Die Ziele der Energiewende sind ehrgeizig: Die erneuerbaren Energien sollen bis zum Jahr 2025 40% bis 45% des Stromverbrauchs in Deutschland erzeugen. Zugleich strebt die Bundesregierung an, die Treibhausgasemissionen bis 2020 um mehr als 40% zu reduzieren. Für diese Generationenaufgabe braucht es nicht nur einen klaren Fahrplan, sondern vor allem Forscher mit cleveren Innovationen.
Das Forscherteam um Franz Georg Pikl, Doktorand am Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft der TU Graz hat einen sektorkoppelnden Energiespeicher entwickelt, mit dem er die Energiewende voranbringen könnte. „Alle drei Technologien, die wir verwendet haben, sind seit Jahrzehnten erfolgreich im Einsatz. Auf die Idee, sie zu koppeln, ist bisher allerdings noch niemand gekommen. Dieses System kann dazu beitragen, das 1,5-Grad-Klimaziel zu erreichen und gleichzeitig unseren Lebensstandard möglichst aufrecht zu erhalten“, sagt Pikl.
Unterirdische Pumpspeicher, Fernwärme und Fernkältetechnik
Die Pumpspeichertechnologie gibt es seit mehr als 100 Jahren. Seitdem wurde sie stetig weiterentwickelt und gehört zu den zuverlässigsten und effizientesten Speicherformen. Um das Funktionsprinzip möglichst wirtschaftlich nutzen zu können, gibt es zwei Voraussetzungen: ausreichende Höhenunterschiede zwischen zwei Becken und genug Wasser. Liegen diese vor, kann überschüssige Energie aus den Netzen dazu genutzt werden, das Wasser vom tiefer gelegenen in ein höher gelegenes Becken zu pumpen. Wird umgekehrt Strom benötigt, fließt das Wasser wieder nach unten, treibt Turbinen an und erzeugt so Strom. Die Forscher der TU Graz verlegten dieses Funktionsprinzip in unterirdische Tunnel. Dort sind Flächen eher verfügbar, und die Höhenunterschiede können künstlich erzeugt werden.
Als zweite Komponente des kombinierten Energiespeichers setzen die Forscher einen großtechnischen Fernwärmespeicher ein. Auch diese Technik ist keineswegs neu. Zahlreiche Stadtteile werden in Deutschland und Europa seit Jahrzehnten mit Fernwärme versorgt. Das Wasser dient dabei als Transportmedium für die Energie und ergänzt als thermischer Energiespeicher das unterirdische Pumpspeicherkraftwerk. Mit Strom aus erneuerbaren Energien wird das Wasser auf die richtige Temperatur gebracht – auf bis zu 90 Grad Celsius. Durch Wärmetauscher und Übertragungsleitungen kann die Energie direkt zu den Kunden transportiert werden. Und das ohne nennenswerte Wärmeverluste.
Die Fernkältetechnik ergänzt das Konzept als dritte Komponente, da Gebäudekühlung immer stärker nachgefragt wird. Zum Einsatz kommen dabei Absorptionskältemaschinen. An heißen Sommertagen kann das warme Wasser aus dem Fernwärmespeicher zum Antrieb der Maschinen genutzt werden, die Kälteenergie erzeugen. Es ist sogar denkbar, dieses Prinzip für eine ständige Kälteenergieversorgung zu nutzen. Dies gelingt durch eine Modifizierung des Systems. „Das Wasser des Pumpspeicherkraftwerks wird dann gekühlt, es entsteht sozusagen eine angepasste Variante eines Kaltwasser-Pumpspeicherkraftwerks“, so Pikl.
Emissionsfreies Kraftwerk mit hohem Wirkungsgrad
Erste technische und energiewirtschaftliche Machbarkeitsstudien bestärken die Forscher. Das hybride Speicherkonzept beweise hohe Effizienz und Wirtschaftlichkeit. „Jedes System ist für sich schon extrem effizient und zeigt hohe Wirkungsgrade bei der elektrischen und thermischen Energiespeicherung. Indem wir die Systeme kombinieren, steigern wir den Energieumsatz bei gleichem Ressourceneinsatz deutlich gegenüber einem separaten Einsatz der Systeme“, erklärt Pikl. Zugleich lasse sich das Kraftwerk emissionslos betreiben, benötige keine Freifläche und greife nicht in den Wasserhaushalt von natürlichen Gewässern ein. Im Juli wurde das Projekt auf dem Kongress der „International Commission on Large Dams“ mit dem internationalen Innovationspreis ausgezeichnet. Aktuell suchen die Forscher nach Partnern und Energieversorgern, die mit ihnen gemeinsam einen Prototyp des Heißwasser-Pumpspeicherkraftwerks bauen.
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