Am Ende einer Werkstatt in Lagergröße bauen ungefähr ein Dutzend Ingenieure in Schutzhelmen eine riesige blaue Maschine. Sechs Zylinder, jeder größer als eine Person, und ein Dickicht aus Rohren, Rohren und Ventilen ragen von einem Schiffsdieselmotor, der von einem dreistöckigen Gerüst umgeben ist, nach oben.
Die vom Start-up SustainX in Seabrook, New Hampshire, konzipierte Maschine ist darauf ausgelegt, Energie durch Komprimieren von Luft zu speichern. Ein Elektromotor dreht die Kurbelwelle des Motors, um die Kolben in den Zylindern darüber anzutreiben. Die Kolben pressen ein Gemisch aus Luft und Schaumwasser aus und pumpen die Druckluft in große Stahltanks, in denen sie wie eine Spiralfeder gehalten werden kann. Wenn ein Elektrizitätsversorgungsunternehmen Strom benötigt, werden die Tanks geöffnet, sodass die Luft herausströmen, den Motor antreiben und Strom für die Kunden des Versorgungsunternehmens erzeugen kann.
Es geht um viel. Wenn ein Unternehmen wie SustainX ein System liefern kann, mit dem Energie sogar für einige Stunden kostengünstig gespeichert werden kann, werden Wind und Sonne zu zuverlässigen Energieversorgern, eher wie Anlagen für fossile Brennstoffe. Schwankungen in der Wind- und Sonnenleistung könnten ausgeglichen werden, und überschüssige Energie aus Nachtwinden könnte zum Beispiel später abgesetzt werden, wenn die Nachfrage höher ist.
Die Maschine von SustainX und ähnliche Geräte stehen an der Spitze eines Technologierennens im Bereich Energiespeicherung. Die Arbeit des Unternehmens, die mit mehr als 30 Millionen US-Dollar aus privaten und staatlichen Mitteln finanziert wird, ist eine Wette, dass kluge Ingenieure, die billige und leicht verfügbare Materialien wie Luft und Wasser verwenden, die Legionen von Wissenschaftlern ausmerzen werden, die einen Durchbruch bei den Batterien anstreben.
Die hier im Mai 2013 abgebildete SustainX-Maschine nutzt die isotherme Drucklufttechnologie zum Speichern von Energie. (Foto: SustainX) Energiespeicher ziehen so viel Aufmerksamkeit auf sich, weil ein Durchbruch in Bezug auf Kosten und Leistung das Stromnetz sauberer und zuverlässiger machen könnte. Die Energieversorger haben jeden Tag einen konstanten Spagat: Um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, muss die in Kraftwerken erzeugte Strommenge dem entsprechen, was in Haushalten und Unternehmen verbraucht wird. Wenn zum Beispiel an einem heißen Sommertag die Nachfrage nach Klimaanlagen stark ansteigt, müssen Kraftwerke mehr Strom abbauen und wieder nach unten schalten, wenn die Nachfrage nachts nachlässt.
Der Energiespeicher fungiert als Reserve oder als Energiebankkonto. In Zeiten der Spitzenlast kann der Speicher Strom anstelle von fossilen Spitzenbrennstoffanlagen liefern. Die Technologie kann die variable Leistung von Wind- und Solarparks festigen oder die Kapazität von überlasteten Umspannwerken erhöhen, die die lokalen Nachbarschaften mit Strom versorgen. In oder in der Nähe von Gebäuden kann der Energiespeicher bei einem Stromausfall als Reserve dienen. Für viele dieser Anwendungen ist jedoch ein Gerät erforderlich, das einige Stunden oder sogar einen halben Tag mit Strom versorgt. Und es muss sicher und kostengünstig sein.
Für die mehrstündige Lagerung gibt es zwingende Gründe, mechanische Speichersysteme für elektrochemische Batterien zu verwenden, sagen Führungskräfte aus der Industrie. Batterien erfordern teurere Materialien wie Lithium oder Kobalt, die Lieferbeschränkungen unterliegen können. Im Gegensatz zu einem mechanischen System nimmt die Speicherkapazität eines Akkus mit der Zeit ab, wie die meisten Laptop-Benutzer festgestellt haben.
