Hochtemperatur-Wärmespeicher: Technik, Anwendungen und Praxisbeispiele im Überblick

• Hochtemperatur-Wärmespeicher sind vielseitig einsetzbar. So können sie bei der Speicherung thermischer Energie aus Industrieprozessen zu einer Verbesserung der Effizienz führen und der Stabilisierung von Prozessbedingungen von industriellen Hochtemperaturprozessen eingesetzt werden.
• Als Hochtemperatur-Wärmespeicher können sie in Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerken (GuD) für eine zeitliche Entkopplung der Strom- und Wärmebereitstellung sorgen. So ermöglicht das Verfahren etwa, dass die über den Kundenbedarf hinaus produzierte Wärme tagsüber im Speicher „geparkt“ wird und nachts – bei abgeschalteter Gasturbine – zur Verfügung gestellt werden kann.
• Nicht zuletzt können Hochtemperatur-Wärmespeicher in der Sektorenkopplung eingesetzt werden. So wird überschüssiger Solar- oder Windstrom in Wärme umgewandelt und im Feststoff-Wärmespeicher gespeichert. Die nahezu verlustfreie Speicherung mit Temperaturen von häufig 650 bis 750 °C ermöglicht dann eine Rückverstromung per Dampfturbine, wenn entsprechende Stromnachfrage herrscht.
• Den Feststoff-Hochtemperatur-Speichern ist gemein, dass sie nahezu verlustfrei Wärme speichern können und aus Materialien gebaut werden, für die keine Rohstoffknappheit besteht, da entsprechend geeignete Materialien in der Natur sehr häufig und in der Industrie oft als Abfallstoffe auftreten.
• Auch wirtschaftlich bewegen sich diese Power-To-Heat-and-Power-Speicher daher an der Grenzkostengrenze zu Null. Allerdings mindern die derzeitigen Regelungen, Netzentgelte und EEG-Umlage zahlen zu müssen, die Wirtschaftlichkeit großer Wärmespeicher mit Rückverstromung.

Prinzipiell lassen sich drei Prinzipien zur Speicherung von thermischer Energie unterscheiden: sensible, latente und thermochemische Speicher.

Im Fall sensibler Speicherung wird das Speichermedium erhitzt oder abgekühlt. Die gespeicherte Energiemenge hängt damit von der spezifischen Wärmekapazität des Speichermaterials, dessen Masse und der nutzbaren Temperaturänderung ab. Als Speichermedien kommen Flüssigkeiten oder Feststoffe in Frage.

Latentwärmespeicher nutzen hingegen den Enthalpieumsatz der Phasenänderung eines Speichermaterials. Meist handelt es sich dabei um den Übergang zwischen fester und flüssiger Phase. Damit kann eine große Energiemenge auf dem Temperaturniveau des Phasenwechsels zur Verfügung gestellt werden.

Thermochemische Speicher nutzen die Enthalpieänderung einer physikalischen Umwandlung (Sorption) oder einer reversiblen chemischen Reaktion zur Speicherung. Da die thermische Energie in chemischer Form gespeichert ist, bleibt diese verlustfrei über beliebige Zeiträume hinweg speicherbar. Gleichzeitig lassen sich mit diesem Speicherprinzip hohe Speicherdichten erreichen.

Hochtemperatur-Flüssigspeicher auf der Basis von Nitratsalzen werden seit einigen Jahren kommerziell in solarthermischen Kraftwerken eingesetzt. Hochtemperatur-Flüssigspeicher auf der Basis von Flüssigmetallen (Natrium, Blei-Wismuth u. a.) sind bisher Nischenanwendungen vorbehalten.

Hochtemperatur-Feststoffspeicher werden in einzelnen Anwendungen, etwa in der Stahl- oder Glasindustrie oder zur Abluftreinigung, kommerziell eingesetzt. Ihr Einsatz in Kraftwerksprozessen befindet sich dagegen im fortgeschrittenen Entwicklungsstadium und wird in einigen laufenden oder unlängst abgeschlossenen F&EProjekten (Flexibilisierung von GuD-Kraftwerken, Nutzung in CSP-Kraftwerken oder in adiabaten Druckluftspeicherkraftwerken) näher untersucht.

Passive Hochtemperatur-Latentwärmespeicher auf der Basis von Nitratsalz mit integriertem Rippenrohrwärmeübertragern für Dampfprozesse wurden in den vergangenen Jahren kontinuierlich weiterentwickelt. Thermochemische Speicher befinden sich in einem frühen Entwicklungsstadium, erfahren jedoch eine zunehmende Aufmerksamkeit in verschiedensten Forschungsaktivitäten.

