie kann aus verschiedenen Quellen stammen, aber eine gängige Methode ist die Verwendung von kostengünstigem oder überschüssigem Strom aus dem Netz, häufig aus erneuerbaren Quellen, um einen Widerstandsheizer zu betreiben, der das Medium erwärmt. Alternativ kann das System auch konzentrierte Sonnenenergie einfangen oder industrielle Abwärme zurückgewinnen, die sonst verloren ginge. Nach dem Aufladen wird die thermische Energie während der Speicherphase in einem hoch isolierten System gespeichert, um den Wärmeverlust über die Zeit zu minimieren. Die Dauer der Speicherung ist ein wichtiger Konstruktionsparameter und kann von einigen Stunden bis zu vielen Monaten reichen. Wenn die Energie schließlich benötigt wird, wird sie in der Entladephase aus dem Speichermedium entnommen. Dies kann bedeuten, dass das heiße Medium durch einen Wärmetauscher geleitet wird, um Dampf für die Stromerzeugung zu erzeugen, Hochtemperaturwärme direkt an einen Industrieofen zu liefern oder heißes oder gekühltes Wasser für die Klimatisierung eines Gebäudes umzuwälzen.

Dieser einfache Zyklus macht TES zu einem vielseitigen Energiemanagementinstrument, das die Lücke zwischen Energieangebot und -nachfrage schließt.

Bei der thermischen Energiespeicherung handelt es sich nicht um eine einzelne Technologie, sondern um ein breit gefächertes Portfolio, wobei jeder Ansatz einzigartige Merkmale und Leistungsprofile aufweist. Diese Technologien werden grob in drei Hauptkategorien eingeteilt, die auf dem physikalischen oder chemischen Mechanismus basieren, der zur Energiespeicherung verwendet wird. Für Investoren und Entwickler ist es von entscheidender Bedeutung, die unterschiedlichen Kompromisse zwischen diesen Technologien zu verstehen.

Sensible Wärmespeicherung ist die ausgereifteste und kommerziell einfachste Form der TES. Das Prinzip ist einfach: Energie wird gespeichert, indem die Temperatur eines Speichermediums erhöht wird, und sie wird entladen, indem diese Wärme entzogen wird, wenn das Medium abkühlt. Die Wahl des Mediums ist eine wichtige Entscheidung für die Konstruktion. Für Niedertemperaturanwendungen ist Wasser aufgrund seiner geringen Kosten und seiner hohen Wärmekapazität unübertroffen, weshalb es in Fernwärmesystemen dominiert. Für Hochtemperaturanwendungen, insbesondere in Solarkraftwerken, sind Salzschmelzen der Industriestandard, die bei bis zu 600 °C arbeiten können, um eine effiziente Stromerzeugung zu ermöglichen. Die größte Herausforderung bei Salzschmelzen ist ihr hoher Gefrierpunkt, der zusätzliche Heizsysteme erfordert, um Verstopfungen zu vermeiden. Eine dritte Möglichkeit sind feste Medien wie Steine, Sand und Keramikziegel. Diese Materialien sind robust, kostengünstig und können extrem hohen Temperaturen (über 1.000 °C) standhalten, wodurch sie sich hervorragend für die Bereitstellung sauberer, hochwertiger Wärme für die Schwerindustrie eignen.

Latentwärmespeichersysteme stellen einen fortschrittlicheren Ansatz dar, bei dem Phasenwechselmaterialien (PCM) verwendet werden. Diese Stoffe speichern und geben große Mengen an Energie ab, wenn sie zwischen dem festen und dem flüssigen Zustand wechseln. Der entscheidende technische Vorteil dieses Prozesses besteht darin, dass diese Energieübertragung bei einer nahezu konstanten Temperatur erfolgt, was eine präzisere Wärmesteuerung in verschiedenen Anwendungen ermöglicht. Die breite Einführung der LHS-Technologie wird derzeit weniger durch das Konzept als vielmehr durch erhebliche materialwissenschaftliche Herausforderungen behindert. Das Hauptaugenmerk der Forschung und Entwicklung liegt auf der Verbesserung der Langzeitstabilität von PCMs, da einige von ihnen dazu neigen, sich bei wiederholten Frost-Tau-Zyklen zu zersetzen, und auf der Verbesserung ihrer Wärmeleitfähigkeit, um ein schnelleres Auf- und Entladen zu ermöglichen. Das geistige Eigentum und das künftige Wachstum des LHS-Marktes liegen in der Entwicklung fortschrittlicher PCMs, die diese Einschränkungen überwinden

