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Apr 18, 2023

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In fünf Jahren wird der Betrieb eines Kohle- oder Erdgaskraftwerks mehr sein

In fünf Jahren wird der Betrieb eines Kohle- oder Erdgaskraftwerks teurer sein als der Bau von Wind- und Solarparks. Tatsächlich ist laut einer neuen Studie von Bloomberg New Energy Finance der Bau eines neuen Solarparks in vielen Regionen der Welt bereits günstiger als der Betrieb von Kohle- und Erdgaskraftwerken.

Doch eine vollständige Umstellung auf intermittierende Energiequellen erfordert dringend eine kostengünstige, zuverlässige Energiespeicherung, die überall gebaut werden kann. Einige aufstrebende Startups glauben, dass die Antwort in dem Verfahren liegt, bei dem die Toasterspulen durch elektrisches Erhitzen auf sengende Temperaturen zum Leuchten gebracht werden.

Antora Energy in Sunnyvale, Kalifornien, möchte Kohlenstoffblöcke für eine solche Wärmespeicherung verwenden, während Electrified Thermal Solutions in Boston nach Mitteln sucht, um ein ähnliches System mit leitfähigen Keramikblöcken zu bauen. Ihre Vision ist ähnlich: Überschüssigen erneuerbaren Strom zu nutzen, um die Blöcke auf über 1.500 °C aufzuheizen, und ihn dann bei Bedarf wieder in Strom für das Netz umzuwandeln.

Um die Kosten der Erdgaskraftwerke zu übertreffen, die heute Wind- und Solarenergie unterstützen, müsste die Speicherung von Energie etwa 10 US-Dollar pro Kilowattstunde kosten. Beide Startups sagen, dass ihre Joule-Heizsysteme diesen Preis erreichen werden. Laut einer aktuellen Studie von MIT-Ökonomen kosten Lithium-Ionen-Batterien inzwischen etwa 140 US-Dollar pro Kilowattstunde und könnten auf bis zu 20 US-Dollar pro Kilowattstunde sinken, allerdings erst im Jahr 2030 oder danach.

Justin Briggs, Mitbegründer und Chief Science Officer von Antora, sagt, er und seine Mitbegründer Andrew Ponec und David Bierman, die das Unternehmen im Jahr 2018 gründeten, hätten mehrere Energiespeichertechnologien in Betracht gezogen, um dieses Ziel zu erreichen. Dazu gehörte die heute vorherrschende Methode der Pumpspeicherung, bei der Wasser, das in eine höhere Höhe gepumpt wird, beim Fallen Turbinen antreibt, und die ähnliche neue Schwerkraftspeichermethode, bei der 35-Tonnen-Ziegel angehoben und fallen gelassen werden.

Am Ende überzeugten die Heizkohlenstoffblöcke aufgrund ihrer beeindruckenden Energiedichte, Einfachheit, geringen Kosten und Skalierbarkeit. Die Energiedichte liegt mit ein paar Hundert kWh/m3 auf dem Niveau von Lithium-Ionen-Batterien und ist hunderte Male höher als bei Pump-Wasserkraft oder Schwerkraft, die außerdem „zwei durch einen Berg getrennte Reservoirs oder einen wolkenkratzergroßen Stapel Ziegelsteine“ benötigen. Briggs sagt.

Antora verwendet dieselben Graphitblöcke, die in Stahlöfen und Aluminiumhütten als Elektroden dienen. „[Diese] werden bereits in Mengen von 100 Millionen Tonnen produziert, sodass wir diese Lieferkette nutzen können“, sagt er. Briggs stellt sich Blöcke vor, die ungefähr die Größe von Wohnheimkühlschränken haben, in modularen Einheiten verpackt und in übliche Isoliermaterialien wie Steinwolle eingewickelt.

„Nachdem man das Ding mit Strom aufgeheizt hat, besteht der eigentliche Trick darin, wie man die Wärme zurückgewinnt“, sagt er. Eine Möglichkeit besteht darin, die Wärme zum Antrieb einer Turbine zu nutzen. Doch Antora entschied sich für Thermophotovoltaik, solarzellenähnliche Geräte, die Infrarotstrahlung und Licht der glühend heißen Kohlenstoffblöcke in Elektrizität umwandeln. Der Preis dieser Halbleiterbauelemente sinkt bei der Herstellung in großem Maßstab dramatisch, sodass sie pro Watt günstiger sind als Turbinen. Und im Gegensatz zu Turbinen, die am besten funktionieren, wenn sie groß gebaut sind, funktioniert Thermophotovoltaik unabhängig von der Leistungsabgabe gut.

