Wie eine Sand-Batterie Wärme speichert

Wärmespeicher können in Zukunft eine wichtige Rolle bei der Energieversorgung im Winter übernehmen. Neben etablierten Techniken kommen innovative Konzepte infrage – zum Beispiel ein Speicher auf Sandbasis, wie er in Finnland erstmals realisiert wurde.

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Ein siloartiger Speicherturm mit der Beschriftung «Polar Night Energy»

Nach wie vor basiert die Schweizer Energieversorgung stark auf fossilen Energieträgern. Heizöl und Gas haben einen nicht unwesentlichen Vorteil: Sie sind gleichzeitig Energiequelle und Energiespeicher. Nach ihrer Gewinnung sind sie über lange Zeit recht einfach lagerfähig. Bei den neuen erneuerbaren Energien wie Solar- und Windkraft, die sie im Zuge der Energiewende substituieren sollen, ist dies hingegen nicht der Fall. Die Energiequellen der Zukunft mögen also bekannt sein – zu ihrer Speicherung aber gibt es noch einige offene Fragen. Eine der möglichen Antworten könnten Sandspeicher sein, die Wärmeenergie bei hohen Temperaturen speichern können. Um ihr Potenzial einzuschätzen, blicken wir zuerst auf die Ausgangslage in der Schweiz.

Industrieprozesse und Gebäudebeheizung

Rund die Hälfte des Endenergieverbrauchs wird hierzulande für die Bereitstellung von Wärme aufgewendet, hauptsächlich zum Beheizen von Gebäuden und für industrielle Prozesse. Für Letztere werden thermische Speicher benötigt, weil oft in Chargen produziert wird. Das bedeutet, dass die (Hochtemperatur-)Wärme jeweils kurzzeitig gepuffert werden muss, ehe der nächste Produktionsprozess beginnt.

Die Langzeitspeicherung von im Sommer gewonnener Wärmeenergie könnte 40 % des zusätzlichen Energiebedarfs im Winter decken.

Anders die Situation im Gebäudebereich, wo es einerseits Speicher für den Tag-Nacht-Ausgleich braucht und andererseits auch für den saisonalen Ausgleich. Die Langzeitspeicherung von im Sommer gewonnener Wärmeenergie hat gemäss Berechnungen der ETH Zürich das Potenzial, rund 40 % des zusätzlichen Energiebedarfs im Winter zu decken. Je nach Simulation liegt dieser bei ungefähr 10 TWh (elektrisch), Wärmespeicher könnten also ungefähr 4 TWh davon übernehmen.

Wärmespeicher: effizienter und günstiger

«Die Chancen der Wärmespeicherung werden heute in der Öffentlichkeit noch zu wenig wahrgenommen», sagt Jörg Worlitschek, Co-Leiter des Kompetenzzentrums «Thermische Energiespeicher» an der HSLU. Man spreche vor allem über verschiedene Formen der Stromspeicherung. Diese hat den Vorteil, dass sie sehr flexibel ist – Elektrizität kann für die Wärmebereitstellung ebenso genutzt werden wie für die Mobilität oder den Betrieb von Geräten. Wird Energie hingegen in Form von Wärme gespeichert, kommt sie hauptsächlich für die Wärmeversorgung infrage und weniger für die Stromgewinnung.

Dafür kann man Wärme einfacher speichern als Strom. Vor allem aber ist diese Methode in der Regel deutlich günstiger. «Gerade bei der wichtigen Langzeitspeicherung schneiden Wärmespeicher punkto Effizienz und Kosten deutlich besser ab als Stromspeicher», bestätigt Worlitschek.

Tagesschau-Beitrag zu saisonalen Wärmespeichern

Wärmespeicher-Typen

Wie lässt sich Wärme denn überhaupt speichern? Dafür kommen unterschiedliche Techniken infrage, die zum Teil bereits etabliert, zum Teil aber auch noch eher Zukunftsmusik sind. Sie lassen sich in drei verschiedene Typen einteilen: Sensible Speicher, latente Speicher und thermochemische Speicher.