Dann gibt es das Innovationstempo. Im Allgemeinen ist das Entwicklungstempo in der Batterieforschung langsam - gemessen in Jahren und nicht in Monaten - und Leistungsverbesserungen erfolgen häufig inkrementell. Außerdem erfordert die Herstellung neuer Batterietypen in großem Umfang große Vorabinvestitionen in Fabriken. Im Gegensatz dazu könnte ein innovatives mechanisches System aus leicht modifizierten Motoren, Industriegastanks und anderen Geräten zusammengesetzt werden, die bereits gut verstanden und in großem Maßstab hergestellt werden.
"Es ist eine Art Herausforderung für die Systemintegration, anstatt ein bestimmtes Gerät zu erfinden und zu bauen, damit alles funktioniert", sagt Gareth Brett, CEO von Highview Power Storage in London, das mit Druckluft betriebene Flüssigluft verwendet und abgekühlt, bis es flüssig wird - um Energie im Netz zu speichern. "Unser geistiges Eigentum liegt darin, wie das System auf effiziente und kostengünstige Weise konstruiert und zusammengeführt wird."
Wenn es um die Speicherung von Strom für das Stromnetz geht, gilt Pumpspeicherwasserkraft als Goldstandard - eine relativ billige Technologie, die in den USA seit mehr als 80 Jahren Energie liefert. Wie der Name schon sagt, wird Wasser bei geringem Strombedarf bergauf in ein Reservoir gepumpt und bei Bedarf freigesetzt, um Strom durch eine Wasserkraftturbine zu erzeugen. Pumpspeicherkraftwerke können mehrere Stunden lang große Strommengen liefern, so dass Netzbetreiber Lücken in der Stromversorgung schließen können, ohne Kraftwerke zur Verbrennung fossiler Brennstoffe anzapfen zu müssen. Meistens sind sie jedoch auf bergiges Gelände beschränkt, das den zwischen den Stauseen erforderlichen Höhenunterschied bietet, und die Umweltverträglichkeitsprüfung dauert viele Jahre.
Das andere bewährte und kostengünstige Massenspeicherverfahren ist der Druckluftspeicher (CAES), bei dem Kompressoren Luft in unterirdische Kavernen pumpen. Wenn Strom benötigt wird, wird Druckluft freigesetzt und durch Verbrennen von Erdgas erwärmt. Diese Luft wird dann in eine Turbine gesprengt, um Elektrizität zu erzeugen. Es gibt weltweit zwei geologische Druckluftspeicheranlagen, von denen eine 1978 in Deutschland und eine 1991 in Alabama eröffnet wurde. Beide Anlagen sind nach wie vor in Betrieb und gelten als erfolgreich. Es wurden jedoch keine anderen gebaut, da es schwierig ist, Standorte mit einer geeigneten geologischen Formation zu finden und diese Projekte zu finanzieren. Ein drittes Kraftwerk könnte in Texas hinzukommen. Geplant ist ein 200-Millionen-Dollar-Projekt zur Speicherung von bis zu 317 Megawatt - vergleichbar mit der Leistung eines mittelgroßen Kraftwerks.
Innovatoren bei Energie-Startups haben sich von beiden Techniken inspirieren lassen und sind in verschiedene Richtungen gegangen. SustainX und das kalifornische Unternehmen Berkeley, LightSail Energy, schlagen vor, Luft zur Speicherung zu komprimieren, sie jedoch in oberirdischen Tanks aufzubewahren, was bedeutet, dass sie nicht auf Standorte mit unterirdischen Kavernen beschränkt sind. General Compression aus Newton, Massachusetts, hat ein Druckluftspeichersystem entwickelt, das direkt an Windkraftanlagen angebracht werden kann.