Die Graphitblöcke von Antora Energy speichern regenerativ erzeugte Energie bei Temperaturen über 1000 °C und wandeln diese schließlich über ihre proprietäre thermophotovoltaische Wärmemaschine wieder in Elektrizität um.ANTORA ENERGY

Thermophotovoltaik gibt es schon seit Jahrzehnten, aber Antora hat ein neues System entwickelt. Richard Swanson, einer der Berater des Unternehmens, war Ende der 1970er Jahre ein früher Pionier der Technologie. Der Wirkungsgrad, mit dem die Geräte Wärme in Strom umwandeln, steckte in den 20er-Jahren fest, bis das Antora-Team 2019 einen Weltrekord-Wirkungsgrad von 30 % vorwies. Dies gelang ihnen durch den Wechsel von Silizium zu leistungsstärkeren III–V-Halbleitern und mithilfe von Tricks Zum Beispiel nutzt man Infrarotlicht mit niedrigerer Energie, das andernfalls den Halbleiter durchdringt und verloren geht. Das System von Antora gewinnt diese Wärme zurück, indem es einen Reflektor hinter dem Halbleiter platziert, um die Infrarotstrahlen zurück zum Graphitblock zu reflektieren.

Die Technologie hat sich durchgesetzt. Antora hat Frühphasenfinanzierung von ARPA-E erhalten und ist Absolventin des Activate Entrepreneurial Fellowship-Programms und des Shell/NREL GameChanger Accelerator-Programms. In jüngerer Zeit haben sie Mittel von Risikokapitalgebern und der California Energy Commission [PDF] erhalten, um ihre Technologie zu erweitern, und werden 2022 ein Pilotsystem an einem nicht genannten Kundenstandort bauen.

Electrified Thermal Solutions, das zur 2021-Kohorte von Activate gehört und 2020 gegründet wurde, ist viel jünger. Als Wärmespeichermedium wählten die Firmenmitbegründer Joey Kabel und Daniel Stack Keramikblöcke. Konkret werden heute wabenförmige Keramikblöcke zur Abwärmeerfassung in Stahlwerken eingesetzt. Da Keramik keinen Strom leitet, dotieren sie die Ziegel, um sie leitfähig zu machen, sodass sie elektrisch auf 2.000 °C erhitzt werden können.

Stack sagt, dass sie planen, einen breiten Markt für diese gespeicherte Wärme anzusprechen. Sie könnten damit eine Gasturbine zur Stromerzeugung antreiben oder jeden anderen Hochtemperaturprozess wie die Herstellung von Zement und Stahl betreiben.

Das Duo arbeitet noch an einigen technischen Herausforderungen, beispielsweise daran, zu verhindern, dass die Keramik im Laufe der Zeit oxidiert und verdampft. Letztendlich soll das System eine Lebensdauer von über 20 Jahren haben, ein weiterer großer Vorteil gegenüber Batterien. Sie bauen derzeit einen Tischprototyp, sagt Kabel, aber das endgültige System im Originalmaßstab sollte wie ein großes Getreidesilo aussehen, das etwa 600 kWh/m3 speichern sollte, was der Energiedichte von Antora entspricht.

Es wird einige Jahre dauern, bis eines der beiden Unternehmen bereit ist, eine vollständige Anlage zu bauen.

Wenn sie sich jedoch beweisen können, könnten diese Unternehmen den Weg für eine kostengünstige Speichertechnologie für das Stromnetz des 21. Jahrhunderts ebnen. „Wir wollen den Industrie- und Elektrizitätssektor dekarbonisieren, indem wir den Verbrennungsprozess durch ein erneuerbares Heizsystem ersetzen“, sagt Stack.

Update (23. Juni 2021):Diese Geschichte wurde aktualisiert und enthält nun Ergebnisse aus einem neuen Bericht über die Kosten von Solarstrom von Bloomberg New Energy Finance.