Die thermochemische Speicherung ist die fortschrittlichste und in vielerlei Hinsicht die transformativste Kategorie der Wärmespeicherung. Im Gegensatz zu SHS und LHS, die Energie als fühlbare oder latente Wärme speichern, wird bei TCS Energie im Potenzial reversibler chemischer Bindungen gespeichert. Bei diesem Prozess treibt Hochtemperaturwärme eine endotherme Reaktion an, bei der eine chemische Verbindung in zwei oder mehr separate Produkte aufgespalten wird. Diese Produkte können dann bei Umgebungstemperatur auf unbestimmte Zeit mit praktisch null Energieverlust gelagert werden. Wenn Energie benötigt wird, werden die Produkte in einer exothermen Reaktion rekombiniert, wobei die gespeicherte chemische Energie als Hochtemperaturwärme freigesetzt wird. Diese Fähigkeit zur wirklich verlustfreien Langzeitspeicherung macht FKS zu einem erstklassigen Kandidaten für saisonale Anwendungen, wie z. B. das Einfangen von reichlich vorhandener Sonnenenergie im Sommer und deren Freigabe als Wärme im Winter. Obwohl sie die am wenigsten ausgereifte der drei Technologien ist, verspricht TCS ein neues Maß an Netzflexibilität zu ermöglichen.

Die thermische Energiespeicherung ist eine vielseitige Plattform mit einer breiten Palette von Anwendungen, die für verschiedene Interessengruppen einen deutlichen Mehrwert schaffen. Von der Stabilisierung der nationalen Stromnetze bis hin zur Dekarbonisierung der Schwerindustrie sind TES ein wichtiges Instrument für die Energiewende.

Bei der konzentrierenden Solarenergie verwandelt die Integration von TES in Salzschmelztanks eine intermittierende Solarquelle in ein einsatzfähiges erneuerbares Grundlastkraftwerk, das rund um die Uhr zuverlässig Strom liefern kann. Für das Stromnetz im weiteren Sinne wirken TES als starke stabilisierende Kraft, indem sie die schwankende erneuerbare Leistung aufnehmen und als gleichmäßigen, vorhersehbaren Stromblock abgeben. Dies erhöht die Zuverlässigkeit und Widerstandsfähigkeit des Netzes.

Im Industriesektor, der eine der größten Herausforderungen bei der Dekarbonisierung darstellt, bietet TES einen direkten und wirtschaftlich überzeugenden Weg zur Elektrifizierung der Industriewärme. Durch die Nutzung von kostengünstigem Strom aus erneuerbaren Energien zur Beheizung eines Speichermediums wie Keramikziegeln können TES-Systeme saubere, zuverlässige Hochtemperaturwärme auf Abruf liefern und so fossil befeuerte Heizkessel und Öfen direkt ersetzen und gleichzeitig eine Absicherung gegen schwankende Brennstoffpreise bieten.

Für die gebaute Umwelt schließlich bietet TES eine Reihe leistungsstarker Lösungen. In großem Maßstab können zentralisierte TES-Systeme als Herzstück von Fernwärme- und Fernkältenetzen dienen. In einzelnen Geschäftsgebäuden können Kühlspeichersysteme den Stromverbrauch während der Spitzenzeiten drastisch senken. Dies senkt nicht nur die Stromrechnungen, sondern erhöht auch die Widerstandsfähigkeit unserer Gemeinden.

