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Speicher – einfach gedacht

11.05.2022 – Im Zuge der Energiewende werden Speicher zur Schlüsseltechnologie. Die APT GmbH hat einen effizienten Druckluftspeicher entwickelt, mit dem benötigte Kapazitäten schnell bereitgestellt werden könnten.

Die Weichen für den Ausbau der Erneuerbaren Energien und der Transportnetze werden aktuell mit Hochdruck gestellt. Weitaus weniger öffentlichkeitswirksam, aber dennoch zentral ist das Thema Energiespeicherung. Bekanntermaßen richten sich Wind und Sonne nicht nach dem aktuellen Verbrauch, so dass Speicher unverzichtbar sein werden, um die Versorgung und die Netze stabil zu halten. Dr. Bernd Geisler, promovierter Physiker und Gründer der APT GmbH beschäftigt sich seit über zehn Jahren mit der Frage, wie ein kostengünstiger, effizienter und nachhaltiger Energiespeicher aussehen könnte.

Thermodynamischer Speicher

Seine mehrfach ausgezeichnete Lösung heißt ACAES (Adiabatic Compressed Air Energy Storage). Sie basiert auf den Hauptsätzen der Thermodynamik, welche die Umwandlung von elektrischer Energie, mechanischer Energie und Wärme beschreiben – und einem Anlagenkonzept, mit dem diese Vorgänge in beiden Richtungen ausgesprochen verlustarm ablaufen. Notwendig hierfür sind keine aufwändigen Hightech-Apparaturen, sondern einfache, industriell gefertigte Standardkomponenten – ein Großkompressor, ein Dampfturbinengenerator, ein Druckluftspeicher aus Pipelinerohren, konventionelle Wärmetauscher und Industriesteuerungen sowie als Kernstück ein von APT entwickelter Stufenwärmespeicher, den das Unternehmen als einziges in Eigenregie entwirft und herstellt.

Druckluftspeicher Anlage Modell

Eine Anlage im großtechnischen Maßstab (hier als Modell) könnte 10 MWh Strom speichern und 6 MWh zurück ins Netz speisen. Auf einer Fläche von 30 x 12 Metern könnten so +/- 1 MW als Primär- und/oder als Sekundärregelleistung zur Verfügung gestellt werden. Foto: APT GmbH

Das Prinzip ist denkbar einfach: Sobald überschüssiger Strom anfällt, pumpt der Kompressor Luft in einen Tank, die entstehende Wärme sämtlicher Prozesse wird durch den patentierten Stufenwärmespeicher aufgenommen. „Diese Komponente ist von zentraler Bedeutung, da 90 Prozent der verfügbaren Energie im System als Wärme gespeichert wird“, erläutert der Physiker. Bei Strombedarf startet ein Turbinengenerator und liefert Strom ins Netz, an einen Elektroladepark oder für einen Industrieprozess.

Hohe Wirkungsgrade, auch für Anwendungen in der Kraft-/Wärme-/Kältekopplung

Aktuell erreicht eine Anlage mit zwei Turbinen einen Stromwirkungsgrad von 61 Prozent, also deutlich mehr als Wasserstoffspeicher oder Power-to-Gas-Anlagen. „Die Effizienz ist vergleichbar mit Pumpspeicherkraftwerken, im Gegensatz dazu ist ACAES aber nicht beschränkt auf besondere topographische Lagen mit großen Höhenunterschieden“, erklärt Bernd Geisler. Das System kann also überall dezentral zum Einsatz gebracht werden, um die Energie aus Solar- oder Windkraft am Ort ihrer Erzeugung nutzbar zu machen.

Mit dem aktuellen Anlagenkonzept könne elektrisch ein Leistungsbereich von 1-10 MW mit 1-100 MWh Energiebedarf abgedeckt werden, insbesondere in der Primär- und Sekundärregelleistung. Mit seinen rotierenden Massen in Elektromotor und Generator stellt der Speicher überdies Blindleistung zur Verfügung, die im Netz zunehmend benötigt wird. Dr. Bernd Geisler: „Gerade Spannungsspitzen lassen sich im Millisekundenbereich durch die vorhandenen ohmschen Widerstände wirkungsvoll dämpfen.“

Besonders interessant soll die Speichertechnologie auch für Anwendungen in der Kraft-/Wärme-/Kältekopplung sein, wie zum Beispiel für Schwimmbäder, für Kühl- oder Gewächshäuser, die Aluminium- oder Kunststoffindustrie. Nach Berechnungen von APT kann eine Anlage hier mit nur einer Turbine im Idealfall einen Gesamtwirkungsgrad von 77 Prozent erreichen. Betriebe oder öffentliche Einrichtungen mit eigenen Erzeugungsanlagen könnten damit ein hohes Maß an Unabhängigkeit vom Netzstrom erzielen.

