Aufgrund des sinkenden Preises von Silizium-Solarzellen und ihrer überschaubaren Größe ist es mittlerweile üblich, Solarpaneele auf Hausdächern zu sehen. Allerdings ist die Solarenergie, wie viele andere nachhaltige Energieformen auch, sporadisch. Zu Spitzenzeiten, beispielsweise an sonnigen Sommertagen, ist das Netz mit Solarenergie überflutet, während nachmittags und im Winter, wenn die Energienachfrage tendenziell höher ist, das Angebot geringer ist. Um die bedarfsgerechte Energieverfügbarkeit sicherzustellen, müssen Speicher in das Netz integriert werden.
Das Pumpspeicherkraftwerk ist ein Beispiel für eine weit verbreitete Technologie zur Energiespeicherung, bei der Wasser von einem unteren Reservoir in ein oberes gepumpt wird und bei Bedarf Strom erzeugt wird, indem das Wasser durch Turbinen zurückfließen gelassen wird. Der Ausbau dieser Anlagen ist jedoch durch die Anzahl geeigneter geografischer Standorte begrenzt. Eine Technologie, die diese Einschränkungen nicht unterstützt, ist die elektrochemische Batterie. Ein Beispiel hierfür sind Lithium-Ionen-Batterien, die in alltäglichen elektronischen Geräten zu finden sind. In größerem Umfang beginnen Unternehmen, in große Batterien zu investieren, die das Stromnetz mit Strom versorgen. Die vorherrschende Technologie für Batterien dieses Typs ist derzeit Lithiumeisenphosphat (LFP). Ein Bericht der Internationalen Energieagentur (IEA) prognostiziert, dass der Lithiumbedarf im Jahr 2040 im Vergleich zu 2020 um mehr als das 40-fache steigen wird, was größtenteils auf diesen Bedarf zurückzuführen ist. Allerdings birgt der Lithiumabbau erhebliche geopolitische und humanitäre Bedenken. Wenn der Lithiumabbau erhebliche negative Auswirkungen auf die lokale Gesundheit, die Wasserversorgung, die Artenvielfalt und den Boden hat, können wir dann argumentieren, dass er uns auf dem Weg in eine nachhaltige Zukunft hilft?
Wärmespeicher als Alternative zu elektrochemischen Batterien.
Eine weitere Alternative sind thermische Energiespeicher, bei denen Energie in Form von Wärme gespeichert wird.
Thermophotovoltaikanlage: Ein thermischer Strahler sendet Strahlung (hauptsächlich im Infrarotbereich) in Richtung eines. Photovoltaikzelle zur Umwandlung von Infrarotstrahlung in Elektrizität. Vera Moerbeek, Autorin zur Verfügung gestellt (keine Wiederverwendung)
Aufgrund der hohen Energiedichte, des Vorkommens und der geringen Kosten der Speichermaterialien sind thermische Speicher vielversprechend für die Speicherung über längere Zeiträume. Dies ist das Prinzip von Solarwarmwasserbereitern. In größerem Maßstab wird es vor allem in Kombination mit konzentrierenden Solarkraftwerken (CSP) eingesetzt, wie beispielsweise dem Solarstromprojekt Crescent Dunes in den USA oder dem Solarkraftwerk Andasol in Spanien. Bei diesen Anlagen besteht der erste Schritt darin, Sonnenenergie in Wärme umzuwandeln, und zwar mithilfe großer Spiegel, entweder parabolischer oder kleinerer Ebenen, die der Sonne folgen, die das Sonnenlicht konzentrieren und eine große Reserve an geschmolzenen Salzen erhitzen. Im zweiten Schritt wird Wärme in Strom umgewandelt: Die im Salz gespeicherte Wärme treibt eine Turbine an.
Die auf diese Weise implementierte Wärmespeicherung blieb marginal, da die in der CSP eingesetzten Turbinen mit zunehmendem Wachstum effizienter werden, was bedeutet, dass das Konzept bei kleineren Maßstäben im Allgemeinen nicht kosteneffektiv ist und daher sehr große Anlagen erfordert, die hohe Anfangsinvestitionen und Wartungskosten mit sich bringen. Obwohl es kleinere CSP-Kraftwerke mit integriertem Wärmespeicher gibt, wie beispielsweise das lineare Fresnel-Kraftwerk in Llo in Südfrankreich, sind sie noch seltener verbreitet.