Der Hauptunterschied zu herkömmlichen CAES bei diesen Ansätzen, die als isotherme Druckluftspeicherung bezeichnet werden, besteht darin, dass vor Ort kein Kraftstoff verbrannt werden muss. Stattdessen fangen diese CAES-Unternehmen der zweiten Generation die Wärme ab, die entsteht, wenn Luft unter hohen Druck gesetzt wird. LightSail Energy beabsichtigt, beim Verdichten der Luft einen feinen Wassernebel zu versprühen und das heiße Wasser bis zu einem späteren Zeitpunkt zu speichern. Wenn Druckluft freigesetzt wird, um Elektrizität zu erzeugen, erwärmt das heiße Wasser anstelle eines Erdgasbrenners die Luft durch einen Wärmetauscher.
Ein möglicherweise billigerer CAES-Ansatz ist das Speichern von Druckluft in Stoffbeuteln unter Wasser. Bei der Lagerung von Luft in Stahltanks muss der Stahl dick genug sein, um Hochdruckluft aufzunehmen. Aber der Wasserdruck könnte die Arbeit erledigen - kostenlos. Der ehemalige Raketeningenieur Scott Frazier sah bei seiner Arbeit bei einem Solar-Startup die Notwendigkeit eines kostengünstigen Speichersystems voraus, das nahezu überall aufgestellt werden konnte. 2010 gründete er mit Bright Energy Storage Technologies die Idee, Druckluft in großen Blasen zu speichern, die am Meeresboden oder am Boden von Süßwasserspeichern verankert sind.
"Wenn ich einen oberirdischen Tank habe, muss ich mehr für höheren Druck bezahlen. Je mehr Luft ich einpumpt, desto mehr Stahl brauche ich - es ist ziemlich linear", sagt Frazier. Der erste Prototyp des Unternehmens, der für die US-Marine in Hawaii gebaut wurde, wird einen modifizierten Lkw-Motor verwenden, um Luft in oberirdischen Tanks unter Druck zu setzen. Wenn sich die Mechanik dieser Maschine als praktisch erweist, planen das Unternehmen und die Navy den Bau eines zweiten Prototyps, der Luft unter Wasser speichert.
Selbst einfachere Massenspeicher würden die Schwerkraft genau so nutzen, wie es Pumpspeicherkraftwerke tun. Advanced Rail Energy Storage mit Sitz in Santa Barbara, Kalifornien, ist bestrebt, Projekte zu realisieren, bei denen die Energie von Solar- oder Windparks einen Triebwagenzug auf einen Hügel treibt, wenn der Energiebedarf am Netz gering ist. Wenn am meisten Strom benötigt wird, fahren die Waggons bergab und erzeugen Strom. Die elektrischen Traktionsmotoren, die die Autos bergauf schieben, laufen beim Bergabfahren rückwärts und arbeiten als Generatoren, genau wie ein Hybridauto beim Bremsen eine Batterie auflädt. In einem ähnlichen Konzept baute EnergyCache, das von einem MIT-Maschinenbauingenieur gegründet und von Bill Gates finanziert wurde, ein Demonstrationsspeichersystem, in dem Kies mit modifizierten Skilifteinrichtungen bergauf und bergab transportiert wird.
Im jahrzehntelangen Bereich der Pumpspeicherkraft gibt es auch neue Ideen, wie beispielsweise die Speicherung von Wasser in Grundwasserleitern oder Standortanlagen am Meer, wie dies ein japanisches Unternehmen bereits getan hat. Diese Ansätze verwenden dieselbe Grundkonfiguration - ein künstliches Reservoir an einem hohen Standort neben einem niedrigeren Reservoir -, könnten jedoch möglicherweise an mehreren Standorten errichtet werden. Am ehrgeizigsten sind die Vorschläge zum Bau einer „Energieinsel“ in der Nordsee vor der niederländischen oder belgischen Küste. Die Idee ist, eine künstliche Insel mit einem Reservoir zu bauen und die überschüssige Energie, die von Windkraftanlagen zu Zeiten mit geringem Bedarf erzeugt wird, zum Pumpen von Wasser zur Speicherung zu verwenden.