Druckluftspeicher Pilotanlage Container

Eine 27 Tonne schwere Pilotanalage wurde 2015 und 2016 auf der Hannover Messe vorgestellt. Foto: APT GmbH

Flexible Steuerung und Skalierung

Ergänzt wird der Speicher durch eine Steuerung, die auf einer Computersimulation der thermodynamischen Prozesse beruht – ebenfalls eine Eigenentwicklung von APT. „Unser Virtuelles Kraftwerk errechnet präzise Vorhersagen über wichtige Kenngrößen wie Wirkungsgrad, Energie, Leistung und Laufzeit und erlaubt eine flexible Auslegung der Prozesse im Sinne des gewünschten Anwendungsszenarios“, so Bernd Geisler. Auch die Größe der Anlagen ist problemlos skalierbar. EUROPIPE, der Industriepartner von APT, kann täglich drei Kilometer der als Drucklufttanks verwendeten Stahlpipelines herstellen, was in etwa einer jährlichen Speicherkapazität von 48 GWh entspricht. „Deutlich mehr als in Deutschland insgesamt in den letzten 120 Jahren gebaut wurden – und das mit bestehenden Produktionsinfrastrukturen“, ergänzt Geisler.

Mehr Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit bei Druckluftspeichern

Druckluftspeicher Container innen

Blick ins Innere der Pilotanlage. Foto: APT GmbH

Mit seinem Druckluftspeicher will Bernd Geisler auch ökologisch eine Alternative zu den omnipräsenten Batteriespeichern aufzeigen. „Unsere Rohstoffe sind Luft, Wasser und Stahl, keine giftigen Chemikalien oder seltene Erden, die unter zweifelhaften Bedingungen in Ländern gefördert werden, von denen man eigentlich nicht abhängig sein möchte“, erläutert der Physiker. Zudem gäbe es bei seiner Technologie praktisch keinen Abfall, die Lebensdauer der Druckluftspeicher liegt bei etwa 50 Jahren. Aktuell sind die Druckspeicher vom TÜV für 40.000 Lastzyklen bei voller Entladung qualifiziert, im nächsten Entwicklungsschritt sollen es 100.000 Zyklen werden. Bei drei Lastzyklen pro Tag kann das Speicherkraftwerk dann an die 100 Jahre halten. Ein weiterer positiver Aspekt mit Blick auf die globalen Herausforderungen des Klimawandels: Der Speicher kann überall auf der Welt gebaut und genutzt werden.

Die einfache Anlagentechnik sowie die hohe Effizienz des Verfahrens zahlen dabei auch auf die Wirtschaftlichkeit ein: „Wir prognostizieren Speichergestehungskosten von 3 Cent pro kWh für kleinere Anlagen bis herunter zu 1 Cent/kWh für Großanlagen“, so Dr. Bernd Geisler. Es gebe merkliche Skaleneffekte, weil zwar die einzelnen Komponenten mit der Größe der Anlage wachsen, aber nicht die Komplexität.

Game Changer der Energiewende?

Hinter dem Entwickler liegt ein weiter Weg von den initialen Berechnungen über den ersten Prototypen, der 2015 und 2016 auf der Hannover Messe präsentiert wurde, hin zur Megawatt-Pilotanlage. „Ohne gute Partner und ein gehöriges Stück Hartnäckigkeit hätte ich es vermutlich nicht geschafft“, resümiert Bernd Geisler. Zwischenzeitlich ist das System so weit optimiert, dass es laut Bernd Geisler zum Game Changer der Energiewende taugt. Mit dem Wegfall der EEG-Umlage und dem klaren Kurs der Regierung in Richtung einer unabhängigen, CO2-neutralen Stromversorgung sieht er beste Chancen für einen erfolgreichen Markteintritt. „Das ist der Moment, auf den ich seit zehn Jahren gewartet habe.“ (pq)

APT GmbH
Dr. Bernd Geisler
info@apt-gmbh.net
www.apt-gmbh.net