Sensible Wärmespeicher

Bei sensiblen Speichern heizt sich ein Speichermedium wie beispielsweise Wasser beim Beladen auf und kühlt sich wieder ab, wenn der Speicher entladen wird. Die auf diesem Konzept basierenden Techniken sind mehrheitlich etabliert. Dazu gehören:

TypBesonderes, Anwendung
Warmwasserspeicherz. B. «Boiler» in Wohngebäuden
Heisswasserspeicherhohe Temperaturen, teilweise unter Druck, z. B. Prozesswärme, Fernwärme
ErdsondenfelderErdreich als Speichermedium, v. a. Gebäudeheizung
Grosse Wasserbeckenz. B. isolierte Grubenspeicher; in der Schweiz noch nicht etabliert
Siloförmiger Speicher neben grösserem Gebäude mit Rippenstruktur
Im November 2022 ging der Heisswasserspeicher der Kehrichtverbrennungsanlage Renergia in Perlen (LU) in Betrieb: Bei 33 m Höhe und 15,5 m Durchmesser bietet er eine Kapazität von 400 MWh, gekostet hat er rund 5 Mio Franken. Die gespeicherte Energie deckt zu Spitzenzeiten den Bedarf mehrerer Fernwärmenetze mit Überschusswärme aus der Nacht. (Foto: Renergia)

Latente Wärmespeicher

Das Speichermedium eines latenten Speichers wechselt beim Be- und Entladen von Energie nicht seine Temperatur, sondern seinen Aggregatszustand, meist von fest zu flüssig und umgekehrt. Im Vergleich zu sensiblen Wärmespeichern ist die Energiedichte rund dreimal so hoch, Latentspeicher haben also bei gleicher Masse mehr Kapazität und sind folglich platzsparender.

TypBesonderes, Anwendung
Eisspeicheretabliert in Bürogebäuden und Lebensmittelindustrie
Dampfspeicherin der Industrie etabliert, z. B. Pharmabranche
Alternative Eisspeichermit anderen Temperaturen/Materialien, sind im Kommen
Blick in einen Tank, in dem Drähte spiralförmig angeordnet sind
Eisspeicher gehören zu den latenten Wärmespeichern, deren Speicherfähigkeit auf dem Phasenwechsel des Speichermediums beruht. (Foto: Viessmann)

Thermochemische Wärmespeicher

Dieser Speichertyp ist heute noch kaum etabliert, gilt aber als sehr verheissungsvoll. Er basiert auf einer thermochemischen Reaktion, durch die Wärme freigesetzt wird. Die Energiedichte liegt bis zu fünfmal höher als bei sensiblen Speichern. Ein Beispiel für ein thermochemisches Speicherkonzept, an dem aktuell geforscht wird, ist der Natronspeicher. In einem Tank wird Natronlauge gelagert, eine der häufigsten Industriechemikalien. Wird der Lauge Wasser beigegeben, entsteht Wärme. Die Verdünnung mit Wasser kann man durch Erhitzung des Gemischs (zum Beispiel mit sommerlichem Überschussstrom) wieder rückgängig machen, denn dabei verdampft das Wasser. So lässt sich dieser Prozess beliebig oft wiederholen.

Empa/HSLU-Forschungsprojekt «NaOH-Speicher»

«Die Herausforderung ist derzeit noch, ein einfaches Setup zu entwickeln, vor allem für die Nutzbarmachung der entstehenden Wärme», erklärt HSLU-Forscher Worlitschek. An der Praxistauglichkeit scheiterte zum Beispiel das verwandte Konzept der Natronlokomotive, die der deutsche Erfinder Moritz Honigmann Mitte der 1880er-Jahre in Aachen testete. Auch ein Projekt der Empa mit einer Versuchsanlage (siehe Video) erzielte vor einigen Jahren nicht die gewünschten Resultate. Das Konzept wurde unterdessen angepasst und das Projekt wird derzeit an der HSLU weitergeführt. Stand heute ist die Marktfähigkeit von Natronlauge-Speichern aber noch nicht gegeben.