Die Effizienz der Wärmespeicherung stellt eine Herausforderung dar, da sich Wärme nur sehr schwer in „nützliche“ Energie, einschließlich Elektrizität, umwandeln lässt: Die Effizienz dieses Prozesses wird grundsätzlich durch das sogenannte Carnotsche Gesetz begrenzt. Beispielsweise liegt bei 300 °C der theoretische maximale Umwandlungswirkungsgrad bei etwa 50 %, was bedeutet, dass der tatsächliche Wirkungsgrad sogar noch niedriger ausfällt. Im Vergleich dazu liegen Lithium-Ionen-Batterien, die nicht durch das gleiche physikalische Gesetz eingeschränkt sind und über Jahrzehnte optimiert wurden, bei über 90 %.
Obwohl sich die Effizienz der Umwandlung von Wärme in Strom bei höheren Temperaturen verbessern würde, können Turbinen derart hohen Temperaturen kaum standhalten.
Mit Photovoltaik Wärmestrahlung in Strom umwandeln
Es gibt jedoch noch einen anderen Weg, Wärme in Strom umzuwandeln, und zwar durch Strahlung: Das ist das Prinzip der Solarzellen auf Dächern und in Solarparks. Typische Solarzellen wandeln die Energie der Sonne um. Im Gegensatz dazu besteht die Idee hinter sogenannten Thermophotovoltaikgeräten (kurz TPV) darin, Strahlung (hauptsächlich Infrarot) von einem sehr heißen Objekt, in dem Energie gespeichert ist, zu sammeln und in Elektrizität umzuwandeln. Beispielsweise schmilzt Silizium bei 1414 °C und Graphit kann auf über 2000 °C erhitzt werden. Bei diesen hohen Temperaturen steigt die Carnot-Grenze auf 83 % bzw. 87 %. In der Praxis haben Experimente am MIT und an der University of Michigan die Umwandlungseffizienz auf über 40 % gebracht.
Zwei Arten der thermischen Energiespeicherung mit TPV-Zellen zur Umwandlung von Wärme in Strom. Zu. Links: Netzstrom wird (zu Spitzenzeiten) zur Beheizung des Wärmespeichers genutzt. Rechts: Konzentrierte Sonnenstrahlung wird zur Erwärmung des Wärmespeichers (SISTPV) genutzt. Vera Moerbeek, Autorin bereitgestellt (keine Wiederverwendung) Verschiedene Gerätedesigns
Das neueste entwickelte Gerät, das jetzt auf den Markt kommt, verfügt über ein Speichermedium in Form eines mit Strom beheizten Blocks beispielsweise aus Graphit oder Silizium. Daher ähnelt es einer Lithium-Ionen-Batterie, funktioniert jedoch durch aufeinanderfolgende Energieumwandlungen von „Strom in Wärme zu Elektrizität“ statt „Elektrizität in chemische Energie und dann in Elektrizität“.
Interessant wäre es jedoch, unser Speichermedium direkt mit der Sonne zu erwärmen, sodass das Gerät zu einer direkten Quelle erneuerbarer Energie wird.
Schema und Foto des Versuchsaufbaus des SISTPV-Prototyps, der sich bei PROMES befindet. Labor im Großen Solarofen von Odeillo, Frankreich. Die Nachführspiegel (außerhalb des Gebäudes, unterhalb des Experiments) leiten die Sonnenstrahlung durch die Luke zum Parabolspiegel, der das Licht konzentriert, sodass der Brennpunkt direkt über dem Experiment liegt (entsprechend dem Bild rechts in der Abbildung oben). Vera Moerbeek
In unserer Installation im PROMES-Labor, günstig gelegen im sonnigen Süden Frankreichs, wurde das Speichermedium (Graphit bei unseren ersten Tests) mit konzentrierter Strahlung der Sonne mithilfe eines Parabolspiegels und eines Nachführspiegels erhitzt und kann als „Solar to Heat to Electricity“ oder Solar POS mit integriertem Speicher (SISTPV) bezeichnet werden. Es handelt sich um den ersten Prototyp eines SISTPV-Systems. Ein wichtiger Vorteil im Vergleich zu CSP mit Salzschmelzespeicherung besteht darin, dass die TPV-Batterie in viel kleinerem Maßstab kostengünstig sein könnte.
Obwohl noch erhebliche Anstrengungen unternommen werden, um sowohl die Effizienz der TPV-Zellen selbst als auch die Gesamteffizienz thermischer Batterien zu verbessern, bietet SISTPV eine vielversprechende Möglichkeit, den Übergang zu erneuerbaren Energien zu unterstützen. Durch die Kombination der Sammlung, Speicherung und Erzeugung von Elektrizität in einem einzigen, kompakten und potenziell kostengünstigen Gerät verwandelt es eine intermittierende Energiequelle (die Sonne) in eine stetige Quelle und stellt Solarenergie bei Bedarf zur Verfügung.