Für Investoren hängt die Entscheidung, ein Projekt zur thermischen Energiespeicherung zu finanzieren, von einer klaren wirtschaftlichen Logik ab. Die Rentabilität einer TES-Anlage hängt oft weniger von der Kerntechnologie selbst als vielmehr von der Marktstruktur und den Netzdienstleistungsmöglichkeiten ab, in denen sie betrieben wird.

Das wichtigste Konzept zur Maximierung der finanziellen Rendite eines TES-Projekts ist die Aufteilung der Einnahmen. Wenn man sich auf einen einzigen Wertstrom verlässt, wird das Ertragspotenzial eines Projekts erheblich eingeschränkt. Die erfolgreichsten TES-Projekte sind so konzipiert, dass sie mehrere Einnahmequellen gleichzeitig erschließen. Dazu gehört die Erzielung von Einnahmen aus Energiearbitrage zu bestimmten Zeiten, indem mit günstigem Strom geladen und bei hohen Preisen entladen wird. Für Industriekunden bedeutet dies, dass sie durch die Senkung der Nachfragegebühren Einsparungen erzielen. Auf organisierten Elektrizitätsmärkten bedeutet dies, dass man sich um die Bereitstellung wertvoller Hilfsdienste wie die Frequenzregelung bewirbt. Ein ausgeklügeltes Energiemanagementsystem, das den Betrieb der Anlage in Echtzeit optimieren kann, ist der Schlüssel zur Erschließung dieses vollen Werts.

Eine unterstützende Regierungspolitik spielt eine entscheidende Rolle bei der Beschleunigung der Einführung. In den Vereinigten Staaten hat sich der Inflation Reduction Act (IRA) als besonders wirkungsvoll erwiesen. Er änderte die Investitionssteuergutschrift (Investment Tax Credit, ITC), so dass sie erstmals auch für eigenständige Energiespeicherprojekte zur Verfügung steht. Dies bietet eine enorme Flexibilität bei der Standortwahl und Gestaltung von Projekten. Die 30-prozentige Basisgutschrift mit potenziellen Bonuszuschlägen senkt die Vorlaufkosten erheblich und verbessert die Wirtschaftlichkeit der Projekte. Diese Unterstützung auf Bundesebene in Verbindung mit den Beschaffungszielen und Anreizprogrammen der einzelnen Bundesstaaten gibt der Branche starken Rückenwind.

Viele TES-Technologien sind zwar ausgereift und kommerziell verfügbar, doch der Weg zu einer breiten Anwendung ist mit kontinuierlicher Innovation gepflastert. Die Zukunft wird durch schrittweise Verbesserungen bestehender Systeme und bahnbrechende Forschungen zu Technologien der nächsten Generation bestimmt. Die Forschungslandschaft ist dynamisch und konzentriert sich auf die Entwicklung von Salzschmelzen der nächsten Generation, die bei höheren Temperaturen und damit effizienter arbeiten können, auf die Entwicklung von nanoverbesserten Phasenwechselmaterialien mit überlegener Stabilität und Wärmeübertragung sowie auf die Entwicklung fortschrittlicher thermochemischer Reaktoren, um das Potenzial der Langzeitspeicherung zu erschließen.

Dieser technologische Fortschritt schlägt sich in einer robusten Marktprognose nieder. Der globale Markt für thermische Energiespeicherung wird den Prognosen zufolge bis zum Ende des Jahrzehnts mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von über 10 % erheblich wachsen. Dieses Wachstum wird durch den zunehmenden Einsatz erneuerbarer Energien, den Vorstoß zur Dekarbonisierung der Industriewärme und eine unterstützende Regierungspolitik angetrieben.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Übergang zu einer sauberen Energiewirtschaft eine grundlegende Neugestaltung unserer Energiesysteme erfordert, um flexibler und zuverlässiger zu werden. Die thermische Energiespeicherung ist bei diesem Übergang nicht nur eine Option, sondern eine unverzichtbare und vielseitige Technologie, die eine zentrale und wachsende Rolle beim Aufbau der sauberen, zuverlässigen und wohlhabenden Energiezukunft spielen wird, die wir uns alle vorstellen.