Die Sand-Batterie

Die meisten der heute etablierten sensiblen Speicher nutzen Wasser als Speichermedium. Wasser bietet viele Vorteile – es ist kostengünstig, fast überall verfügbar und gesundheitlich unbedenklich. Ein Start-up aus Finnland setzt für seinen innovativen Wärmespeicher auf ein Medium, das die Eigenschaften des Wassers sogar noch übertrifft: Sand.

Wärmespeicherung mit hohen Temperaturen

Polar Night Energy ist ein junges Unternehmen aus Finnland. Es hat gemäss eigenen Angaben den ersten kommerziellen Hochtemperatur-Wärmespeicher auf Basis von Sand gebaut. Dieser versorgt mit der gespeicherten Wärmeenergie ein thermisches Netz in der 13’000 Einwohnende zählenden Stadt Kankaanpää im Westen Finnlands. Der Speicher ist ein etwa 4 m breiter und 7 m hoher Stahlcontainer, der 100 t Sand enthält.

Überschüssiger Solar- oder Windstrom wird dazu genutzt, den Sand zu erhitzen. Dieser vermag Wärme auf kleinem Raum bei Temperaturen von 500 bis 600 °C zu speichern – grundsätzlich über mehrere Monate hinweg. Der Wärmespeicher, den die BBC im Rahmen einer Videoreportage «sand battery» getauft hat (siehe Video), erreicht eine Energiekapazität von 8 MWh sowie eine Heizleistung von 100 kW.

BBC-Reportage über die «sand battery» (Englisch)

Für Industrie geeignet

Jörg Worlitschek von der HSLU findet die Idee der Sand-Batterie spannend. «Sand lässt sich sehr schnell mit Wärmeenergie be- und entladen, weil er aus vielen kleinen Partikeln mit viel Oberfläche besteht.» Die möglichen hohen Temperaturen könnten Worlitschek zufolge vor allem für die Industrie interessant sein. Ein grosser Vorteil ist auch, dass bei der Sand-Batterie zwischen Kapazität und Leistung getrennt werden kann. Die Leistung eines Sandspeichers hängt also nicht von seiner Grösse ab, was besonders für Anwendungen an Standorten mit wenig Platz von Vorteil ist.

Store Energy in Hot Sand
So funktioniert die Sand-Batterie: Überschüssige erneuerbare Energie erhitzt den Sandspeicher, der später Wärme an verschiedene Konsumenten abgibt. (Grafik: Polar Night Energy)

Auch in der Schweiz?

Wer «wenig Platz» hört, denkt unweigerlich an die Schweiz. Eignet sich die Sand-Batterie auch für einen Einsatz hierzulande? «Ja, grundsätzlich schon», sagt Experte Worlitschek. Allerdings gebe es in der Schweiz nicht mehr viele Industriebetriebe, die Hochtemperaturwärme benötigen. «Wir sind meist auf Niedertemperaturniveau unterwegs, nur wenige Anwendungen benötigen mehr als 150 °C. Diese sind dann allerdings typischerweise grosse Verbraucher wie beispielsweise in der Chemieindustrie.» Zwar könnte man die thermische Energie der Sand-Batterie auch für die Wärmeversorgung von Gebäuden nutzen. In diesem Fall muss man sich aber überlegen, ob der Sand tatsächlich auf über 500 °C erhitzt werden soll. «Hohe Temperaturen zu speichern und dann tiefere Temperaturen auszuliefern, ist eindeutig nicht sinnvoll», erklärt Worlitschek. Er empfiehlt, die Speichertemperatur auf die Verbraucher auszurichten. Es ist also durchaus möglich, dass künftig auch die eine oder andere Sand-Batterie den Wärmespeicherpark der Schweiz ergänzt.