Flüssigspeicher auf der Basis von Salzen werden genutzt, um Wärme aufzunehmen und zu einem späteren Zeitpunkt wieder abzugeben. Flüssigsalzspeicher bestehen üblicherweise aus zwei Tanks mit einem heißen und einem kalten Temperaturniveau sowie einem oder mehreren Wärmeübertragern. Beim Beladeprozess bzw. der Wärmeaufnahme wird Flüssigsalz aus dem kalten Tank gepumpt, mittels Wärmeübertrager erhitzt und in den heißen Tank geleitet.

Beim Entladeprozess bzw. der Wärmeentnahme wird Flüssigsalz aus dem heißen Tank gepumpt, mittels eines Wärmeübertragers gekühlt und in den kalten Tank geleitet. Bei Be- und Entladeprozessen ändern sich somit die Füllstände der beiden Tanks. Abhängig vom eingesetzten Salz sind Arbeitstemperaturen im Bereich 150 °C bis 560 °C mit Nitrat- und Nitritsalzmischungen möglich. Im realen Betrieb ist darauf zu achten, dass die Kristallisationstemperatur nicht unterschritten wird. Flüssigsalzspeicher werden bereits kommerziell in solarthermischen Kraftwerken eingesetzt.

Der thermische Hochtemperatur-Speicher von EnergyNest besteht aus Wärmetauschersäulen mit einem Durchmesser von ca. 25 cm und einer Länge von ca. 12 m, die in Stahlkassetten montiert sind. Im Innern jeder Speichersäule befinden sich 2 parallele U-förmige Stahlrohre, die in den von HeidelbergCement entwickelten hochwärmeleitfähigen Spezialbeton Heatcrete eingebettet sind.

Beim Aufladen eines Wärmespeichermoduls z. B. während des Tages mit Solarwärme strömt heißes Thermoöl durch die in den Wärmetauschersäulen befindlichen Doppel-U-Rohre und überträgt dabei seine Wärmeenergie auf die Betonfüllung der Säulen. Beim nächtlichen Entladen des Speichers werden die Module mit Öl niedrigerer Temperatur durchströmt und die Betonfüllungen geben ihre Wärmeenergie wieder an das Öl ab. Die einzelnen Wärmetauschersäulen sind dabei parallel- bzw. in Reihe geschaltet, sodass jedes Speichermodul nur einen Zulauf und einen Ablauf benötigt.

Der Stahlspeicher Menion von Lumenion speichert Strom als Hochtemperatur-Wärme bei 650°C. Diese kann dann zeitversetzt als Prozess-, Fern- oder Nahwärme genutzt werden. Bei entsprechendem Bedarf ist bei größeren Anlagen (ab 5 MWh) der Einsatz einer Wasserdampfturbine möglich, die aus der gespeicherten Wärme zusätzlich wieder planbar Strom liefert.

Die Hauptanwendungen eines Lumenion Hochtemperatur-Stahlspeichers sind u.a. die Bereitstellung stabiler Prozesswärme als Hochtemperaturdampf für Industrieprozesse, emissionsfreie KWK-Anwendung für Kommunen und die Spitzenkappung für große erneuerbare Stromerzeugung (100MW + Solar- & Windparks).

Die Zyklenzahl des Menion ist laut Hersteller nahezu unbegrenzt. So soll die Nutzungsdauer bei weit über 40 Jahren liegen. Der Stahl, ca. 40% der Investitionssumme, kann durch Recycling vollständig wiederverwertet werden. Als weitere Alleinstellungsmerkmale nennt Lumenion in einer Unternehmenspräsentation geringe Speicherkosten von weniger als 4 ct/kWh und einen Wirkungsgrad von 95%.

Der elektrothermische Hochtemperatur-Feststoffspeicher „Future Energy System – FEW“ von Siemens Gamesa Renewable Energie besteht aus rund 1.000 Tonnen Vulkangestein. Er ist so konzipiert, dass er bei überschüssigem Windstrom mit bis zu einer Temperatur von 750 Grad Celsius aufgeheizt werden kann. Durch die eingespeicherte Wärme können über eine Dampfturbine über einen Zeitraum von 24 Stunden 1,5 MW elektrische Energie erzeugt werden, sobald der Strombedarf höher ist als die Stromerzeugung der Windturbinen.

Die Wärme wird elektrisch über Heizwiderstände erzeugt, die dann per Ventilatoren in die zylinderförmige, sich zu den Enden hin verjüngende Basalt-Steinschüttung eingeblasen wird. Bedeckt wird der Speicher durch eine 1 m starke thermische Isolierung. Bei Nachfragespitzen kann der elektrothermische Energiespeicher (ETES) die gespeicherte Energie mithilfe einer Dampfturbine rückverstromen. Der ETES kann so bis zu 130 MWh thermische Energie für rund eine Woche speichern.