All diese Innovationen beginnen mit billigen Materialien, stoßen aber letztendlich auf dieselbe technische Herausforderung: Effizienz. Wenn viel Energie verloren geht und Strom in Druckluft oder gespeichertes Wasser umgewandelt wird, steigen die Kosten. In diesem Bereich sind Akkus sehr konkurrenzfähig: Einige Typen können zu mehr als 90 Prozent effizient geladen und entladen werden.
Der Trick bei der mechanischen Lagerung besteht also darin, die Effizienz auf möglichst viele Arten zu steigern. Bei Luftspeichern heißt das oft, Wärme besser zu nutzen. Während isotherme CAES-Entwickler wie LightSail die aus der Luftverdichtung erzeugte Wärme auffangen, gewinnen andere Innovatoren Wärme von außen, die sonst verschwendet würde. Bei seinem Demo-Projekt in der Nähe von London leitet Highview Power Storage die Abwärme eines nahe gelegenen Kraftwerks ein, wenn gespeicherte flüssige Luft in Hochdruckgas umgewandelt wird, das eine Turbine zur Stromerzeugung dreht. Mit einer Vielzahl von Techniken, die sogar kalte Luft im Kies speichern, um den Kühlprozess zu unterstützen, kann Highview Power Storage den Wirkungsgrad der Energieumwandlung auf über 70 Prozent steigern, sagt er.
Die 300-Kilowatt-Pilotanlage von Highview zur Speicherung von Flüssigluftenergie (LAES) in Slough, Großbritannien. (Foto: Highview-Energiespeicher) Ein mechanisches System kann hinsichtlich der Effizienz nicht mit den besten Batterien mithalten, aber das geht zu kurz, sagt Richard Brody, ehemaliger Vizepräsident für Geschäftsentwicklung bei SustainX. Wichtiger, insbesondere bei mehrstündigen Speicheranwendungen, sind die relativ geringen Vorlaufkosten und die Tatsache, dass mechanische Systeme jahrzehntelang laufen können, ohne Speicherkapazität zu verlieren. Eine gut abgestimmte Maschine mit grundlegenden Bestandteilen - Stahl, Luft, Wasser und Kies - wird nicht die Art und Weise beeinträchtigen, wie die chemischen Verbindungen in Batterieelektroden im Laufe der Zeit abbauen, sagen Befürworter der mechanischen Lagerung. "Wir haben noch keine elektrochemische Technologie [für Batterien] gesehen, die genau das kann, was wir in dem Ausmaß und der Lebensdauer des Systems, von dem wir sprechen, können", sagt Brody. "Wir halten es für unpraktisch, mit einem dieser zellbasierten Batteriesysteme Megawatt-Produkte zu produzieren."
Angesichts des Potenzials einer weit verbreiteten Energiespeicherung im Netz finden Ansätze mit kostengünstigen Materialien weiterhin große Beachtung. Neben einer Reihe von Start-ups arbeiten viele Forscher an komprimierter oder verflüssigter Luft. So hat die Universität von Birmingham in Großbritannien ein Forschungszentrum für kryogene Energiespeicher geschaffen, und ein vom deutschen Energieversorger RWE geführtes Konsortium hat in dreieinhalb Jahren 40 Millionen Euro für die Entwicklung eines hocheffizienten CAES bereitgestellt System, das die Kompressionswärme in großen Gefäßen speichert, die mit Keramik gefüllt sind.
Dieser Zweig der Speichertechnologie könnte auch den Transport unterstützen. Das Ingenieurbüro Ricardo erforscht in zwei Projekten, wie verflüssigte Luft den Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren verbessern kann. Peugeot Citroen verfolgt unter anderen Autoherstellern eine Methode, mit der ein Druckluftspeicher effektiv wie eine Batterie in einem Hybrid-Pkw funktioniert. Der große Reiz liegt in der sofortigen Verfügbarkeit von Teilen und Infrastruktur, sagt Dr. Andrew Atkins, Chefingenieur für Technologie bei Ricardo. "Sie haben keine Supply-Chain-Probleme", sagt er. "In der Luft dreht sich alles um uns."
