Sektorkoppelnder Energiespeicher – Zukunft der Energieversorgung

Sektorkoppelnder Energiespeicher – Zukunft der Energieversorgung

Wissenschaftler an der TU Graz haben ein System entwickelt, das Wasser als elektrisches und thermisches Speichermedium nutzt. Elektrizität, Wärme- und Kälteenergie werden gespeichert und stehen bedarfsgerecht zur Verfügung.

Grundlegendes Konzept der Kombination eines Pumpspeicherkraftwerks mit einem thermischen Energiespeicher (Bild: Pikl - TU Graz)

Mit dem Energiespeicher möchte man den Ausbau emissionsneutraler Kraftwerke vorantreiben und 90 Prozent des Energiebedarfs decken. Geleitet wird das Forschungsprojekt von Franz Georg Pikl, Doktorand am Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft der TU Graz. Bei dem System kombiniert das Wissenschaftler-Team die bewährten Vorteile der Pumpspeichertechnologie und der thermischen Energiespeicherung mit dem Energieträger Wasser. In einem „Heißwasser-Pumpspeicherkraftwerk“ werden sie zusammengeführt.

Funktionsweise des Energiespeichersystems

Das System vereint drei Komponenten. Das erste Element im Konzept ist die Pumptechnologie, die seit mehr als 100 Jahren stetig weiterentwickelt wird. Aktuell ist sie die zuverlässigste und langlebigste Form der Speicherung von Elektrizität. Pumpspeicherkraftwerke benötigen neben ausreichend viel Wasser einen entsprechenden Höhenunterschied zwischen zwei Becken. Daher befinden sie sich überwiegend in gebirgigen Ländern.

Franz Georg Pikl vom Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft forscht an der Zukunft der weltweiten Energieversorgung (Foto: Staudacher - TU Graz)

Mithilfe der überschüssigen Elektrizität wird in Zeiten hoher Stromproduktion das Wasser vom tiefer gelegenen Becken in ein höher gelegenes Becken gepumpt. Das Wasser fließt bei erhöhtem Strombedarf wieder nach unten und treibt die Turbinen an, die wiederum Strom produzieren. Franz Georg Pikl verlegt dieses Funktionsprinzip vollständig in den Untergrund. Die für die Stromerzeugung notwendigen Niveauunterschiede zwischen den beiden Speicherbecken werden durch unterirdische Tunnelsysteme topografieunabhängig erreicht. Dies minimiert den Flächenbedarf, vereinfacht die Standortfindung und erleichtert die nötigen Genehmigungsverfahren.

Konzept vereint drei Komponenten

Die zweite Komponente des neuen Speicherkonzepts bilden großtechnische Fernwärmespeicher. In ihnen wird thermische Energie gespeichert. Aufgrund seiner hohen spezifischen Wärmekapazität dient Wasser dem unterirdischen Pumpspeicherkraftwerk nun als zusätzlicher thermischer Energiespeicher. Das Wasser wird mithilfe von erneuerbaren Energien auf bis zu 90 Grad Celsius erhitzt. In den unterirdischen Wasserspeichern sind Wärmetauscher installiert. Mit ihnen erfolgt die Einspeicherung und Nutzung der thermischen Energie.

Die Wärme gelangt in Zeiten großen Energiebedarfs über Fernwärmeübertagungsleitungen direkt zum Endkunden. Ergänzt wurde das Konzept noch um die Fernkältetechnik, die zum Kühlen von Gebäuden immer bedeutsamer wird. Absorptionskältemaschinen kommen dabei zum Einsatz. An heißen Tagen dient das Wasser dem Antrieb dieser Maschinen zur Kälteenergieerzeugung. Über Fernkälteleitungen wird es den Kundinnen und Kunden geliefert.

Das beschriebene System kann für die ständige Kälteenergieversorgung in entsprechenden Klimazonen modifiziert werden. Dabei wird das Wasser des Pumpspeicherkraftwerks gekühlt – die angepasste Variante eines „Kaltwasser-Pumpspeicherkraftwerks“. Dem hybriden Speicherkonzept attestieren technische und energiewirtschaftliche Machbarkeitsstudien eine hohe Effizienz und Wirtschaftlichkeit.

Ökologisch und Ökonomisch

„Durch die Kombination der an sich schon sehr effizienten Systeme mit Wirkungsgraden der elektrischen und thermischen Energiespeicherung von jeweils rund 80 Prozent steigert sich der Energieumsatz bei gleichem Ressourceneinsatz gegenüber der separaten Umsetzung deutlich. Mit dieser entwickelten Energiespeicherzentrale kann eine Vielzahl von erneuerbaren Energieträgern über netzgebundene Energieinfrastruktur gebündelt werden, um den Herausforderungen der Energiewirtschaft gerecht zu werden. Außerdem zeichnet sich die Anlage durch eine hohe Rentabilität aus. Die Amortisationszeit ist kürzer als bei herkömmlichen Pumpspeicherkraftwerken“, sagt Pikl.

Das Projekt ist auch aus ökologischer Sicht interessant. Das Kraftwerk kann emissionslos betrieben werden, verbraucht keine Freifläche und greift nicht in den Wasserhaushalt von natürlichen Gewässern ein.